Coefficiente di assorbimento, riflessione e impedenza ... - Studium

Coefficiente di assorbimento, riflessione e
impedenza acustica superficiale

Sound Transmission
Sound waves change their direction of travel through the following four catagories of
phenomena:
1.Sound Reflection:
The return from surfaces of sound energy not absorbed upon contact with the surfaces.
2. Sound Diffraction:
The ability of a sound wave to “flow” around an obstruction or through openings with little
loss of energy.
3. Sound Refraction:
Changes in medium conditions which change the speed of sound. Because the speed of
sound is faster in warmer air, sound waves bend towards cooler temperatures.
The wind can also cause sound waves to refract.
4. Sound Diffusion:
Sound reflects off a convex or uneven surfaces in a even way rather than being limited to
a discrete reflection.

Impedenza acustica
A pulse of sound incident on an interface between media with different
mechanical properties can undergo two processes:
Transmission or Reflection
Amount of reflected and transmitted light depends upon impedance difference
B= bulk modulus

Sound Absorption:
Conversion of acoustic energy to heat or another form of energy within the structure of a
sound absorptive material
Per effetto della natura ondulatoria del suono, l’onda riflessa avrà un’ampiezza e fase
diverse da quelle dell’onda sonora incidente.
Il coefficiente di riflessione può esprimersi in funzione del rapporto tra la pressione riflessa e
la pressione incidente,
r
p
p
r
j
= = rp
e ϕ
= coefficiente di riflessione complesso
pi
r r p
2
= = coefficiente di riflessione energetico

Materiali Fonoassorbenti
Meccanismi fisici che provocano l’assorbimento di energia sonora da parte di
materiali e strutture:
- dissipazione per attrito su superfici con asperità o all’interno di piccole cavità
(materiali porosi),
- vibrazione di strutture/membrane (pannelli vibranti),
- risuonatori (di Helmholtz).
- Il coefficiente di assorbimento acustico apparente può essere posto nella
forma:
α = 1−
rp
2

Different ways to achieve sound
absorption.
Sound Absorption Coefficient α s
open porous
materials
wall
Layer of porous material
wall
frequency
low medium high
membrane
membrane
studs
frequency
low medium high
wall
resonator
pass
corps
0
frequency
low medium high

Materiali Porosi
Il moto dell’aria all’interno di piccole cavità provoca la dissipazione di energia
sonora ad opera delle forze di attrito viscoso, che instaurano un gradiente di
velocità tra la parte di aria che si muove liberamente (al centro della cavità) e
quella quasi immobile in prossimità della superficie.
L’energia meccanica dissipata dell’onda sonora si converte in calore.
Factors which affect the absorption of any porous material:
1. Density (of facing)
2. Porosity (the makeup of the material).
3. Mounting (affects the low frequency)
4. Size
5. Thickness

Materiali Porosi
Il valore di α è maggiore per un onda sonora che incide normalmente alla
superficie rispetto al caso in cui provenga da altre direzioni,
I valori tabulati sono riferiti ad una incidenza da direzione casuale.
La dissipazione dell’energia vibrazionale posseduta dalla molecole dell’aria è
massima in corrispondenza della velocità massima.

Materiali Porosi
Lo spessore del materiale determina la lunghezza d’onda alla quale avviene il
massimo assorbimento dell’energia sonora.
Per un tono a 63 Hz (lunghezza d’onda 5,4m), il massimo assorbimento sarà
dato da un materiale con spessore teorico di circa 1,35m.
Per un tono a 4000Hz (lunghezza d’onda 0,085m) il massimo assorbimento si
otterrà con uno spessore di 0,02 m

Materiali Porosi
soffitto
Spessore
Materiale
fonoassorbente
Profondità
utile
L’intercapedine d’aria tra il pannello fonoassorbente e la parete di fondo
costituisce un “aumento” virtuale dello spessore del pannello.
Ai fini dell’assorbimento alle basse frequenze si considera la profondità utile tra
la superficie esterna del pannello e la superficie della parete.

Materiali Porosi

Materiali Porosi

Materiali Porosi

Risonatori Acustici
wall
resonator
pass corps low medium high
0
frequency
Il sistema è costituito da una massa oscillante (aria nel collo), un elemento
elastico (aria nella cavità) ed un elemento smorzante (l’attrito sulle pareti del
collo), ed è caratterizzato da una frequenza di risonanza in corrispondenza
della quale la dissipazione di energia sonora sarà massima.
L’aria contenuta nel collo viene posta in oscillazione mentre l’aria all’interno
della cavità viene alternatamene compressa ed espansa, la sua elasticità fa si
che essa si comporti come una molla.

Risonatori Acustici RH
Gli elementi caratteristici di un risonatore di Helmotz sono:
Il volume V della cavità (definita da pareti rigide e collegata all’esterno)
l’apertura (collo del risonatore) di sezione “A” e di lunghezza “l”
c o
= velocità di propagazione del suono nel mezzo (m/s);
r, l = raggio e la lunghezza del collo del risonatore (m);
V = volume della cavità (m 3 ).

Risonatori Acustici RH
L’assorbimento di un singolo risuonatore dipende dalla frequenza di risonanza e
può essere stimato con la formula:
⎛
A = 0,159
⎜
⎝
c
f
0
⎞
⎟
⎠
2
A = area di assorbimento equivalente totale, [m 2 ]
c = velocità del suono nell’aria, in [m/s]
f = frequenza di risonanza, in Hz.
Quando la cavità del risonatore è
vuota il sistema ha uno smorzamento
piccolo per cui l’assorbimento ha un
picco netto in corrispondenza di f,
( frequenze medio basse)
Inserendo del materiale poroso nella
cavità si ottiene un allargamento dello
spettro di assorbimento con riduzione
del picco alla f di risonanza

Pannelli assorbenti perforati
I pannelli forati hanno uno spettro
di assorbimento più ampio rispetto
a quello che si ottiene con i
risuonatori singoli.
Vengono utilizzati nel campo delle medie frequenze, tra 500 e 1500Hz

Pannelli assorbenti perforati
I risuonatori di Helmholtz sono costosi da realizzare ed efficaci solo su strette
bande di frequenza. Un meccanismo di assorbimento simile si ottiene con
pannelli perforati, montati ad una certa distanza da una superficie rigida; i fori nel
pannello agiscono come una serie di “colli” che dividono la stessa “camera”.
Pannello
perforato
Suono
incidente
Suono
riflesso
Materiale poroso
Spazio d’aria
Superficie rigida
L’aria contenuta nei fori si
comporta come una serie di
masse connesse ad un’unica
molla (aria compresa nello spazio
tra il pannello perforato e la
superficie rigida posteriore), ci
sarà una frequenza di risonanza
alla quale l’assorbimento
dell’onda sonora è massimo

Pannelli assorbenti perforati ( Slot absorber)
Fraction of open area
e
=
A
open
A
tot
=
2r
w + 2r
V=A tot
D
A open =
V
e
D
f
=
v Aopen
v
=
2π Vd 2π
e
dD
f
= 54.8
2r
dD(
w + 2r)

Pannelli assorbenti perforati
Per ottenere un assorbimento distribuito su una banda di frequenze più
ampia, si praticano dei fori di diverso diametro, o si spaziano
disuniformemente in modo da variare il volume della cavità. Tale effetto può
anche essere ottenuto variando lo spazio vuoto dietro il pannello.

Pannelli vibranti
Sono costituiti da lastre di materiale non poroso (legno compensato) montate su
un apposito telaio che le mantiene ad una certa distanza dalla parete. I pannelli
che vengono messi in oscillazione dall’onda sonora, che
viene così convertita in lavoro di deformazione e spostamento del pannello. Le
vibrazioni del pannello vanno smorzate in modo da aumentare la dissipazione di
energia sonora e limitare la trasmissione del suono sul fronte opposto.
I pannelli vengono collocati ad una certa distanza dalla parete e parallelamente
ad essa, così da costituire una massa oscillante accoppiata ad un elemento
elastico: l’aria nell’intercapedine tra pannello e parete.
Lo smorzamento dell’oscillazione sarà dovuto agli attriti interni al pannello

Pannelli vibranti
I pannelli assorbenti di uso comune sono più efficaci alle basse frequenze, con un
picco di assorbimento massimo alla frequenza di risonanza;
all’aumentare della densità superficiale del pannello e/o della profondità
dell’intercapedine d’aria tra pannello e superficie rigida, la frequenza di
assorbimento massimo diminuisce,
f
=
60
mD
m = densità superficiale del pannello (kg/m 2 );
d = distanza del pannello dalla parete (m).

Pannelli vibranti

La misura del coefficiente di assorbimento
La norma ISO 354 - 1985 [UNI EN 20354] riguarda le modalità per la
determinazione del coefficiente di assorbimento acustico di materiali e
strutture fonoassorbenti in camera riverberante.
Il campione da esaminare deve avere una superficie non inferiore ai 10 m 2
Nella camera riverberante viene misurato il tempo di riverberazione con e
senza il campione da esaminare.
Dai valori ottenuti del tempo di riverberazione, utilizzando la formula di Sabine,
si ottengono i valori dell’assorbimento totale della sala nei due casi, quindi
dalla differenza dei due l’assorbimento dovuto al campione, che, diviso per la
sua superficie, fornirà il coefficiente α per ogni banda di frequenza.

La misura del coefficiente di assorbimento

La misura del coefficiente di assorbimento
L’area di assorbimento equivalente del materiale in prova viene calcolata con
la relazione
T1 = tempo di riverberazione, in secondi della camera vuota,
T2 = il tempo di riverberazione,della camera contenente il campione in prova,
V = volume della camera, in metri cubi,
c =la velocità di propagazione del suono nell’aria, in metri al secondo.
Nella formula è evidenziata la velocità del suono, che nella formula di Sabine è
contenuta nel termine 0,161 (55,3/341=0,161), questo consente di tener conto
della dipendenza di c dalla temperatura,
c = 331+0.6٠t
t = temperatura dell’aria rilevata in camera riverberante in gradi Celsius

La misura del coefficiente di assorbimento
Nel caso di struttura fonoassorbenti piane, si può dedurre il coefficiente
d’assorbimento acustico direttamente dalla relazione:
α = A/ S
dove S è la superficie del campione in prova, in metri quadrati.
α : coefficiente di assorbimento del campione
V : volume della camera di prova
S : superficie del campione in prova
Ts : tempo di riverberazione con il materiale installato
Te : tempo di riverberazione senza il materiale installato
La misura del coefficiente di assorbimento per incidenza diffusa viene effettuata
in camera riverberante

Tubo ad onde stazionarie
o tubo a impedenza
Il metodo ha il vantaggio di avere dimensioni contenute, di non richiedere
complesse attrezzature di supporto e di utilizzare soltanto un piccolo campione.
Viene usato soprattutto per materiali porosi, non è adatto agli assorbitori il cui
effetto dipende dalla superficie, come per esempio quelli a pannelli vibranti.
Il campione da esaminare viene posto all’interno del tubo, ad una sua estremità.
All’altra estremità del tubo è posto un altoparlante, il cui magnete è stato
trapanato per farvi passare un tubo sonda, lungo e sottile, accoppiato con un
microfono.
Attivando l’altoparlante a una determinata frequenza, si formano onde stazionarie
dovute all’interazione fra l’onda emessa e quella riflessa dal campione

Tubo ad onde
stazionarie
o tubo a
impedenza
La pressione sonora è massima sulla superficie del campione. Allontanando il
tubo sonda del microfono dal campione, si individua un primo minimo della
pressione sonora. Allontanando ulteriormente il tubo sonda, si osservano altri
massimi e minimi alternati.
Indicando con n il rapporto fra la massima pressione sonora e la minima
immediatamente successiva il coefficiente di assorbimento per incidenza normale
α n
viene così definito: