APPROFONDIMENTI DI ACUSTICA FISICA - ARCHITETTONICA E PSICOACUSTICA Parte II

POTERE FONOISOLANTE E ASSORBENTE DEI MATERIALI EDILIZI

Come visto in acustica un materiale solido ha potere di riflettere il suono, assorbirlo, trasmetterlo e dissiparlo. A seconda delle sue caratteristiche molecolari.

Veniamo al dettaglio :

Per il calcolo di questi fattori è necessario stabilire dei coefficienti di misura :

1. Coefficiente di Dissipazione δ ( rapporto tra potenza sonora dissipata e incidente )

2. Coefficiente di Trasmissione τ ( rapporto tra potenza sonora trasmessa e incidente )

τ = It / Ii

It = Intensità sonora trasmessa

Ii = Intensità sonora incidente

Il coefficiente di trasmissione dipende dall'angolo di incidenza dell'onda acustica sul pannello isolante.

3. Coefficiente di Assorbimento α ( rapporto tra potenza sonora assorbita e incidente )

α = δ + τ

δ = coefficiente di dissipazione

τ = coefficiente di trasmissione

Il coefficiente di assorbimento dipende dall'angolo di incidenza dell'onda acustica sul pannello isolante.

4. Coefficiente di Riflessione r ( rapporto tra potenza sonora riflessa e incidente )

r + δ + τ = r + α = 1

Il potere fonoisolante ( R ), dipende anch'esso dall'angolo di incidenza dell'onda sonora ed è dato d:

R = 10log ( 1 / τ )

La trasmissione del suono attraverso pannelli solidi dipende essenzialmente da 4 grandezze, detti anche modi della struttura, quali :

1.massa, 2. smorzamento, 3. rigidità, 4. geometria

La somma di tutti questi 4 fattori darà la risposta dinamica del pannello alla trasmissione del suono.

Essa è di 2 tipologie fondamentali :

1. Trasmissione non risonante

quando l'energia sonora incidente pone in moto forzato la struttura senza eccitarne i modi propri, è dominata dalle caratteristiche massive della struttura stessa.

2. Trasmissione risonante

quando sono eccitati i modi della struttura, è dominata dallo smorzamento della struttura e dalla sua efficienza di radiazione.

Parte di energia non trasmessa e riflessa viene essenzialmente assorbita e trasferita in calore secondo 3 principi :

1. Fattore di perdita interno ( ILF Internal Loss Factor ), rappresenta la frazione di energia dissipata in calore intrinsecamente all'elemento.

2. Fattore di perdità di accoppiamento ( CLF Coupling Loss Factor ), rappresenta la parte di energia ceduta dall'elemento ad altri sistemi fisici accoppiati.

3. Fattore di perdita totale ( TLF Total Loss Factor ), considera tutta la dissipazione energetica dell'elemento, dovuta alla somma di tutte le possibili concause.

L'assorbimento acustico come anche l'isolamento, oltre che dall'angolo di incidenza dipende dalla frequenza.

Alcuni effetti che possono variare la capacità di assorbimento - isolamento del pannello sono :

1. Rapido decadimento delle vibrazioni libere, quindi una riduzione del rumore generato da un impatto sul pannello.

2. Riduzione dell'ampiezza di vibrazione alle risonanze.

3. Attenuazione delle onde strutturali che si propagano nel pannello e quindi la riduzione dell'energia tramessa.

4. Incremento dell'isolamento acustico del pannello alla frequenza critica ( vedi effetto coincidenza )

Per quanto riguarda il potere isolante, a parità di angolo di incidenza e pulsazione ( frequenza ) :

Ad ogni raddoppio della massa areica M del pannello ( pannello in aria non considerando eventuali strutture accoppiati o su cui il pannello poggia, tipo muri, terreno, porte, finestre....ecc.. ), vi è un incremento del potere fonoisolante di 6 dB.

Ad ogni raddoppio della rigidità areica K del pannello, vi è un incremento del potere fonoisolante di 6 dB.

Mentre a parità di angolo di incidenza e massa, al raddoppio della pulsazione ( frequenza ) vi è un decremento di 6 dB.

Nell'intorno della frequenza di risonanza del pannello le proprietà trasmissive sono dominate dallo smorzamento, ed il pannello ha un potere fonoisolante inferiore.

EFFETTO DEI MODI

In un contesto reale qualsiasi pannello è montato su di una struttura e/o connesso ad altri elementi, comunque ha dimensioni finite.

Questi fattori incidono sulle caratteristiche del potere acustico del pannello stesso.

Andamento del potere fonoisolante in relazione alla frequenza.

Come si nota nella figura soprastante, il potere isolante del pannello è diviso in 5 settori fondamentali.

1. Fino alla frequenza di risonanza l'isolamento è legato alla rigidità del pannello, più bassa sarà la frequenza rispetto a quella di risonanza e tanto maggiore sarà l'isolamento.

2. Alla frequenza di risonanza f₀ il potere fonoisolante è minimo, la frequenza di risonanza varia soprattutto in relazione alla geometria e alla massa del pannello stesso, per cui cambiando pannello è possibile variarne la frequenza , mentre accoppiando altri pannelli con frequenze di risonanza differenti è possibile attenuare il gap di tale frequenza e migliorare il potere  isolante complessivo.

3. Oltre la frequenza di risonanza vi è il dominio della legge di massa, che come detto a parità di angolo di incidenza e massa vi è un incremento o decremento di 6 db al raddoppio della frequenza.

4. Ad una data frequenza, entrano in gioco gli effetti modali dati dagli spigoli e angoli del pannello ed effetti superficiali che ne fanno calare il potere fonoisolante.

5. Vi è poi una frequenza limite detta f_c ( frequenza di coincidenza ), in cui impedenza acustica dell'aria e quella del pannello sono molto simili, per cui la trasmissione del suono è risonante.

DOPPIO PANNELLO

Se ad un pannello isolante ne montiamo un'altro perfettamente identico accoppiato, non avremo come si potrebbe pensare un raddoppio del potere isolante ma molto meno.

Ancor più se tra i due panneli vi è un intercapedine, quindi uno spazio. Il materiale interposto tra i due pannelli con suo proprietà fisiche es. aria, inciderà sulle caratteristiche complessive di isolamento acustico. 

C'è da dire che accoppiando pannelli di varia tipologia con intercapedini, quindi strati di materiali differenti anche solidi con gas e fluidi, il potere fonoisolante aumenta, grazie anche ai fenomeni rifrattivi del caso.

Per due pannelli perfettamente accoppiati :

1. Se la frequenza considerata è inferiore alla frequenza di risonanza, il sistema si comporta come un pannello singolo di massa areica totale M_t = M₁ + M₂, cio'è pari alla somma delle masse areiche dei due pannelli.

2. Se la frequenza considerata è superiore a quella di risonanza, il potere isolante  è dato dalla somma dei contributi dei singoli pannelli aumentata di un addendo che mostra come l'isolamento cresca di 18 dB per ottava nei primi ordini, per poi via via a linearizzarsi per frequenze superiori.

3. Se la frequenza considerata e quella di risonanza sono uguali, il potere isolante tende a zero.

DIVISORI MULTISTRATO

Come precedentemente definito, più pannelli di diversa tipologia fisica consentono di ottenere un rilevante aumento del potere fonoisolante.

 

1. CONNESSIONI STRUTTURALI

I pannelli vengono montati agganciati a verie tipologie di supporti quali altre pareti, ganci, viti, giunture, saldature, edifici, mezzi di trasporto, travi, intelaiature, canaline di supporto, ecc...

Tutti questi fattori possono ineficiare del potere fonoisolante della struttura complessiva :

1. Essendo i pannelli di dimensioni finite, la presenza di tali condizioni di contorno, determina la ditribuzione modale dell'isolamento che dipende anche dalla tipologia dei vincoli, cio'è dal montaggio della parete costituita dall'assemblaggio dei vari pannelli.

2. La presenza di percorsi sonori alternatici nelle eventuali intercapedini, può alterare sensibilmente la trasmissione delle stesse.

3. Esistono problemi connessi alle perdite di propagazione per via solida.

4. La distribuzione degli elementi di fissaggio incide sul potere fonoisolante.

5. Il rapporto fra area e perimetro del singolo pannello può modificare il comportamento acustico.

6. Sono presenti effetti di bordo della radiazione.

2. CONNESSIONI PER PUNTI O A LINEA

Una connessione a linea è una giunzione continua tra due pannelli. Ad esempio una saldatura.

Una connessione per punti, è una giunzione non continua tra due pannelli. Tipo una serie di viti distanziate.

Qualsiasi sia il tipo di connessione incide fortemente sulla propagazione e trasmissione delle onde flessurali in superficie. Generalmente riducono il potere fonoisolate, soprattutto quelle connessioni con materiali ferromagnetici, aventi un alto grado trasmissivo.

Tra i due tipi di connessione la migliore per avere un più alto potere fonoisolante è sicuramente quella a punti, in quanto la connessione a linea si comporta come il bordo di un pannello, ed il suono incontra una forte resistenza all'attraversamento della giunzione fra le superfici del pannello in cui il suono incide, quindi il suono non viene trasmesso all'area dall'altra parte della giunzione. Questo fa si che la maggiore parte dell'energia sia trasmessa attranerso il giunto al pannello accoppiato, e questo fa calare il potere fonoisolante.

Nella connessione a punti, se la spaziatura ad esempio di viti è costante è la distanza tra le viti è inferiore alla semionda della più alta frequeza considerata, l'energia acustica incontra una debole resistenza sulla giunzione e quindi la maggiore parte di questa energia viene trasmessa attraverso la giunzione stessa sulla superficie del pannello, senza venire trasmessa dalla parte opposta della struttura, ed il potere fonoisolante rimane alto.

In pratica per linea la trasmissione dell'energia avviene sia attraverso il giunto che per trasmissione di calore, mentre per punti solo attraverso il giunto.

Di Seguito un'illustrazione di varie tipologie di materiali e loro potere fonoisolante.La dicitura Rw indica il coefficente di isolamento in relazione alla potenza trasmessa, e si riferisce alla pressione sonora ponderata A rilevata con un fonometro lineare.

Piombo
Il piombo è il materiale fonoisolante naturale per antonomasia, grazie alla sua alta densità infatti consente di ottenere importanti risultati in termini di abbattimento sonoro. Non di meno le sue caratteristiche di malleabilità e plasmabilita ne consentono un utilizzo proficuo per risolvere le più importanti problematiche di insonorizzazione. Lo si può utilizzare in fogli o lastre preformate di facile reperibilità.

Gomma
La gomma naturale che si ricava dalla resina delle cortecce di alcune piante, possiede una densita cellulare consistente è può essere impiegata proficuamente come isolante acustico in alternativa al piombo. Apprezzabile soprattutto in un'ottica "ecologica" in quanto non presenta le controindicazioni del piombo talora considerato come materiale inquinante. Di norma, viene commercializzata in lastre o in materassini.


Solitamente i maggiori produttori di materiali fonoisolanti combinano il piombo con la gomma naturale o sintetica al fine di ottenere migliori risultati in termini di abbattimento sonoro; non di rado sia il piombo che la gomma vengono utilizzati assieme a materiali fonoassorbenti quali fibre naturali e sintetiche, sughero, polistirene etc, per la produzione di pannelli sandwich o di materassini dall'elevato potere fonoisolante che sfruttano l'effetto dissipativo proprio dei predetti materiali.

Mattoni in laterizio o cotto
Sono normalmente utilizzati per la realizzazione di pareti perimetrali e interne degli edifici per civile abitazione. L'indice del potere fonoisolante per un singolo mattone in laterizio forato dello spessore di 8 cm, si attesta intorno a valori di 35 Rw. Nel caso di parete intonacata con intercapedine si possono raggiungere valori fino a 60-65 Rw ricorrendo a particolari materiali tecnici e/o all'insufflaggio di particolari schiume fonoassorbenti.

Mattoni in cemento
I blocchi di calcestruzzo sovente utilizzati per la realizzazione di pareti perimetrali e portanti presentano valori di isolamento acustico nell'ordine di >50 db riferito a manufatti forati di 20 cm di spessore con massa intorno ai 1200 kg/m3

Solai in laterocemento
Gli elementi di separazione tra i pieni di un edificio sono realizzati attrarverso l'utilizzo di speciali mattoni intelaiati in strutture di calcestruzzo armato. Per solai dello spessore di 20 cm si può ipotizzare un capacità fonoisolante di circa 50-55 db

Cemento armato
Il calcestruzzo armato (cemento con la presenza di anime in acciaio al suo interno) utilizzato principalmente per la realizzazione delle strutture portanti degli edicfici (pilastri, travi, muri di contenimento) raggiunge valori di perdita di trasmitatnza sonora (Rw) di circa 60 db riferito ad elementi dello spessore di 20 cm e di peso di 1500 kg/m3

Cartongesso
Il cartongesso utilizzato principalmente per la crezione d controsoffitti (tetti falsi) ma anche per la realizzazione di pareti divisorie leggere, presenta più caratteristiche fonoassorbenti che fonoimpedenti, tuttavia il suo utilizzo combinato a quello di altri materiali contribuisce all'ottenimento di alti valori di fonoisolamento.

Pannelli in alluminio 
Trovano utilizzo soprattutto nella realizzazione di capannoni industriali relativamente alle coperture e alle tarmezzature. Una lastra d'alluminio semplice dello spessore di 0, 3 cm raggiunge valori di circa 45 db Rw.

Vetri semplici
Il vetro nell'ambito delle costruzioni civili rapresenta certamente l'anello debole della protezione sonora dell'edificio, sia per l'impossibilità di utilizzare spessori esagerati sia per ragioni connesse alla frequenza di risonanza dei cristalli. Indicativamente di seguito alcuni valori dell'indice Rw in ragione dello spessore del vetro: 3 mm/26 db, 4 mm/28 db 6 mm/30, db 8 mm/32 db 10 mm/34 db.

Vetri stratificati
L'operazione di stratificazione ossia l'interposizione tra i vetri di uno o piu lamine di PVC o altri materiali plastici migliora le caratteristiche fonoisolanti del vetro in quanto fa abbassare la frequenza di risonanza posizionandola al di sotto del range di frequenza critica nel quale arrecherebbe maggiormente fastidio (100-3500 Hz)

Vetrocamera
Contrariamente a quanto comunemente si pensi i così detti doppi vetri (vetrocamera) se certamente presentano indubbi vantaggi in termini di isolamento termico non di meno non arrecano significativi miglioramenti in termini di abbattimento del rumore, questo perchè sostanzialmente vige la legge della massa (il massimo risultato conseguibile è quello per cui il potere fonoisolante complessivo è pari alla somma dei poteri fonoisolanti dei singoli divisori che compongono la vetrata doppia), poichè l'intercapedine di pochi mm o cm non permette di ottenere grandii vantaggi acustici che potrebbero realizzarsi soltanto per valori di separazione dei due elementi superiori ai 10 cm (doppie o triple finestre). Tuttavia l'utilizzo di cristalli di spessore differente e/o il riempimento dell'intercapedine con gas particolari (Es: argon) contribuiscono ad accrescere l'isolamento acustico: in questo caso la vetrate isolanti permettono di combinare l'isolamento termico a quello acustico.

Infissi e serramenti

Sebbene nell'isolamento acustico di una porta/finestra l'elemento più rilevante sia costituito dal vetro, bisogna tuttavia prestare attenzione anche all'utilizzo di serramenti di qualità e spessore congrui, al fine di non vanificare l'effetto fonoisolante dei cristalli. I serramenti di utilizzo più comune sono costruiti in legno, PVC, alluminio o legno-alluminio. Di significativa importanza è l'utilizzo delle gaurnizioni di tenuta che contribuiscono a stabilizzare la prestazione fonoisolante dell'intero serramento realizzate in gomma, silicone o EPDM. Punto debole del sistema finestra talora è il cassonetto, nel qual caso sarà necessario apposito intervento insonorizzante.