Conservatorio G. Rossini - Pesaro _ LEMS (a. a. 2013 - 2014) Marco Facondini Acustica di base 1 ACUSTICA DEGLI SPAZI PER PRODUZIONE MUSICALE (Parte I° Acustica di base) Seminario a. a. 2013-2014 - Conservatorio G. Rossini – Pesaro – LEMS Marco Facondini (TanAcoustics Studio_www.tanacoustics.com)
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ACUSTICA DEGLI SPAZI PER PRODUZIONE MUSICALE · Nel campo di nostro interesse, l’acustica architettonica e musicale, i parametri o descrittori che definiscono la qualità acustica
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Conservatorio G. Rossini - Pesaro _ LEMS (a. a. 2013 - 2014) Marco Facondini
Acustica di base 1
ACUSTICA DEGLI SPAZI PER PRODUZIONE MUSICALE
(Parte I° Acustica di base)
Seminario a. a. 2013-2014 - Conservatorio G. Rossini – Pesaro – LEMS
Marco Facondini
(TanAcoustics Studio_www.tanacoustics.com)
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1. ASSORBIMENTO ACUSTICO La Legge di conservazione afferma che l’energia non può essere né creata né distrutta, ma soltanto
trasformata da una forma in un’altra.
In acustica l’energia vibratoria delle particelle d’aria può essere dissipata sotto forma di calore.
FIG. 1 RIFLESSIONE, ASSORBIMENTO, TRASMISSIONE La fig. 1 illustra quello che fisicamente accade ad un’onda acustica che investe una generica parete in
muratura: l’onda incidente si “suddivide” in più onde che saranno riflesse, assorbite e trasmesse dalla
parete stessa.
Ora, dal momento che le riflessioni in un ambiente chiuso sono numerose, ognuna di queste produrrà una
progressiva dissipazione che porterà all’estinzione totale dell’energia sonora originaria: ogni riflessione
causa una perdita di energia.
La dissipazione energetica nel tempo è quindi determinata dal tipo di superficie che l’onda incidente
incontra nel suo percorso.
► Un ambiente vuoto con pareti in muratura o in cemento liscio produrrà numerose riflessioni che si smorzeranno lentamente nel tempo = RIVERBERAZIONE LUNGA. ► Un ambiente completo di arredi ed acusticamente trattato produrrà minori riflessioni che si smorzeranno più velocemente nel tempo = RIVERBERAZIONE BREVE.
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FIG. 2 RIFLESSIONI: SCHEMA SEMPLIFICATO La fig. 2 illustra schematicamente l’andamento delle riflessioni in una generica sala rettangolare
acusticamente non trattata. Il ricevitore R è investito sia dall’onda diretta proveniente dalla sorgente S in
palcoscenico sia da una serie di riflessioni ritardate che influiscono negativamente sulla comprensione del
testo (intelligibilità della parola).
L’EFFETTO PRINCIPALE DI UN’ECCESSIVA RIVERBERAZIONE È QUELLO DI COMPROMETTERE L’INTELLIGIBILITÀ
DEL PARLATO, MASCHERANDO I SUONI CONSONANTICI SUCCESSIVI
Ad esempio la parola inglese back può essere compresa solo se si afferra chiaramente il suono
consonantico terminale “ck” che permette di discriminare back da bat, bad, bag o ban.
Attraverso questo esempio, per quanto semplificato, è possibile farsi un’idea circa gli effetti della
riverberazione sulla comprensibilità del parlato e la ragione del fatto che una comunicazione orale può
essere compresa più facilmente in stanze caratterizzate da brevi tempi di riverbero.
Inoltre, negli ambienti di medie e grandi dimensioni, la riverberazione tende ad essere maggiormente
accentuata alle frequenze più basse (o gravi) a causa della maggiore distanza tra le pareti ed al maggior
volume ambientale.
L’effetto di tale eccedenza viene spesso definito (impropriamente) come “rimbombo”.
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2. IL COEFFICIENTE DI ASSORBIMENTO ACUSTICO La quantità delle riflessioni prodotte da una generica superficie, è determinata dal proprio coefficiente di
assorbimento acustico “” (alfa).
Una parete in muratura intonacata od una pavimentazione in marmo, sono superfici altamente riflettenti e
quindi con un basso coefficiente di assorbimento acustico mentre un tendaggio in velluto pesante o un
rivestimento fibroso sono materiali con un elevato assorbimento acustico.
Il coefficiente ha valori compresi tra 0 e 1
Se un materiale assorbe il 50% dell’energia sonora incidente, si dice che il suo coefficiente è = 0,50. Una finestra aperta è un assorbitore perfetto poiché il suono che la attraversa non torna più nella stanza e pertanto il suo coefficiente sarà = 1.
Si definisce altamente fonoassorbente un materiale con elevato coefficiente Il coefficiente rappresenta il grado di fonoassorbimento di una superficie, di un rivestimento o di
qualunque altro oggetto che rappresenti un ostacolo alla propagazione del suono come pannelli, persone,
poltroncine, tendaggi etc.
Il coefficiente viene misurato in camera riverberante presso laboratori acustici accreditati eseguendo
misure su campioni di circa 10-12 m2 di materiale.
Le misure così eseguite, sono filtrate per bande di ottava (125 - 4.000 Hz) per consentire una corretta
progettazione acustica in funzione della frequenza.
ALCUNI MATERIALI E RELATIVI COEFFICIENTI DI ASSORBIMENTO ACUSTICO
Bocche e griglie di ventilazione 0.15 0.20 0.30 0.35 0.30 0.20 Tendaggi [470 g/mq]+ inter. cm 10 0.20 0.28 0.43 0.50 0.54 0.62
Moquette per interni + base gommata 0.10 0.10 0.20 0.30 0.45 0.65 SCREENBALL P10F02 [inter. cm 4] 0.19 0.63 0.95 0.95 0.84 0.88
FIG. 3 ASSORBIMENTO ACUSTICO DI ALCUNI MATERIALI
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NOTA Abbiamo detto che, per convenzione, i coefficienti di assorbimento acustico sono compresi tra 0 ed 1. Perché allora, durante le misure in laboratorio, è molto frequente misurare valori al di sopra dell’unità come 1,06 o 1,07? (Cfr fig. 4).
FIG. 4 ISTITUTO GIORDANO, RIMINI
MISURE ACUSTICHE: PANNELLO SCREENBALL P10F02 [su intercapedine si cm 4]
Il fenomeno è dovuto all’effetto della diffrazione del suono dai bordi del campione che quindi, agli
strumenti di misura, “appare” acusticamente più grande di quanto sia in realtà.
LA DIFFRAZIONE È IL PROCESSO ATTRAVERSO IL QUALE IL SUONO, ALLA PRESENZA DI SPIGOLI OD ALTRI
OSTACOLI FISICI, CAMBIA DIREZIONE RISPETTO AL PROPRIO PERCORSO RETTILINEO
In pratica, durante le misure in laboratorio, il suono “vede” anche i bordi del supporto sul quale è
appoggiato il campione che, per questa ragione, “appare” acusticamente più grande.
Tali eccedenze vanno arrotondate all’unità anche se non esiste un metodo standard per fare degli
aggiustamenti; naturalmente si tratta di piccoli arrotondamenti che non influiscono minimamente sulla
bontà di un progetto acustico complessivo.
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Alcuni produttori pubblicano i valori effettivamente misurati (come Pream o Topakustik) anche se
superiori all’unità; in questo caso sarà compito del progettista acustico effettuare l’arrotondamento dal
momento che i programmi di calcolo non accettano valori superiori ad 1.
Altri produttori invece li modificano arrotondandoli all’unità o a 0,99.
Nel caso dei coefficienti acustici dei Pannelli Screenball sopra riportati, ho cautelativamente arrotondato i
valori eccedenti l’unità a 0,95 in considerazione del fatto che un assorbitore perfetto è da considerarsi
puramente teorico anche all’interno di un ambiente specializzato come un laboratorio di acustica.
È il caso di dire che solo un sito all’aria aperta e privo di ostacoli di qualunque natura, offre le condizioni
ideali di assoluto fono assorbimento!
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3. MISURE E PARAMETRI ACUSTICI Secondo le tecniche di misura più aggiornate, i parametri acustici fondamentali sono descrivibili mediante
la “RISPOSTA ALL’IMPULSO” dell’ambiente p(t). Con risposta impulsiva s’intende l’osservazione della
pressione acustica (p) nel tempo di osservazione (t).
Dal punto di vista pratico possiamo immaginare un impulso come un segnale forte ed isolato in grado di
eccitare l’ambiente il quale reagirà producendo un certo numero di riflessioni che andranno a costituire il
tempo di riverberazione della sala.
Sul piano fisico la risposta all’impulso descrive la trasmissione del suono durante il suo propagarsi da un
punto di emissione ad un punto di ricezione.
FIG. 5 RIFLESSIONI E RISPOSTA ALL’IMPULSO
Nella fig. 5 di sinistra, il ricevitore è investito sia dal suono diretto proveniente dall’oratore in palcoscenico,
sia dalle numerose riflessioni prodotte dalle superfici della sala.
Il tempo di propagazione dipende dal percorso compiuto dalle riflessioni all’interno del locale diviso per la
velocità del suono (~344 m/sec) mentre l’estinzione dell’energia sonora dipende dallo smorzamento
causato dall’assorbimento acustico dei materiali impiegati, dall’aria e dalla divergenza dell’onda sonora
che si propaga sfericamente.
Nella sua forma tipica la risposta impulsiva misurata in un teatro appare come in fig. 5 a destra.
All’impulso iniziale segue una “coda sonora” formata dalle prime riflessioni, ovvero quelle generate dalle
superfici più prossime alla sorgente sonora come pavimentazione, soffitto e pareti laterali. A queste
seguono le numerose riflessioni “successive” - che costituiscono il “campo riverberante” della sala - la cui
energia si riduce progressivamente nel tempo a causa dello smorzamento naturale del suono. L’intervallo
di tempo tra l’impulso iniziale e le prime riflessioni, rappresenta il percorso che il suono diretto compie
prima d’incontrare le superfici riflettenti e viene definito ITDG (Initial Time Delay Gap).
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La risposta all’impulso costituisce dunque una sorta di DNA della sala, “un’impronta acustica digitale” che
possiamo idealmente suddividere in tre parti distinte:
● SUONO DIRETTO: o impulso iniziale, è quello che generalmente determina la provenienza del suono
permettendo la localizzazione della sorgente. E’ caratterizzato da un’ampiezza (o livello sonoro) superiore
a tutte le provenienze successive.
● PRIME RIFLESSIONI: sono quelle riflessioni individuabili a breve distanza dalla sorgente sonora di
emissione. Sono caratterizzate da un’ampiezza significativa e vengono ritenute utili quando contenute
entro i primi 80÷100 ms.
● CAMPO RIVERBERANTE: è costituito da riflessioni aventi ritardi superiori a 100 ms. E’ caratterizzato
da un progressivo decadimento in ampiezza, sino alla naturale estinzione del suono.
Nel campo di nostro interesse, l’acustica architettonica e musicale, i parametri o descrittori che
definiscono la qualità acustica di un ambiente confinato (delimitato da un volume chiuso) sono numerosi e
tutti relazionati tra loro: vediamone alcuni.
PRINCIPALI PARAMETRI ACUSTICI
TEMPO DI RIVERBERAZIONE TEMPO BARICENTRICO
C50 INDICE DI CHIAREZZA VOCALE C80 INDICE DI CHIAREZZA MUSICALE IACCE3 CORRELAZIONE BINAURALE
INDICE DELL’INTELLIGIBILITÀ DELLA PAROLA Questi parametri descrivono il grado di qualità acustica di un teatro o di una sala da concerto ma anche di
una sala per convegni/conferenze, di uffici, scuole, attività commerciali, sale prova, studi di registrazione,
sale d’ascolto, etc. In questa sede analizzeremo solo il tempo di riverbero.
IL TEMPO RIVERBERO [RT 60]
È sicuramente uno dei parametri più noti in acustica ed è giustamente ritenuto fondamentale perché si
riflette, positivamente o negativamente, su tutti i restanti descrittori.
Il riverbero esprime la “risonanza” ambientale, ovvero la capacità di un ambiente nel mantenere l’energia
sonora per un certo tempo, a seguito di una sollecitazione iniziale. La figura 6 riporta l’andamento
schematico delle riflessioni sonore generate dalle superfici di una sala (pareti, soffitto e pavimento).
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FIG. 6 PRIME RIFLESSIONI E RIFLESSIONI SUCCESSIVE La misura del tempo di riverbero si può effettuare con diverse procedure strumentali che, grazie alle
tecnologie informatiche, si sono evolute nel tempo. Tra queste ricordiamo la tradizionale misura a regime
stazionario, il colpo di pistola e le più recenti tecniche MLS (Maximum Length Sequence) e Sine-Sweep.
Per facilità di comprensione esaminiamo la tecnica del regime stazionario che comunque è ancora
utilizzata. La strumentazione è costituita da un diffusore acustico, un microfono omnidirezionale di
precisione ed un analizzatore che “legge” la variazione della pressione sonora nel tempo. Si attiva il
diffusore acustico (ON) con un rumore rosa (Pink Noise) che raggiunge il proprio regime stazionario
saturando l’ambiente di energia e, dopo alcuni secondi, si disattiva la sorgente (OFF).
FIG. 7 RIVERBERAZIONE E DECADIMENTO SONORO
Il tempo che intercorre tra la posizione di OFF e -60 dB indica il tempo di riverberazione ambientale che
sarà automaticamente filtrato e restituito graficamente dall’analizzatore nelle varie bande di ottava.
Il grafico seguente illustra l’andamento del riverbero misurato in un generico ambiente.
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FIG. 8 GRAFICO DEL RIVERBERO PER BANDE DI OTTAVA
VALORI OTTIMALI DEL TEMPO DI RIVERBERAZIONE
AMBIENTE RT-60 [S] AULA SCOLASTICA PICCOLA 0,5 AULA SCOLASTICA GRANDE 1
SALA DA CONCERTO (MUSICA SINFONICA) 1,7 ÷ 2,3 CHIESA (MUSICA SACRA) 2,5 ÷ 5
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4. STRUMENTAZIONE DI MISURA La strumentazione per misure acustiche professionali, ovvero con valenza tecnica assoluta (come le
misure di laboratorio certificate) oppure con valenza giuridica (come le misure eseguite per conto di un
tribunale) richiedono una strumentazione piuttosto costosa perché deve soddisfare le diverse norme
(UNI, EN, ISO) ed essere periodicamente calibrata e certificata da laboratori autorizzati.
Tuttavia, grazie all’evoluzione digitale degli ultimi anni, l’acquisto di schede audio di nuova generazione
(come quelle a 24bit/96Khz) non costituiscono più un problema economico: costano poco e spesso sono
integrate sulla maggior parte dei PC di nuova generazione.
Stesso discorso vale anche per i microfoni di misura nonché per i software di analisi, molti dei quali sono
disponibili in rete, alcuni freeware altri a pagamento, ma ad ogni modo tutti molto economici e che
consentono di ottenere risultati impensabili appena alcuni anni fa.
Quindi, se non dobbiamo fare misure “certificate” ma solo accurate analisi del nostro studio o sala
musicale, tutto quello che ci occorre è:
1. Microfono di misura (omnidirezionale)
2. Preamplificatore dedicato (mixer o alimentatore esterno anche a batteria)
3. Sorgente sonora (diffusore elettroacustico)
4. Software di analisi (freeware o a pagamento)
Di seguito riportiamo alcune attrezzature ampiamente utilizzate per questi scopi: sono economiche, di
ottima qualità e facilmente reperibili sul mercato.
FIG. 9 VARIE STRUMENTAZIONI DI MISURA LOW COST
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5. ASSORBIMENTO E ISOLAMENTO ACUSTICO
ASSORBIMENTO E ISOLAMENTO ACUSTICO SONO DUE CONCETTI ASSOLUTAMENTE DISTINTI
L’assorbimento acustico - come abbiamo visto - è la proprietà di un materiale nell’assorbire l’energia
incidente che lo investe o l’attraversa: un pannello in lana di vetro è leggero ed altamente fonoassorbente
ma non fonoisolante perché gran parte dell’energia è in grado di attraversarlo facilmente.
L’isolamento acustico è la capacità di un materiale nell’isolare l’energia incidente che lo investe o
l’attraversa: una partizione in muratura od in C.A. è pesante ed altamente fonoisolante ma non
fonoassorbente perché gran parte dell’energia viene riflessa.
La regola generale dell’isolamento acustico segue la legge della massa: quanto più è pesante la parete,
tanto più isola dal rumore esterno; di conseguenza quanto più è massiccio il muro, tanto più difficilmente
le onde sonore potranno attraversarlo.
Per esempio, una tenda appesa in mezzo ad una stanza è altamente fonoassorbente ma poco
fonoisolante perché l'energia incidente viene in parte convertita in calore per attrito passando attraverso il
tessuto ed in parte trasmessa attraverso la tenda. Così un muro massiccio con intonaco liscio è molto
fonoisolante ma poco fonoassorbente, perché quasi tutta l'energia incidente viene riflessa e restituita
nell’ambiente. Il grafico seguente indica i valori d’isolamento acustico (misurati e teorici) in funzione della
massa.
FIG. 10 ATTENUAZIONE MEDIA DI UNA PARETE IN FUNZIONE DEL PESO/M2 _____ VALORI MISURATI - - - - - - VALORI TEORICI
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6. MATERIALI FONOASSORBENTI
POSIZIONAMENTO DEGLI ASSORBITORI: REGOLA GENERALE
L’assorbimento alle alte frequenze è praticamente indipendente dallo spessore del materiale mentre, alle frequenze più basse, esso aumenta con lo spessore. Infatti l’assorbimento dell’energia sonora è più alto quando l’interazione con il materiale avviene dove la velocità delle particelle è massima. Mentre la velocità delle particelle tende a ridursi a zero in corrispondenza della superficie della parete, il massimo della velocità di vibrazione delle molecole è a ¼ di lunghezza d’onda dalla parete (e a multipli di essa). Così, per ottenere assorbimenti elevati, dovranno essere usati spessori pari o superiori a ¼ di lunghezza d’onda: ciò significherebbe, però, adottare materiali con elevato spessore, quindi più costosi ed ingombranti. Lo stesso effetto può essere ottenuto applicando il materiale fonoassorbente a ¼ di lunghezza d’onda dalla parete. La fig. 11 indica che lo spessore del generico assorbitore S può essere dimezzato senza alterarne l’efficienza acustica, purché posizionato a ¼ della lunghezza d’onda.
FIG. 11 Ad esempio, per un suono con frequenza di 500 Hz, lo spessore del materiale assorbente dovrebbe essere: 344/500/4 = 17.2 cm e per uno a 100 Hz avremmo addirittura 344/100/4 = 86 cm! In entrambi i casi si tratta di spessori elevati: risulterà quindi più pratico e conveniente mettere in opera uno spessore inferiore ma collocato a tale distanza dalla parete. Questa soluzione è generalmente applicata in tutti i controsoffitti a pannelli perforati in legno, metallo, gesso o cartongesso che vediamo un po’ ovunque, dove lo spessore dell’assorbitore (lana di vetro, di roccia o fibra di poliestere) è limitato a 4-5 centimetri. Per questa ragione aumentando l’intercapedine d’aria tra il soffitto/parete e l’assorbitore, si aumenta sensibilmente l’assorbimento delle frequenze basse. Al di là della regola generale tuttavia, nella pratica quotidiana un’intercapedine di circa 20 cm è ritenuta più che adeguata.
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I MATERIALI FONOASSORBENTI SI POSSONO SUDDIVIDERE NELLE SEGUENTI CATEGORIE: ► MATERIALI POROSI
► RISUONATORI (FUNZIONAMENTO)
► PANNELLI PERFORATI/FESSURATI
► PANNELLI VIBRANTI E PANNELLI A DIAFRAMMA
FIG. 12 EFFICIENZA ACUSTICA DEI DIVERSI ASSORBITORI
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► MATERIALI POROSI
In questi assorbitori le onde sonore mettono in vibrazione le particelle d’aria entro il materiale. L’attrito
delle molecole d’aria con i pori e le fibre del materiale stesso producono la dissipazione dell’energia
sonora per trasformazione in calore.
In presenza di energia sonora, all’interno dei materiali si sviluppa una certa resistenza di flusso nei
confronti dell'aria contenuta.
Questi materiali si possono dividere in base alla composizione tra materiali a struttura fibrosa (fibre
minerali, fibre di vetro, di roccia, di cellulosa, ecc.) e materiali plastici espansi (poliuretano). Questi ultimi
devono però presentare strutture a celle aperte per risultare efficaci perché materiali con strutture a celle
chiuse impediscono il movimento dell’aria al loro interno e non consentono la dissipazione dell’energia
sonora da cui sono investiti. La figura seguente mostra alcuni pannelli fonoassorbenti commerciali.
FIG. 13 TIPICI MATERIALI POROSI Il grafico in basso riporta l’andamento tipico dell’assorbimento acustico di questi prodotti che può
aumentare in base allo spessore; tuttavia il loro limite è quello di un assorbimento centrato alle frequenze
medio alte con scarsa efficienza a quelle basse, a meno che non si vogliano impiegare spessori
considerevoli (30÷50 cm). In termini di efficienza acustica questi prodotti sono pressoché equivalenti,
tuttavia è opportuno ricordare che le fibre di vetro e di roccia debbono essere adeguatamente protette per
via del potenziale rilascio di particolato in sospensione.
Per un uso domestico (DIY) è preferibile impiegare le fibre di poliestere (economiche ed efficaci) oppure i
poliuretani espansi (efficaci, gradevoli alla vista ma più costosi).
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► RISUONATORI (FUNZIONAMENTO)
PRIMA COMPRENDERE LA FUNZIONE FONOASSORBENTE DEI PANNELLI PERFORATI O FESSURATI È NECESSARIO
SPIEGARE IL FUNZIONAMENTO DEI RISUONATORI DI HELMHOLTZ
È noto che soffiando dell’aria attraverso il collo di una bottiglia vuota si può udire un suono: la bottiglia
agisce da risuonatore. Grandi vasi ceramici o in bronzo, giare, cavità in pietra liscia dotate di ampie
aperture esposte al suono, sembra fossero impiegati nei teatri antichi per amplificare la voce degli attori e
sono citati nel trattato De Architectura di Vitruvio, un architetto romano vissuto nel I° secolo d.C. Più tardi
questi risuonatori semplici furono chiamati Risuonatori di Helmholtz, dal nome dello studioso tedesco che
per primo ne descrisse le caratteristiche fisiche.
FIG. 14 RISUONATORI DI HELMHOLTZ Tali strutture sono costituite da un volume, contenente aria, connesso alla cavità attraverso un collo
ristretto ed un’apertura. L’energia del suono incidente fa vibrare l’aria contenuta nel collo del risuonatore
che, a causa del suo volume, si comporta come una massa collegata ad una molla: in breve è una sorta
di “trappola” sonora in grado - a seconda delle condizioni - di restituire o assorbire energia.
La cavità vuota risuonerà dunque ad una specifica frequenza propria determinata dal volume e dalle
dimensioni del collo e dell’apertura del risuonatore.
Se l’apertura è ampia e la cavità è vuota, parliamo di risuonatore attivo perché il sistema amplifica il
suono che lo investe, come d’altronde accade in qualunque cavità rigida e riflettente (immaginiamo una
stanza vuota con la porta aperta, un vaso in ceramica, etc.).
Tuttavia, se collochiamo del materiale fonoassorbente all’interno della cavità, il sistema “intrappola” il
suono che viene smorzato dal materiale fibroso, estendendo l’assorbimento anche alle frequenze
adiacenti; in questo caso parliamo di risuonatore reattivo, ovvero fonoassorbente.
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FIG. 15 SCHEMA DEL RISUONATORE ATTIVO E REATTIVO In acustica architettonica risuonatori di Helmholtz di questo tipo sono scarsamente impiegati perché
costosi da realizzare, ingombranti ed efficaci solo su strette bande di frequenze medio/basse, ma
soprattutto perché un meccanismo simile si può ottenere con sistemi molto più pratici ed economici.
Al contrario questo sistema è ampiamente utilizzato in elettroacustica: non sfuggirà infatti l’analogia del
risonatore della fig. 15 con i diffusori Bass Reflex i quali sfruttano la risonanza del contenitore tramite il
tubo di accordo proprio per incrementare l’erogazione delle basse frequenze.
► PANNELLI FONOASSORBENTI PERFORATI/FESSURATI
Un meccanismo fonoassorbente molto efficace basato sui risuonatori di Helmholtz si ottiene con pannelli
perforati o fessurati in legno, metallo, gesso, cartongesso, etc. montati ad una certa distanza da una
superficie rigida. I fori passanti del pannello agiscono come una serie di colli che condividono lo stesso
volume dell’intercapedine d’aria o cavità, realizzando un risonatore multiplo.
FIG. 16 ANALOGIA DEL SISTEMA A RISONATORI MULTIPLI
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Analogamente al risuonatore di Helmholtz, il pannello si comporta come una “trappola” sonora di grandi
dimensioni che - con il materiale fibroso retrostante - è in grado di fornire elevati valori di assorbimento
acustico a larga banda.
FIG. 17 PANNELLO FESSURATO A RISUONATORI
La quantità della superficie perforata, del materiale fibroso e la profondità dell’intercapedine d’aria
forniscono un assorbimento acustico più o meno esteso e generalmente non troppo selettivo, adatto
quindi per scopi polivalenti.
Occorre anche osservare che tali strutture, essendo moderatamente elastiche, si comportano
parzialmente anche come membrane vibranti, un'altra tipologia di assorbitori che vedremo in seguito.
La fig. 18 riporta i valori di dei pannelli PREAM Screenball (simili a quelli utilizzati per la Sala SPACE -
LEMS del Conservatorio G. Rossini di Pesaro).
I pannelli sono stati misurati presso l’Istituto Giordano di Rimini con tre diverse configurazioni di
montaggio, con intercapedine d’aria di 4, 20 e 30 cm. In appoggio ai pannelli era collocato un
materassino in fibra di poliestere “SIMESIL 1000” di 4 cm con massa superficiale di 1000 g/m2.
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FIG. 18 PANNELLO FESSURATO A RISUONATORI CON DIVERSE INTERCAPEDINI D’ARIA La tabella comparativa indica chiaramente la maggiore efficienza acustica dei manufatti distanziati di 20 e
30 cm rispetto alla parete (o soffitto). L’effetto è molto evidente alle frequenze basse e medio-basse
comprese tra 125 e 500 Hz mentre, nelle restanti bande tra 500 Hz e 4 KHz, i valori risultano più allineati.
Si osserva ancora che, per intercapedini superiori a 20 cm, il contributo fonoassorbente alle basse
frequenze non è molto elevato, cosa che non giustifica l’impiego di intercapedini sovradimensionate.
Il sistema a risuonatori è ampiamente impiegato per la correzione acustica di ambienti di ogni tipo: i
comuni controsoffitti perforati o fessurati che possiamo vedere negli uffici, nei grandi spazi commerciali o
negli studi di registrazione, altro non sono che l’applicazione pratica del risuonatore di Helmholtz!
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FIG. 19 ESEMPI DI STRUTTURE A RISONATORI
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► PANNELLI VIBRANTI E PANNELLI A DIAFRAMMA PANNELLI VIBRANTI
Per assorbire le frequenze più basse si ricorre spesso ai pannelli vibranti o risonanti.
Nei pannelli vibranti l’energia sonora, anziché essere trasformata in calore per attrito come avviene nei
materiali porosi, si trasforma in calore a seguito della deformazione dinamica di un pannello relativamente
rigido e distanziato dal muro. Maggiore è l’ampiezza del movimento che subisce il pannello, maggiore è
l’energia dissipata per contrastare il suo attrito interno.
FIG 20 SCHEMA DI PANNELLO VIBRANTE Il pannello, il suo supporto e l’intercapedine d’aria costituiscono una massa elastica con una propria
frequenza di risonanza determinata dalla massa e dalle dimensioni del pannello, dai vincoli di ancoraggio
e dall’intercapedine d’aria, mentre la presenza e lo spessore del materiale fibroso retrostante determina
un assorbimento a banda più o meno larga che attenua il fattore di merito Q, ovvero il picco di risonanza
proprio del sistema.
Senza il materiale fibroso, essendo il pannello posto in vibrazione, esso irradierà nuovamente energia in
ambiente e pertanto la sua efficienza come materiale fonoassorbente risulterà limitata nell’intorno della
specifica frequenza di risonanza perché in tal modo il sistema risulterà meno smorzato.
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Acustica di base 22
I pannelli vibranti tendono ad essere più efficaci alle basse frequenze e, in generale, la loro frequenza di
risonanza diminuisce con l’aumentare della densità superficiale del pannello e/o della profondità
dell’intercapedine d’aria tra pannello e superficie rigida. Quando il suono incidente ha una frequenza pari
a quella di risonanza del pannello si ha l’assorbimento massimo.
La fig. 21 riporta l’assorbimento acustico caratteristico di un generico pannello vibrante (fonte: Recording
Studio Design, 2nd Edition, P. Newell).
FIG. 21 GENERICO ASSORBIMENTO ACUSTICO DI UN PANNELLO VIBRANTE Finestre, porte, quadri, ante di armadi e librerie si comportano come sistemi vibranti in bassa frequenza il
cui assorbimento è determinato dalla loro massa e rigidità.
(Se invece desideriamo un assorbimento a larga banda, è sufficiente aprire l’armadio, purché contenga
vestiti, cuscini, coperte etc.!)
Per queste ragioni un foglio di compensato di pochi millimetri di spessore e dotato d’intercapedine d’aria,
risulta molto efficiente su tutta la gamma bassa.
La fig. 22 riporta le misure effettuate su tre diversi pannelli vibranti dove si osserva che la soluzione A
(spessore 5 mm) mostra un assorbimento più limitato ma piuttosto uniforme da 100 Hz sino a circa 1KHz
mentre le soluzioni B e C (spessori di 1.5 e 3 mm) presentano dei picchi molto accentuati e selettivi
causati sia dalla minore massa del compensato, sia dalla limitata intercapedine d’aria (6 mm) che alzano
la frequenza di risonanza del sistema.
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Acustica di base 23
FIG. 22 MISURE REALI SU TRE PANNELLI VIBRANTI Questo significa che nella progettazione dei pannelli vibranti l’efficienza acustica attesa deve essere
attentamente bilanciata tra massa, dimensione del pannello, profondità dell’intercapedine d’aria e
spessore del materiale fibroso per ottenere - a seconda dei casi - un assorbimento minore ma più esteso
oppure un assorbimento maggiore ma più selettivo.
La frequenza di risonanza di queste strutture (f) si può calcolare con l’equazione:
dove: f = frequenza di risonanza (Hz) m = densità della superficie del pannello (m2) D = profondità dell'interstizio (cm). Ad esempio per un pannello di 6 mm di spessore, di massa 3.6 Kg/m2 con intercapedine d’aria di 10 cm
avremo f = 100 Hz.
La fig. 23 rappresenta graficamente le soluzioni dell'equazione precedente. Conoscendo lo spessore del
compensato e la profondità dello spazio fra questo e la parete, si può leggere sulla diagonale il valore
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Acustica di base 24
della frequenza di risonanza. L’equazione si applica anche a membrane e diaframmi diversi dal
compensato, come per esempio la masonite.
FIG. 23 DIAGRAMMA DI CALCOLO DEI PANNELLI VIBRANTI
Per la progettazione esecutiva è fondamentale definire anche la dimensione del pannello, aspetto spesso
trascurato da molti testi … fatta salva la raccomandazione d’impiegare pannelli di generose dimensioni:
già, ma quali?
Nella pratica costruttiva è ritenuto opportuno dimensionare il pannello con un’altezza non troppo diversa
dalla lunghezza d’onda della frequenza propria stabilita e con una larghezza solitamente prossima ad 1/6
dell’altezza.
Tuttavia, poiché l’efficienza acustica del sistema (con materiale fibroso retrostante) copre all’incirca due
ottave, una al di sopra ed una al di sotto della frequenza propria, è possibile ottimizzarne le prestazioni
adottando dimensioni più contenute.
La fig. 24 riporta il calcolo dell’assorbitore da 6 mm evidenziato nel diagramma di progettazione visto in
precedenza ed eseguito con Acoustic Calculator, un software disponibile gratuitamente:
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Acustica di base 25
http://www.mh-audio.nl/AcousticCalculations.asp
Si nota che per una frequenza di progetto a 100 Hz ed un’intercapedine di 10 cm, ad esempio, non è
necessario realizzare un pannello alto 344/100 = 3.44 mt perché - sulla base di quanto detto - dimensioni
di circa 260X43 cm sono sufficienti per raggiungere lo scopo.
FIG. 24 CALCOLO DEI PANNELLI VIBRANTI L’impiego dei pannelli vibranti si giustifica in condizioni particolari ove è richiesto l’assorbimento di una
specifica bassa frequenza o di una stretta banda frequenziale lasciando pressoché inalterate le frequenze
superiori, cosa che i materiali fibrosi o porosi non possono fare.
Infine la semplicità costruttiva e la tolleranza delle prestazioni, offrono il vantaggio che non è necessaria
una precisione realizzativa assoluta per ottenere buoni risultati.
Numerosi teatri e sale da concerto devono l'ottima qualità della loro acustica all'impiego di pareti rivestite
con pannelli in legno ed alla pavimentazione collocata su listelli con intercapedine d’aria sottostante che,
vibrando come diaframmi, contribuiscono all'assorbimento acustico delle basse frequenze in eccesso.
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Acustica di base 26
FIG 25 ESEMPIO DI PANNELLO VIBRANTE ANGOLARE
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Acustica di base 27
PANNELLI A DIAFRAMMA
Un’ulteriore soluzione per assorbire le frequenze più basse è costituita dagli assorbitori a diaframma (o a
membrana) che sono una variante dei pannelli vibranti.
Come nei pannelli vibranti infatti l’energia sonora si trasforma in calore a seguito della deformazione
dinamica di un pannello distanziato dal muro, pannello che però in questo caso non è rigido come il
compensato, ma è costituito da un elastomero non poroso e con massa cedevole (limp mass).
Il pannello, realizzato con sostanze naturali o sintetiche, ha le proprietà chimico-fisiche tipiche della
gomma, come la capacità di subire grosse deformazioni elastiche per riassumere la propria dimensione
una volta ristabilita la situazione di riposo.
Anche qui, maggiore è l’ampiezza del movimento che subisce il pannello, maggiore è l’energia dissipata
per contrastare il suo attrito interno.
FIG. 26 SCHEMA DI PANNELLO A DIAFRAMMA La peculiarità di questo sistema consiste nell’impiego di diaframmi elastici che possono avere masse
significative in uno spessore ridotto, come ad esempio tutti gli elastomeri in genere, le guaine bituminose
o i materiali compositi impiegati in edilizia per la riduzione dei rumori di calpestio.
Usando materiali di questo tipo l’energia non sarà parzialmente re-irradiata in ambiente (come nel caso
dei pannelli vibranti) e quindi, per loro natura, le membrane sono particolarmente efficaci in bassa
frequenza senza interazioni con le frequenze superiori .
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Acustica di base 28
Gli assorbitori a diaframma si calcolano come i pannelli vibranti e ne seguono le caratteristiche acustiche
e costruttive, come ad esempio le dimensioni dell’intercapedine d’aria o il controllo del fattore di merito
tramite il materiale fibroso retrostante mentre, sul piano squisitamente estetico, è decisamente opportuno
ricoprire il pannello con un tessuto di finitura (che non ha giustificazioni acustiche) per renderlo più
gradevole alla vista. Tuttavia il calcolo teorico della frequenza di risonanza di questi assorbitori è
necessariamente approssimativo perché, a parte la massa, le dimensioni e l’intercapedine d’aria che
forniscono buone indicazioni progettuali, è difficile stabilire l’effettivo contributo acustico dovuto alla
deformazione del diaframma elastico che genera lo smorzamento (damping).
Al di là di questo comunque, l’indiscutibile efficienza acustica del sistema diaframmatico (sperimentato
dalla BBC sin dagli anni ’50) spiega la rinnovata popolarità delle membrane degli ultimi tempi, popolarità
dovuta anche al basso costo degli attuali elastomeri sintetici.
Come per i pannelli vibranti e con poca spesa, è dunque possibile realizzare e sperimentare diverse
tipologie di assorbitori a diaframma per adattarli alle specifiche esigenze del caso con la certezza di
ottenere buoni risultati.
Alcuni assorbitori a diaframma sono disponibili sul mercato (Fig. 27) ma, vista la semplicità realizzativa e i
costi contenuti, molti auto-costruttori preferiscono realizzarli da soli per il proprio studio professionale o
semi-professionale. Tra le varianti più interessanti possiamo segnalare la possibilità di regolare la
tensione della membrana per accordare la frequenza di risonanza del sistema, quella di impiegare più
membrane o quella di prevedere un pannello fibroso di un certo spessore in luogo del tessuto di finitura
per allargarne la banda di assorbimento.
FIG. 27 ESEMPI DI PANNELLI A DIAFRAMMA COMMERCIALI
FINE DOCUMENTO ___________________________________________________________________________________________________________________________