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

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

MATERIALE 125 Hz 250 Hz 500 Hz 1KHz 2KHz 4KHz Pavimentazione in cemento 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.02

Pavimentazione in legno 0.15 0.11 0.10 0.07 0.06 0.07 Muratura in cemento verniciato 0.02 0.03 0.04 0.04 0.05 0.07

Muratura intonacata 0.01 0.01 0.02 0.02 0.03 0.03 Vetrate ad ampie lastre [mm 8 - 12] 0.20 0.10 0.05 0.03 0.03 0.03 Finestre trad. a vetro singolo [mm 3] 0.35 0.25 0.18 0.12 0.07 0.04

Sedile metallico non occupato 0.15 0.20 0.30 0.40 0.40 0.30 Sedile metallico occupato 0.30 0.40 0.60 0.80 0.85 0.85

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

CINEMA 0,7 ÷ 0,8 TEATRO D’OPERA (MUSICA LIRICA) 1,3 ÷ 1,5

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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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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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


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:


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.


Acustica di base 26

FIG 25 ESEMPIO DI PANNELLO VIBRANTE ANGOLARE


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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 .


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 ___________________________________________________________________________________________________________________________

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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