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Facoltà di Architettura . ACUSTICA. 25 FEBBRAIO 2011. ACUSTICA FISICA ACUSTICA FISIOLOGICA ACUSTICA DELLE SALE ACUSTICA AMBIENTALE - Normativa a iosa Comfort acustico:ci sono troppe variabili psicofisiche e accessorie rispetto a quelle fisiche e oggettive .
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Facoltà di Architettura ACUSTICA 25 FEBBRAIO 2011 • ACUSTICA FISICA • ACUSTICA FISIOLOGICA • ACUSTICA DELLE SALE • ACUSTICA AMBIENTALE • - Normativa a iosa • Comfort acustico:ci sono troppe variabili psicofisiche e accessorie rispetto a quelle fisiche e oggettive . • Rumore o disturbo: suono affetto da un giudizio di disturbo o inaccettabilità da parte dell’uomo. • Non esiste un metodo certo, univoco e oggettivo per valutare il rumore LABORATORIO DI COSTRUZIONI
Acustica Fisica • Per suono in un certo punto dello spazio si intende una rapida variazione di pressione (compressione e rarefazione) intorno al valore assunto dalla pressione atmosferica in quel punto. • Si definisce sorgente sonora qualsiasi dispositivo o apparecchio che provochi direttamente o indirettamente dette variazioni di pressione. • In natura le sorgenti sonore sono quindi praticamente infinite; affinché il suono si propaghi occorre poi che il mezzo che circonda la sorgente sia dotato di elasticità (modulo, densità). • La porzione di spazio interessata dalle suddette variazioni di pressione è definita campo sonoro.
Propagazione per onde sferiche • Immaginiamoci che la generazione del suono avvenga mediante una sfera pulsante in un mezzo elastico come l'aria; le pulsazioni provocano delle variazioni di pressione intorno al valore della pressione atmosferica che si propagano nello spazio circostante a velocità finita per mezzo di onde sferiche progressive nell'aria stessa. • Le particelle del mezzo entrano in vibrazione propagando la perturbazione alle particelle vicine e così via fino alla cessazione del fenomeno perturbatorio.
Rumore • Nota Il numero delle variazioni di pressione compiute in un secondo viene chiamato frequenza del suono e si misura in Hertz (simbolo Hz o s-1). Se le oscillazioni sonore hanno una frequenza (numero di cicli in un secondo) compresa all’incirca tra 20 e 20.000 Hz (campo di udibilità) ed una ampiezza, ovvero contenuto energetico,corrispondente a una pressione superiore a 2×10-5 Pa, definita soglia di udibilità, queste sono allora udibili dall'orecchio umano e possono talora suscitare sensazioni avvertite come fastidiose o sgradevoli, cui attribuiamo genericamente la denominazione di “rumore”, anziché di suono.
Spettro di emissione • Lo studio dell’acustica architettonica è sostanzialmente incentrato sull’analisi spettrale delle sorgenti e sulle modalità di risposta dei mezzi adottati per il controllo del fenomeno (riflessione, assorbimento e trasmissione dell’energia sonora incidente). • Nel caso più semplice si può ipotizzare che dette variazioni di pressione seguano una legge sinusoidale (moto armonico), in tal modo lo strato d'aria adiacente alla sfera subirà espansioni e contrazioni con la stessa frequenza della sfera, e così per gli strati d'aria concentrici successivi
Spettro di emissione Le condizioni essenziali per la generazione, propagazione e udibilità del suono così come definito sono quattro: • - la presenza di un mezzo elastico (nel vuoto non c’è propagazione sonora); • - una variazione di pressione nel mezzo intorno ad un valore di equilibrio (ad esempio la pressione atmosferica); • - una frequenza delle variazioni di pressione compresa nel campo udibile; • - un contenuto energetico superiore ad una soglia minima di udibilità. • In campo sonoro la distanza che intercorre tra due successive compressioni, o rarefazioni, è definita lunghezza d'onda l del suono nel mezzo considerato.
Spettro di emissione La situazione del campo sonoro ad un dato istante può essere rappresentata mediante un grafico dove in ordinata sono riportate le variazioni della pressione in funzione della distanza perturbata. Con Dpmax si indica l’ampiezza ovvero il valore massimo della variazione di pressione.
Relazione tra la frequenza f, velocità c di propagazione del suono nel mezzo e lunghezza d’onda l
Nel campo dei suoni udibile la lunghezza d’onda varia da unminimo di circa 20 mm (a 18kHz) a circa 17 m (a 20 Hz) • Le variazioni di pressione Dp sono sia positive (compressione) che negative (rarefazione), • Si definisce “pressione sonora efficace” il valore medio delle variazioni di pressione, o semplicemente pressione sonora p e rappresenta quindi il valore efficace delle variazioni di pressione. • la pressione sonora misura gli effetti della potenza sonora emessa da una sorgente
Un suono corrispondente ad una variazione perfettamente sinusoidale della pressione con un’unica frequenza è detto tono puro (o suono puro). • Per un tono puro la pressione sonora efficace è data dalla seguente espressione:
Propagazione del suono nei mezzi elastici • Le particelle che entrano in vibrazione trasmettono la perturbazione (compressione e rarefazione) a quelle vicine oscillando intorno alla loro posizione di equilibrio. • Le modalità di trasmissione delle vibrazioni locali valgono sia per i solidi che per i fluidi. Nel caso dei fluidi, le vibrazioni sono tuttavia sempre parallele alla direzione di propagazione dell’onda, per cui si parlerà di onde longitudinali, mentre nel caso dei solidi, che possono trasmettere sforzi di taglio, vi saranno anche onde trasversali
Propagazione del suono nei mezzi elastici • Nei solidi, la velocità di propagazione delle onde flessionali (cf) è diversa da quella delle onde longitudinali (cL). • La velocità di propagazione del suono nell'aria c0, assimilando il suo comportamento ad un gas perfetto, in condizioni di temperatura di 20 °C e pressione ordinarie (1,013 bar), è pari a circa 340 m/s; essa è comunque funzione della temperatura (e quindi della sua densità) secondo la relazione empirica seguente: • c0 = 331,2 + 0,6 q (m/s) dove q è la temperatura dell’aria in °C. • La velocità aumenta quindi all’aumentare della temperatura (e quindi al diminuire della densità) e viceversa.
Propagazione del suono nei mezzi elastici La velocità di propagazione longitudinale cL del suono in un mezzo solido elastico, ad esempio un divisorio assimilato per semplicità ad una barra sottile, è funzione del modulo di elasticità (o di Young) E (Pa) e della densità r (kg/m3) secondo la seguente relazione:
Impedenza acustica C’è una stretta relazione tra densità e velocità di propagazione del suono nello stesso mezzo: in generale i materiali solidi, essendo dotati di maggiore densità, sono in grado di trasmettere più velocemente i suoni essendo evidentemente le particelle più a stretto contatto tra loro. Il comportamento dei materiali in relazione alla attitudine di trasmettere suoni dall’aria agli stessi può essere messo in relazione con la loro impedenza acustica rapportata a quella dell'aria. L'impedenza acustica zdi un generico materiale può essere definita come il prodotto della sua densità r per la velocità di propagazione longitudinale del suono cL nello stesso (espressa in rayl).
Impedenza acustica Per l’aria, essendo la sua densità, in condizioni di temperatura di 20°C ed alla pressione atmosferica di 1,013 bar, pari a circa 1,2 kg/m3 e la velocità di propagazione pari a circa 340 m/s, l’impedenza vale circa 400 rayl. La capacità di trasmettere energia sonora tra l’aria e mezzi diversi si può quindi desumere dal coefficiente di riflessione r dell'energia sonora incidente mediante la seguente relazione:
Impedenza acustica Una muratura in mattoni presenta un’impedenza acustica circa 16.000 volte più grande di quella dell'aria. Ne consegue che gran parte dell'energia sonora incidente sui mattoni viene riflessa essendo il valore di r prossimo all'unità (per l’aria z1=1)
Potenza sonora Pw di una sorgente • Relazione tra velocità di spostamento delle particelle v, pressione p, e impedenza acustica specifica z (c r): • La quantità di energia irradiata da una sorgente sonora nell'unità di tempo è denominata potenza sonora Pw (W). • La potenza sonora Pw emessa da una sorgente è irradiata nel mezzo elastico, come l’aria, attraverso una determinata superficie S (o fronte d’onda) come lavoro dovuto al prodotto della forza di pressione p per la velocità di spostamento delle particelle v intorno al punto di equilibrio. Pw = v·p • Quindi, sostituendo v:
PRINCIPALI GRANDEZZE ACUSTICHE • Per una sorgente che irradia uniformemente in tutte le direzioni (mezzo isotropo), ovvero in campo libero, il fronte d'onda S è pari alla superficie di una sfera; alla distanza r dalla sorgente la potenza sonora sarà dunque pari a: • il campo sonoro si distingue idealmente in campo libero (spazio ideale privo di riflessioni) e campo diffuso (spazio perfettamente diffondente delimitato da superfici altamente riflettenti)
Nella pratica le sorgenti sonore irradiano con potenze estremamente variabili che vanno dal valore della voce umana a livello di conversazione, pari a circa 10-6 W, al rumore di un aereo turbogetto pari a 104 W
Sia Pw (W) la potenza sonora irradiata da una sorgente sonora su un fronte d'onda S (m²), sussiste allora la seguente relazione tra potenza sonora e intensità sonora I: • L’intensità è l’energia che, nell'unità di tempo, fluisce attraverso l'unità di area del fronte d'onda. • Mentre la frequenza discrimina la percezione dei suoni, ovvero il loro tono, da gravi (bassa frequenza) ad acuti (alta frequenza), analogamente l’intensità discrimina i suoni da deboli a forti. • In campo libero, si ha dunque la seguente relazione tra pressione sonora e intensità:
La pressione sonora, in campo libero, risulta così legata alla potenza: • Dalle relazioni suddette si evince che, in campo libero, la pressione sonora e l'intensità diminuiscono con il quadrato della distanza r: per il suono nell’aria, quindi, quando la distanza raddoppia l’ampiezza si riduce della metà. • In un'onda piana invece la superficie del fronte d'onda rimane costante (ad es. nel rumore generato da un elettroventilatore all’interno di un condotto a sezione costante) e se non vi sono dissipazioni sulle pareti del condotto (ad es. materiale fonoassorbente) l'intensità non varia all'aumentare della distanza.
In definitiva le principali grandezze acustiche sono le seguenti:
LIVELLI SONORI: IL DECIBEL • Considerato l’enorme campo di variazione si preferisce esprimere le grandezze acustiche facendo il logaritmo del rapporto tra le stesse e determinati valori di riferimento assunti come livelli "zero". • In acustica pertanto per le grandezze energetiche si usa adottare il livello sonoro espresso in decibel (dB) definito come il logaritmo decimale del rapporto tra il valore in esame ed il valore di riferimento.
LIVELLI SONORI: IL DECIBEL Livello di potenza sonora Lw: Lw = 10 lg Pw /P0 (dB) dove Pw è la potenza sonora in esame (W) e P0 la potenza sonora di riferimento (10 -12 W) Livello di intensità sonora L I: • L I = 10 lg I/I0 (dB) • dove I è l'intensità sonora in esame (W/m²) e I0 l'intensità sonora di riferimento (10-12 W/m²) • Livello di pressione sonora LP : • LP = 10 lg p²/p²0 = 20 lg p/p0 (dB)
LIVELLI SONORI: IL DECIBEL Livello di pressione sonora LP : LP = 10 lg p²/p²0 = 20 lg p/p0 (dB) dove p è la pressione sonora in esame (Pa) e p0 la pressione sonora di riferimento (2 ×10-5 Pa = soglia di udibilità a 1000 Hz). Agli effetti pratici, per le grandezze di riferimento suddette, si dimostra che il livello di intensità sonora L Iè L I≈ L P4.
Generalmente i dati di potenza sonora relativi alle sorgenti di volta in volta esaminate devono essere forniti dai costruttori delle macchine mediante apposito certificato, per cui usualmente i valori in questione costituiscono il dato noto da cui partire per il calcolo dei livelli di pressione sonora che si verificano in campo ad una certa distanza dalle suddette sorgenti. • Talora i dati vengono forniti anche in forma di livelli di pressione sonora rilevati ad una certa distanza dalla sorgente in punti specificati e ben individuabili.
Si osserva che un raddoppio o un dimezzamento dell’energia sonora non provoca un raddoppio o un dimezzamento nei livelli sonori ma solo incrementi o decrementi di circa 3 dB; quando si calcola ad esempio il livello totale dovuto al contributo di due o più sorgenti sonore agenti contemporaneamente, dobbiamo calcolare il livello globale di pressione sonora generato dalle componenti sonore in esame, mediante la seguente procedura:
Per conoscere il contributo offerto da una determinata sorgente al rumore globale LPT rilevato si procede ad una sottrazione nel modo seguente: Nella scala dei livelli il valore di 130 dB (63 Pa) corrisponde alla soglia del dolore ovvero il rumore può provocare dei danni fisici immediati all’udito.
Fattore di direttività Le sorgenti emettono in modo diverso a seconda delle direzioni. Si definisce pertanto un fattore di direttività Q dato dal rapporto tra l’intensità sonora Iq nella direzione q e l’intensità sonora I che avrebbe il campo acustico in quel punto se la sorgente fosse omnidirezionale: • Esempi tipici di sorgenti sonore dotate di un evidente indice di direttività sono i macchinari, le unità di trattamento dell’aria, le pompe di calore, i motori dei veicoli, ecc.
Riverberazione: Prolungamento del suono udito. Fenomeno per il quale si ha la persistenza di un suono all’interno di un ambiente confinato per effetto delle riflessioni e deviazioni d’onda contro le pareti, dopo che la sorgete ha smesso di emettere
Attenuazione della trasmissione aerea Quando si studia la propagazione del suono in un ambiente, occorre tener conto di alcune cause di attenuazione o comunque variazione del fenomeno
