Acustica Tecnica (esercitazione)

Acustica ambientale e architettonica
Esercitazione
Ing. Ubaldo Carlini
Dati geometrici dell'ambiente
Grandezza
Larghezza [m]
Lunghezza [m]
Altezza [m]
Volume totale [m3]
22
45
10
9900
Supeficie pavimento in parquet [m2]
Superficie pareti [m2]
Superficie soffitto [m2]
Dati di progetto geometrici
Superficie unitaria porte d'uscita [m2]
Superficie totale porte d'uscita [m2]
Superficie schermo da proiezione [m2]
Superficie tavolo da conferenza [m2]
Altri dati di progetto caratteristici
N° porte d'uscita
N° poltroncine
Superficie unitaria porte d'uscita [m2]
990
1340
990
4,5
49,5
128
12
11
1200
4,5
Superficie schermo da proiezione [m2]
128
2
Superficie complessiva bocchette d'immissione aria [m ]
Numero bocchette immissione aria
7,2
18
Superficie bocchetta unitaria [m2]
Portata d'aria trattata dall'UTA [m3/h]
0,4
Portata d'aria uscente da ogni bocchetta [m3/h]
Superficie parete netta [m2] (senza schermo e porte)
Superficie totale (soffitto+pavimento+pareti) [m2]
24000
1333
1162,5
3320
1 - Correzione acustica della sala
2 - Attenuazione del rumore negli impianti di ventilazione
3 – Riduzione del rumore di un impianto di condizionamento
Correzione acustica della sala
L’analisi acustica si limita alle due frequenze:
Bassa frequenza: 125 Hz
Media frequenza: 500 Hz
Queste frequenze sono quelle di maggiore interesse per la correzione acustica
della sala.
Analisi acustica della sala a 125 Hz
2
Superfici assorbenti
pavimento
pareti laterali
parete con schermo
parete di fondo
schermo
soffitto
tende pesanti porte
bocchette d'aria
poltroncine
Area Si [m ] Coefficiente di
o numero assorbimento αi
990
0,04
864
0,03
92
0,03
206,5
0,03
128
0,03
990
0,03
49,5
0,08
7,2
0,15
1200
0,1
Unità di
Assorbimento
2
αi*Si [m ]
39,6
25,92
2,76
6,195
3,84
29,7
3,96
1,08
120
Tipi di assorbenti
legno (parquet)
intonaco cemento
intonaco cemento
intonaco cemento
cotone
intonaco cemento
cotone
a griglie
imbottite
Analisi acustica della sala a 500 Hz
2
Superfici assorbenti
Area Si [m ] Coefficiente di
o numero assorbimento αi
Unità di
Assorbimento
2
αi*Si [m ]
Tipi di assorbenti
pavimento
990
0,07
69,3
pareti laterali
864
0,04
34,56
intonaco cemento
92
206,5
128
990
49,5
7,2
1200
0,04
0,04
0,1
0,04
0,15
0,3
0,3
3,68
8,26
12,8
39,6
7,425
2,16
360
intonaco cemento
intonaco cemento
cotone
intonaco cemento
cotone
a griglie
imbottite
parete con schermo
parete di fondo
schermo
soffitto
tende pesanti porte
bocchette d'aria
poltroncine
legno (parquet)
Calcolo del tempo di riverberazione
Si procede al calcolo del tempo di riverberazione per le seguenti tre situazioni:
1- Sala vuota
2 - Sala semipiena (75% occupati)
3 - Sala piena
Calcolo della sommatoria delle unità di assorbimento UA (somma di αi*Si [m2])
Frequenza
sala vuota
sala semipiena
sala piena
125 Hz
233,06
323,06
353,06
500 Hz
537,79
672,79
717,79
αm = ∑
α i ⋅ Si
∑S
i
Calcolo del coefficiente di assorbimento medio αm
Frequenza
sala vuota
sala semipiena
sala piena
125 Hz
0,07
0,10
0,11
500 Hz
0,16
0,20
0,22
τ s = 0,16 ⋅
V
∑α
i
⋅ Si
Calcolo del tempo di riverberazione τs con la formula di Sabine
Frequenza
sala vuota
sala semipiena
sala piena
125 Hz
6,80
4,90
4,49
500 Hz
2,95
2,35
2,21
τ 60 = 0,16 ⋅
V
⎡
1 ⎤
⋅
S
ln
⎢
(1 − α m ) ⎥⎦
⎣
Calcolo del tempo di riverberazione τ60 con la formula di Eyring
Frequenza
sala vuota
sala semipiena
sala piena
125 Hz
6,56
4,66
4,24
500 Hz
2,70
2,11
1,96
Valori dei tempi di riverberazione consigliati per i vari impieghi (f=500 Hz)
Per le sale da conferenza i valori dei tempi di riverberazione consigliati sono:
τ60=1,2 s (f=500 Hz)
τ60 =1,7 s (f=125 Hz)
Il tempo ottimale di riverberazione si verifica in genere per la situazione intermedia
(sala semipiena) e per la frequenza con tempo di riverbero che si discosta
maggiormente da quello ottimale. Nel nostro esempio:
f=125 Hz
τ60 =4,66 s
Dalla formula di Eyring si ricava:
Si ricava: αm= 0,24
L’assorbimento totale si dovrà portare a:
S.αm= 3320.0,24=812,43 m2
L’incremento sarà di:
(812,43-323,06)=489,38 m2
α m = 1 − e −0,16⋅V /τ
60 ⋅ S
Per determinare la superficie del materiale assorbente necessario per la correzione
acustica della sala si procede nel seguente modo:
1)
Si considera il valore del coefficiente di assorbimento del materiale scelto alla
frequenza di 125 Hertz, per esempio α=0,6, e si sottrae il valore del coefficiente di
assorbimento della parete nuda (α=0,03), ottenendo un valore di 0,57.
2)
Si divide la superficie dell’incremento dell’assorbimento da realizzare per il
coefficiente calcolato al punto che precede e si ottiene la superficie del materiale
assorbente da applicare:
S mat.ass= 489,38/0,57=858,56 m2
Il materiale assorbente sarà applicato dapprima sulla parete di fondo, di fronte alla
sorgente sonora, poi sulle pareti laterali ed infine al soffitto. Le parti vicine alla
sorgente sonora si escludono in maniera che l’energia sonora si possa diffondere,
quanto più possibile, uniformemente nell’ambiente.
Rumore negli impianti di ventilazione
L’energia sonora prodotta dalla sorgente primaria (ventilatore dell’UTA) è costretta a
propagarsi lungo i condotti che formano l’impianto di distribuzione dell’aria.
Lp = LW + 10 ⋅ log(
1
4 ⋅π ⋅ r
2
)
In questo caso non è applicabile
la legge di variazione della
pressione sonora con il
quadrato della distanza
L’energia sonora prodotta dal ventilatore è convogliata in una linea di trasmissione
rappresentata dai condotti di distribuzione dell’aria.
In uscita da questi condotti, l’aria viene irradiata attraverso bocchette, diffusori e altri
dispositivi terminali e raggiunge gli occupanti dell’ambiente climatizzato.
Il problema fondamentale è conoscere il livello di pressione sonora che si avrà in un
ambiente ventilato per effetto della propagazione dell’energia sonora dalla
sorgente primaria.
Il problema in generale si può suddividere in tre fasi:
1)
Determinare la potenza sonora totale introdotta nel sistema dal ventilatore.
2)
Calcolare le attenuazioni che l’energia sonora del ventilatore negli elementi
costituenti l’impianto di distribuzione dell’aria.
3)
Calcolare l’energia irradiata dai terminali del condotto nell’ambiente ventilato.
Potenza sonora totale introdotta nel sistema dal ventilatore.
Le informazioni sulla potenza sonora che è convogliata nell’impianto dal ventilatore
sono date per ogni banda di ottava direttamente dal costruttore (vedi pagina
seguente); in mancanza di dati si può effettuare una stima preliminare mediante le
equazioni seguenti:
LW = 77 + 10 ⋅ lg P + 10 ⋅ lg H
LW = 25 + 10 ⋅ lg Q + 10 ⋅ lg H
LW = 130 + 20 ⋅ lg P − 10 ⋅ lg Q
LW = livello di potenza sonora globale
P = potenza elettrica del motore in kW
Q = è la portata dell’aria espressa in m3/h
H = prevalenza sviluppata dal ventilatore in mm H2O
Per potere distribuire la potenza sonora globale così ottenuta in livelli per bande di ottava
si applicano le seguenti correzioni (da sommare al livello di potenza sonora globale):
Frequenza [Hz]
Ventilatore centrifugo a pale curve rovesce
Ventilatore centrifugo a pale curve in avanti
Ventilatore centrifugo a pale radiali diritte
Ventilatori assiali
Flusso misto
63
-4
-2
-3
-7
0
125
-6
-6
-5
-9
-3
250
-9
-13
-11
-7
-6
500
-11
-18
-12
-7
-6
1000
-13
-19
-15
-8
-10
2000
-16
-22
-20
-11
-15
4000
-19
-25
-23
-16
-21
8000
-22
-30
-26
-18
-27
Attenuazioni dell’energia sonora nel sistema dei condotti
Non è necessario conoscere il livello di pressione sonora in ogni punto dell’impianto. È
necessario conoscere la riduzione che subisce l’energia sonora durante il percorso
per prevedere la potenza sonora irradiata in ambiente ai terminali del condotto
(LW_AMB.).
Si calcolano preliminarmente le attenuazioni del livello di potenza sonora, in dB,
dovute a ciascun elemento dell’impianto. La potenza sonora irradiata ai terminali
del condotto vale:
LW _ AMB. = LW _ UTA − Avib. − Arif . − Adir . − Ater .
LW_UTA = potenza sonora dell’Unità di Trattamento dell’Aria
Avib.= Attenuazione di potenza sonora dovuta alle vibrazioni delle pareti del condotto
Arif.= Attenuazione di potenza sonora dovuta alla riflessione in direzione della sorgente
Adir. = Attenuazione di potenza sonora dovuta alle diramazioni
Ater. = Attenuazione di potenza sonora ai terminali del condotto
Sulla base dei dati forniti come la portata dell’aria, la superficie delle bocchette e la
geometria del condotto, si calcolano le attenuazioni con l’ausilio dei diagrammi seguenti.
Avib.= Attenuazione di potenza sonora dovuta alle vibrazioni delle pareti del condotto
Arif.= Attenuazione di potenza sonora dovuta alla riflessione in direzione della sorgente
Adir. = Attenuazione di potenza sonora dovuta alle diramazioni
Ater. = Attenuazione di potenza sonora ai terminali del condotto
Calcolo del livello di pressione nell’ambiente ventilato
Finora è stato calcolato la potenza sonora che giunge alla bocchetta o al diffusore per irradiarsi
nell’ambiente. Se più bocchette sfociano nello stesso ambiente, è consuetudine considerare
solo la bocchetta più vicina al ventilatore e presumere che le altre forniscano la stessa quantità
di potenza sonora; questa stima sopravvaluta la potenza sonora totale che sarà irradiata in
ambiente ma ha il vantaggio di conservare un certo margine di sicurezza.
L p _ cond . = L p _ D + L p _ riv.
Lp_D = Livello di pressione sonora diretta
Lp _ D
⎡ Qθ ⎤
= LW _ AMB. + 10 log ⎢
2⎥
⎣ 4 ⋅π ⋅ r ⎦
L p _ D = LW _ AMB. + 10 ⋅ log(Qθ ) − 20 log(r ) − 11
Lp_riv. = Livello di pressione sonora riverberata
L p _ riv. = LW _ AMB. − 10 log Rc + 6 + 10 log n
n. = numero delle bocchette che sfociano nello stesso ambiente
Posizione della sorgente
Fattore di direttività Qθ
Al centro del locale
1
Al centro di una parete, del soffitto o del pavimento
2
Al centro di uno spigolo formato da due superfici
3
In un vertice formato da tre superfici
4
Costante d’ambiente
αm
Rc = S ⋅
1 − αm
Nel caso che la potenza sonora residua ai terminali di mandata non fornisca dei livelli di
pressione sonora compatibili con i livelli sonori richiesti per gli ambienti, occorre inserire dei
dispositivi detti attenuatori o silenziatori che siano in grado di fornire un ulteriore attenuazione
del livello di potenza sonora.
Tali sistemi si inseriscono all’interno del sistema in modo da ricevere un flusso d’aria non
turbolento, cioè ad una distanza minima paria a 3-6 volte il diametro del condotto del più vicino
ventilatore, gomito o curva.
I silenziatori si distinguono in funzione del meccanismo col quale si sottrae l’energia sonora
al flusso d’aria:
1) reattivi;
2) dissipativi.
Nei silenziatori di tipo reattivo l’attenuazione dell’energia sonora si verifica in seguito alle
riflessioni del rumore verso la sorgente che lo produce a seguito di un cambiamento
dell’impedenza acustica del condotto. Hanno un notevole ingombro e producono
perdite di carico elevate.
Nei silenziatori di tipo dissipativo si ha un’attenuazione dell’energia sonora in seguito alla
trasformazione per attrito dell’energia meccanica di oscillazione in calore, come
avviene per i materiali porosi.
Lo spazio racchiuso nel condotto non dà luogo ad un campo sonoro riverberato e la maggior
parte dell’energia si propaga in direzione parallela all’asse del condotto. Una piccola parte
dell’energia totale si attenua per ripetute riflessioni. Nel caso delle onde piane si ha una
propagazione su fronti piani paralleli tra loro e perpendicolari all’asse del condotto. I materiali
porosi sono molto efficaci nell’assorbimento acustico, pertanto vengono impiegati come
rivestimento delle pareti interne del condotto. L’onda subisce una diminuzione progressiva di
energia ai bordi con un effetto di curvatura (soprattutto alle basse frequenze) come illustrato
nella fig. 6.13. Il risultato è che dalla porzione d’onda che si propaga nell’aria viene
continuamente sottratta energia.
Dissipatore reattivo: esempio
Silenziatori dissipativi rettangolari
Caratteristiche costruttive
I silenziatori rettangolari della serie SQ sono essenzialmente costituiti da un cassone metallico, in lamiera zincata di spessore minimo 1
mm, con flange alle due estremità forate nei quattro angoli. Possono essere a sezione rettangolare o quadrata in differenti dimensioni e con
diverse lunghezze e contengono setti fonoassorbenti regolarmente spaziati e dallo spessore predeterminato. Il telaio dei setti è costruito in
lamiera zincata. Il materiale fonoassorbente è in lana minerale (densità non inferiore a 40 kg/m3) ad alto coefficiente di assorbimento
acustico con rivestimento in fibra di vetro per impedirne lo sfaldamento con velocità dell’aria fino a 20 m/s. La certificazione di reazione
al fuoco del materiale fonoassorbente è in Classe 1 ai sensi del D.M. 26-6-1984.
Caratteristiche acustiche
Caratteristiche aerauliche dei silenziatori rettangolari. Caratteristiche tecniche
relative ad un modello commerciale
Silenziatori dissipativi circolari
Caratteristiche costruttive:
Il silenziatore circolare è essenzialmente costituito da un involucro esterno in robusta lamiera d’acciaio zincato che racchiude un
materassino fonoassorbente in lana minerale con densità non inferiore a 40 kg/m3 ad alto coefficiente di assorbimento acustico,
rivestito con velo di vetro e protetto con lamierino forato per impedirne lo sfaldamento con velocità dell’aria fino a 20 m/s. I
silenziatori circolari sono in due versioni, esecuzione normale e con ogiva centrale, con diverse caratteristiche di attenuazione, adatti
per il collegamento a ventilatori e condotte a sezione circolare in dimensioni unificate.
Attenuazione acustica dei silenziatori circolari (SCK versione con ogiva
centrale). Caratteristiche tecniche relative ad un modello commerciale
Caratteristiche aerauliche dei silenziatori circolari (SCK versione con ogiva
centrale). Caratteristiche tecniche relative ad un modello commerciale
Metodi per il controllo e l’attenuazione del rumore
Ventilatori installati nei locali macchine
La collocazione delle macchine deve avvenire in modo da arrecare il minore disturbo possibile,
ossia installando la centrale in un locale distante;
La macchina deve essere isolata dal solaio su cui poggia a mezzo di un supporto resiliente;
Se la macchina è all’interno di un locale: le pareti del locale devono essere doppie e rivestite di
materiale dotato di elevato potere fonoisolante;
Per ridurre il rumore trasmesso dalla centrale di condizionamento alle canalizzazioni, si può
installare dopo il ventilatore una camera di attenuazione detta plenum. Tale camera è isolata dal
ventilatore e dai condotti mediante giunti flessibili per evitare la trasmissione delle vibrazioni e
deve essere rivestita internamente da materiale fonoassorbente (vedi fig. seguente)
Calcolo del livello di pressione in ambiente
e del rumore proveniente dall’esterno
Il livello sonoro in ambiente da confrontare con il livello di pressione acustica tipo NC25, è dato
dalla somma del livello di pressione sonora provocato dal condotto (Lp_cond. già calcolato) e da
quello immesso nell’ambiente dalle fonti esterne Lp_PC (nel nostro esempio dalla pompa di
calore).
L p _ tot = L p _ cond . + L p _ PC
Il calcolo del livello di pressione in ambiente ad opera di sorgenti esterne (necessario per
determinare Lp_PC) è svolto secondo il metodo di calcolo illustrato nella norma UNI EN ISO
12354-3 (UNI EN 12354-3 Acustica in edilizia - Valutazione delle prestazioni acustiche di
edifici a partire dalle prestazioni di prodotti. Isolamento acustico contro il rumore proveniente
dall’esterno per via aerea ). Si calcola dapprima l’isolamento acustico di facciata normalizzato
rispetto al tempo di riverberazione D2m,nT che dipende dal potere fonoisolante della facciata, dalla
forma esterna della facciata, dalle dimensioni dell’ambiente.
V è il volume dell'ambiente ricevente, espresso in m³.
∆Lfs è la differenza del livello di pressione sonora a causa della forma della facciata. Nel
nostro caso, siccome nella facciata dell'edificio considerato non abbiamo balconi o altro,
questo contributo è nullo. T0 è un valore pari a 0,5 secondi. É un tempo di riverberazione
di riferimento. S è l'area della facciata. Il valore di D2m,nt, secondo la norma di riferimento
DPCM 05/12/1997 (Determinazione dei requisiti acustici degli edifici) stabilisce i valori
limite; nel nostro caso D2m,nt = 42 dB (Art. 3 dell'Allegato A). La sala conferenze è
appartenente alla categoria F (edifici adibiti ad attività ricreative, di culto o assimilabili a
Classificazione ambienti abitativi) Art.2 Allegato A. Questo valore è il valore limite
consentito, e si configura come un valore di attenuazione.
R' è il potere fonoisolante apparente rispetto ad un campo sonoro incidente diffuso sulla
facciata:
Ri è il potere fonoisolante dell'elemento “normale” i-esimo della facciata.
Si è la superficie dell'elemento i-esimo “normale” della facciata.
Questa superficie è espressa in m².
A0 è l'area equivalente di assorbimento acustico. Quest'area è pari a 10 m².
Dni è l'isolamento acustico normalizzato del “piccolo” elemento i-esimo della facciata.
Questi elementi sono ad esempio le prese d'aria, i ventilatori, i condotti elettrici, etc.
S è la superficie complessiva della facciata (espressa in m²) vista dall'interno.
K è una correzione dovuta al contributo della trasmissione laterale. Questo contributo
vale 0 se gli elementi di facciata non sono connessi tra di loro, mentre vale 2 per
elementi pesanti connessi con giunti rigidi.
Lp_PC = L1,2m –D2m,nt
L1,2m è il livello di pressione sonora generato dalla sorgente (es. la pompa di
calore), ad una distanza di 2 metri dall'edificio. Ad esempio se la sorgente
sonora dista d dalla facciata, ci collochiamo in un punto che dista r = d – 2
metri dalla sorgente.
La formula per calcolare il livello di pressione sonora alla distanza r è la nota
relazione:
L1,2m = Lw_PC – 20 Log r – 8 + 3
+3 alla fine della formula tiene conto della riflessione esercitata dalla facciata
dell'edificio stesso.
Il rapporto tecnico UNI/TR 11175, guida alle norme serie UNI EN 12354 per la
previsione delle prestazioni acustiche degli edifici, fornisce un valido applicativo
alla tipologia costruttiva nazionale.
Riduzione del rumore di una sorgente esterna
BARRIERE ACUSTICHE
A = 20 ⋅ log
2 ⋅π ⋅ N
+ 5[dB ]
tgh 2 ⋅ π ⋅ N
A = Attenuazione della barriera in dB
N è il numero di Fresnel così definito:
N=
2
λ
⋅ ( A + B) − ( R + D)
Bibliografia
Ian Sharland – L’attenuazione del rumore - Manuale di acustica
applicata – Ed. Woods Italiana
R. Lazzarin, M. Strada – Elementi di acustica tecnica – Ed. CLEUP
UNI EN 12354-3 Acustica in edilizia - Valutazione delle prestazioni
acustiche di edifici a partire dalle prestazioni di prodotti. Isolamento
acustico contro il rumore proveniente dall’esterno per via aerea
UNI/TR 11175 Acustica in edilizia - Guida alle norme serie UNI EN
12354 per la previsione delle prestazioni acustiche degli edifici Applicazione alla tipologia costruttiva nazionale