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I.U.A.V.

Architettura: Tecniche e Culture del Progetto

Primo Semestre a.a. 2018/2019

PROGETTAZIONE AMBIENTALE

Prof. Piercarlo Romagnoni

ELEMENTI ED APPLICAZIONI DI ACUSTICA01

Arch. Igor Panciera

Arch. Igor PancieraELEMENTI ED APPLICAZIONI DI ACUSTICA

PROGETTARE UN EDIFICIO

NON E’

SCOLPIRE UNA STATUA,

DIPINGERE UN QUADRO,

CESELLARE UN MOBILE,

DISEGNARE UN GIOIELLO, …

QUAL E’ IL RUOLO DELL’ARCHITETTO ?


L’ARCHITETTO NON PUO’ LIMITARSI A RICERCARE

LA BELLEZZA, QUALITA’ SEMPRE SOGGETTIVA, DI CIO’ CHE PROGETTA

NEGLI SPAZI CHE PROGETTA DEVONO

SVOLGERSI DELLE ATTIVITA’ UMANE


OGNI EDIFICIO HA PRESTAZIONI CHE SONO

CONCRETE, OGGETTIVE, MISURABILI


IN OGNI AMBIENTE DELL’EDIFICIO DEVONO VERIFICARSI

LE CONDIZIONI DI COMFORT

NECESSARIE ALLO SVOLGIMENTO DELLE ATTIVITA’

PER CUI QUELL’AMBIENTE E’ PROGETTATO:

COMFORT TERMICO

COMFORT IGROMETRICO

COMFORT VISIVO

COMFORT ACUSTICO

COMFORT OLFATTIVO

…

COMFORT


COMFORT

TEMPERATURA DEGLI AMBIENTIE DELLE PARETI

DI OGNI AMBIENTE

PUREZZA E UMIDITA’ DELL’ARIA

ILLUMINAZIONEDEGLI AMBIENTILUCE NATURALE

LUCE ARTIFICIALE

RISPETTO DI PARAMETRI SPECIFICI

PER OGNI ATTIVITA’

RUMOROSITA’INTERNA E

ISOLAMENTO DAI RUMORI ESTERNI

ALL’AMBIENTE


I COSTI DI UN EDIFICIO

NON SOLO

UN EDIFICIO

UNA VOLTA PROGETTATO, COSTRUITO E «ABITATO»

HA DEI COSTI DI CONDUZIONE

HA DEI COSTI DI MANUTENZIONE



COSTI DI CONDUZIONE COSTI DI MANUTENZIONE

QUANTO COSTA RISCALDARE?

QUANTO COSTA RAFFRESCARE?

QUANTO COSTA ILLUMINARE?

QUANTO COSTA FAR ANDARE GLI ASCENSORI?

QUANTO COSTA PULIRE LE FINESTRE?

QUANTO COSTA MANTENERE GLI IMPIANTI IN EFFICIENZA?

QUANTO COSTA TAGLIARE L’ERBA?

QUANTO COSTA MANTENERNE LA COPERTURA?

QUANTO COSTA SISTEMARE UN PLUVIALE CHE PERDE?

QUANTO COSTA FAR FUNZIONARE L’IMPIANTO

ANTI-INTRUSIONE?


FORMA E ORIENTAMENTO

DELL’EDIFICIO

PACCHETTICOSTRUTTIVI

SCHERMATURE SOLARI

+ COMFORT INTERNO

- COSTI DI GESTIONE E MANTENIMENTO

POSIZIONE E ORIENTAMENTODEI SERRAMENTI


UN EDIFICIO MAL PROGETTATO E CHE DELEGHI AL SOLO APPARATO

IMPIANTISTICO L’OTTENIMENTO DI CONDIZIONI DI COMFORT

NEL MIGLIORE DEI CASI AVRA’ COSTI DI GESTIONE MOLTO ELEVATI

(E DESTINATI AD AUMENTARE CON IL COSTO DELL’ENERGIA)

PIU’ FACILMENTE SARA’ UN EDIFICIO

TROPPO COSTOSO DA MANTENERE E DESTINATO A SOSTANZIALI

MODIFICHE QUANDO NON ALL’ABBANDONO ED ALLA DEMOLIZIONE

SICURAMENTE SARA’ UN EDIFICIO IN CUI,

NONOSTANTE OGNI SFORZO IMPIANTISTICO ED ECONOMICO,

NON VI SARANNO MAI CONDIZIONI DI COMFORT


AD ESEMPIO:

UNA GRANDE VETRATA A SUD:

INVERNO: APPORTI SOLARI GRATUITI IMPORTANTI.

ESTATE: SE NON ADEGUATAMENTE SCHERMATA,

SURRISCALDAMENTO DEGLI AMBIENTI INTERNI DIFFICILMENTE

CONTRASTABILE CON IL SOLO IMPIANTO DI CONDIZIONAMENTO.

MEZZE STAGIONI: SE LA SCHERMATURA NON E’ CURATA IN

NOVEMBRE E DICEMBRE POTREBBE ESSERE NECESSARIO

RAFFRESCARE GLI AMBIENTI.

UNA GRANDE VETRATA A NORD:

NESSUN VANTAGGIO IN REGIME INVERNALE, NESSUN

IRRAGGIAMENTO, IMPORTANTI DISPERSIONI.


QUANTO E’ COSTATO COSTRUIRLO?

QUANTO E’ COSTATO APPLICARE DELLE PELLICOLE SULLE VETRATE PER RIDURRE L’INGRESSO DELL’IRRAGGIAMENTO SOLARE?

QUANTO COSTERA’ CAMBIARE LE PELLICOLE UNA VOLTA ROVINATE?

QUANTO COSTA TENERNE PULITI I VETRI?

QUANTO COSTA CLIMATIZZARE IL GRANDE ATRIO D’INGRESSO?

IL DENARO SPESO PER CLIMATIZZARE GLI AMBIENTI SI TRADUCE IN COMFORT INTERNO?

REALIZZARE UN EDIFICIO MENO COSTOSO DA MANTENERE SAREBBE COSTATO DI PIU’?

SI POTEVA FARE UN EDIFICIO PIU’ UTILE ALLO SCOPO SPENDENDO MENO IN FASE DI COSTRUZIONE E IN FASE DI CONDUZIONE?


LE ONDE SONORE


LE ONDE SONORE: PERTURBAZIONI DI PRESSIONE

Il fenomeno sonoro corrisponde ad una variazione oscillatoria di pressione

attorno alla pressione atmosferica.

Le diverse sorgenti sonore sono dispositivi o fenomeni in grado di indurre un

movimento oscillatorio alle particelle del mezzo considerato.

La sorgente sonora (es. un

diapason) trasmette il moto

alle particelle d’aria a suo

diretto contatto. Il moto

vibratorio di queste particelle

intorno ad una posizione di

equilibrio si trasmette ad altre

adiacenti e la così la

perturbazione si propaga nel

mezzo a distanze sempre più

grandi.


FF

IL MOVIMENTO DELLE PARTICELLE D’ARIA

Le particelle oscillano intorno a posizioni di equilibrio

L’oscillazione si propaga nel mezzo


LA “DANZA” DELLE PARTICELLE

Le particelle d’aria (o di un altromateriale elastico) che consentono lapropagazione di un’onda sonora nonsi allontanano molto dalla loroposizione di equilibrio

N.B.: la perturbazione sonora viaggia,si sposta, ma le particelle che latrasportano “danzano senzaallontanarsi troppo da casa”.

FENOMENOSONORO

Propagazione ENERGIA SI

Propagazione MATERIA NO


LA PROPAGAZIONE DELL’ONDA

Osservando le molecole dell’aria contenuta nel condotto si notano:

Aree di compressionedove le molecole sono piùaddensate

La pressione dell’aria è leggermente superiore alla pressione atmosferica

Sacche di rarefazionedove le molecole sono più diradate

La pressione dell’aria è leggermente inferiore alla pressione atmosferica

C = Compressione

R = Rarefazione

Creste di compressione e sacche di rarefazione si muovono

DIREZIONE DI

PROPAGAZIONE DELL’ONDA

SONORA.


Nella i-esima sezione si alterneranno nel tempo stati si compressione e rarefazione.

Nel diagramma cartesiano tempo-pressione il fenomeno sonoro appare nella tipica forma sinusoidale dei fenomeni ondulatori.

Un’onda è composta di una compressione e di una rarefazione.

LA PROPAGAZIONE DELL’ONDA


Le perturbazioni di pressione e di densità hanno valori molto limitati rispetto

ai valori medi delle due grandezze:

In conseguenza delle variazioni di pressione si hanno variazioni di densità

per le quali si ha:

Si denomina pressione acustica la differenza tra la pressione in un punto

nel mezzo attraversato dall’onda acustica e la pressione nello stesso punto

in assenza dell’onda. E’ la pressione ad essere correlata al ‘volume’ a cui

percepiamo il suono.

PRESSIONE ACUSTICA, Δp, [Pa]

∆𝑝 = 𝑝 − 𝑝0 [𝑃𝑎]

∆𝜌 = 𝜌 − 𝜌0 [𝑘𝑔

𝑚3]

∆𝜌

𝜌0≪ 1

∆𝑝

𝑝0≪ 1


PRESSIONE EFFICACEQuale pressione definisce il fenomeno sonoro descritto dalla curva?

La pressione media in un fenomeno periodico come quello sonoro è nulla.

Pressione massima e minima descrivono parzialmente il fenomeno.

Si può caratterizzare la pressione sonora considerandone il valore

efficace

PRESSIONE EFFICACE

In caso di andamento sinusoidale della pressione

sonora

PRESSIONE EFFICACE

La sensazione sonora dipende dal contenuto energetico dell’onda, che è descritto

dall’area che sottende la curva.

Si stabilisce allora il valore della PRESSIONE EFFICACE:

𝑝𝑒𝑓𝑓 =1

𝑇න0

𝑇

𝑝2𝑑𝜏

𝑝𝑒𝑓𝑓 =𝑝𝑚𝑎𝑥

2


LUNGHEZZA D’ONDA

Ad ogni istante in ogni i-esima sezione del condottovi è una pressione uniforme

Lunghezza d’onda

Distanza percorsa dalla perturbazione in un

periodo

Separazione spaziale di punti che allo stesso istante hanno le

medesime condizioni di pressione


LUNGHEZZA D’ONDA, PERIODO, FREQUENZA

T (s)

FREQUENZA: inverso del periodo, numero di onde complete generate dalla sorgente nell’unità di tempo. Unità di misura: Hertz.

f (Hz)=1/T

PERIODO: tempo necessario alla sorgente per generare un’onda completa. Unità di misura: secondi.

𝜆 = 𝑐𝑇 =𝑐

𝑓


Introduzione al suono ELEMENTI DI ACUSTICA, arch. Igor Panciera

I.U.A.V.- SCIENZE DELL'ARCHITETTURA Fisica Tecnica e Controllo Ambientale, prof. Piercarlo Romagnoni

T

pressioneatmosferica

tempo [s]

pressio

ne [P

a]

l

spazio [m]

pressioneatmosferica

pressio

ne [P

a]

IL SUONO - GRANDEZZE FONDAMENTALI

PERIODO: tempo necessar io alla sorgente per

generare un’onda completa. Inverso della

frequenza.

Unità di misura: secondi

LUNGHEZZA D’ONDA: Distanza percorsa dal la

perturbazione in un periodo. Separazione spaziale

di punti che allo stesso istante hanno le

medesime condizioni di press ione.

Unità di misura: metri

FREQUENZA: numero di onde complete generate

dalla sorgente nell’unità di tempo. Inverso del

periodo.

Unità di misura: Hertz

LUNGHEZZA D’ONDA, PERIODO, FREQUENZA


IL SUONO


Una perturbazione di carattere oscillatorio che si propaga in un mezzo elastico

Alla propagazione corrisponde una propagazione di energia ma non una

propagazione di materia!

COS’E’ IL SUONO?


IL SUONO PERCEPITO E’ RELATIVO

CIO’ CHE OGNUNO DI NOI SENTE

NON E’ IL SUONO EMESSO DALLA SORGENTE SONORA:

• Differenza del mezzo di propagazione delle onde sonore

• Differenza dell’ambiente in cui le onde si propagano

• Differenza di sensibilità alle varie frequenza dell’orecchio di

ognuno

• …

LA REALTA’ DEI NOTRI SENSI

NON E’ UNA REALTA’ ASSOLUTA MA RELATIVA

Ragioniamo dunque su medie, su statistiche


propagazione attraverso un

MEZZO ELASTICO

A - Sorgente B – Ricevitore

IL FENOMENO SONORO

• Il corpo ‘A’ – SORGENTE – vibra

• I movimenti vibratori di ‘A’ si trasmettono, attraverso un MEZZO ELASTICO, sotto forma di perturbazioni di pressione

• L’orecchio ‘B’ – RICEVITORE – percepisce le variazioni di pressione sotto forma di sensazione acustica.


IL FENOMENO SONORO

Perché si possa parlare di suono sono dunque necessari

3 ELEMENTI FONDAMENTALI:

1 Una SORGENTE

2 Un MEZZO ELASTICO di propagazione

3 Un RICEVITORE


LE SORGENTI SONORE

1CORPI SOLIDI OSCILLANTI: strumenti a corda, diaframmi per

altoparlanti, strumenti a percussione

2 COLONNE D’ARIA OSCILLANTI: strumenti a fiato, organi

3 CORPI IN RAPIDO MOVIMENTO: eliche, fruste

4 GAS IN RAPIDA USCITA DA CONTENITORI: razzi, reattori

5 RAPIDI INCREMENTI DI PRESSIONE: detonazioni

6 VOCE UMANA: combinazione dei meccanismi 1 e 2


[Hz]1 10 100 1000 10 000

Frequenza

Sorgente: generatore di perturbazione, di vibrazioni

LE SORGENTI SONORE


IL MEZZO DI PROPAGAZIONE

• Perché il suono si propaghi dalla sorgente bisogna che vi sia un mezzo le cuiparticelle vengano spostate dalla loro posizione di equilibrio per poi esserviriportate dalla “reazione elastica” del mezzo stesso.

• Il mezzo, qualunque esso sia, viene attraversato ma non modificato dallaperturbazione.

• Il suono si propaga facilmente nei mezzi elastici: gas, liquidi o solidi (aria, acqua,cemento, acciaio, …).

• A seconda delle caratteristiche del materiale costituente il mezzo il suonoviaggia più o meno rapidamente e a maggiori o minori distanze (ecco perché neifilm si sente arrivare prima il treno appoggiando l’orecchio sui binari).

• Il suono NON può propagarsi nel VUOTO


IL RICEVITORE

Qualcosa di sensibile alla perturbazione, alla variazione minima di pressionerispetto alla pressione atmosferica:

• MICROFONO

• MEMBRANA

• ORECCHIO UMANO


1 10 100 1000 10 000 [Hz]

Frequenza

16-20 Hz < suono udibile < 20 kHz

infrasuoni ultrasuoni

800 Hz < parlato < 8 kHz

Il nostro ricevitore fondamentale l’orecchio, sensibile solo a perturbazioni caratterizzate da

frequenze comprese tra:

Ricevitore: qualcosa «sensibile» alla perturbazione

IL RICEVITORE


16 Hz < f < 20.000 Hz

Intervallo di frequenze percepibili dall’orecchio

umano

f < 16 Hz

Frequenze non udibili come suoni ma percepibili come

vibrazioni

f > 20.000 Hz

ULTRASUONI: non udibili dall’uomo ma da alcuni animali.

Cane → 30.000 Hz ; Pipistrello → 90.000 Hz

IL RICEVITORE


La stessa manifestazione fisica provoca sensazioni diverse in relazione allo stato

psico-fisico-emozionale del recettore; in base, quindi, alla risposta soggettiva del

recettore sarà descritta come SUONO o come RUMORE.

SUONO O RUMORE?


=

s

m

kpc o

c: velocità del suono [m / s]

po: pressione atmosferica

k: cp / cv

: densità del mezzo

Ammettendo comportamento ideale:

TmRVpo

= da cui:

m

TRpo=

Risulta allora:

M

TkRc o=

Ro : costante universale dei gas

m : massa

M : massa molare

T: temperatura termodinamica

GAS

La velocità dell’onda acustica dipende essenzialmente dalla densità e dalladeformabilità (modulo di Young) del mezzo.

VELOCITA’ DEL SUONO


Nel caso dell'aria in condizioni atmosferiche standard

t=0 [°C]

p=101325 [Pa],

la densità è pari a 1.21 [kg/m3].

smc /1,33129

15.27383144.10 =

=

++=

s

m 6.04.331

15.27310 t

tcc

t = temperatura [°C]

A partire dalla velocità c0 a 0°C si può ottenere la velocità ad altre temperature:

ESEMPIO DI GAS: L’ARIA

Essendo k = 1.4 e M = 29 kg/kmole si ottiene una velocità del suono pari a:


materiale velocità del suono

m/s

rapporto rispetto all’aria

aria 343 1

gomma elastica 30 – 70 0,08 – 0,2

sughero 500 1,4

piombo 1220 3,5

acqua 1410 4,1

metacrilato 1800 5,2

legno 3400 9,9

calcestruzzo 3400 9,9

mattoni 3650 10,7

marmo 3800 11,1

vetro 5000 14,6

ferro 5000 14,6

alluminio 5200 15,2

acciaio 5200 15,2

cartongesso 6800 19,8

VELOCITA’ DEL SUONO NEI MATERIALI


cvp 0=

LA LEGGE DI OHM ACUSTICA

p: variazione di pressione

0: densità del mezzo (dipendente dal

mezzo)

c: velocità di propagazione della

perturbazione (costante a seconda

del mezzo)

v: velocità di movimento del pistone/di

oscillazione delle particelle

c0

LA PRESSIONE SONORA

E’ PROPORZIONALE

ALLA VELOCITA’ DI

OSCILLAZIONE DELLE

PARTICELLE

Dipende dal mezzo di propagazione

delle onde sonore.

Per l’aria in condizioni standard:

0c = 412 kg/(m2s)

RESISTENZA

ACUSTICA DEL

MEZZO


PRESSIONE SONORA, VELOCITA’ DEL SUONO,

VELOCITA’ DI OSCILLAZIONE DELLE PARTICELLE,

LEGGE DI OHM ACUSTICA

Velocità di propagazione del suono e velocità di oscillazione delle particelle del

mezzo di trasmissione sono distinti:

La velocità del suono dipende dalle caratteristiche del mezzo in cui questo si

trasmette

La velocità di oscillazione delle particelle dipende dalla sorgente

Le due velocità sono correlate nella Legge di Ohm acustica.

Soglia del dolore per l’orecchio umano Δp=200 Pa (o N/m2)

Δp = 200 Pa (o N/m2)

ρ0c= 1,2 x 343 = 412 kg/(m2s)

Δ𝑝 = 𝜌0𝑐𝜐

𝜐𝑑𝑜𝑙𝑜𝑟𝑒 =Δ𝑝

𝜌0𝑐=

200

412= 0,5 𝑚/𝑠


POTENZA SONORA

La POTENZA SONORA di una sorgente è l’energia totale emessa da questa nell’unità di

tempo.

Sorgente

Fortissimo orchestrale

Automobile in velocità

Ventilatore centrifugo

Voce molto forte

Lavastoviglie

Piccolo ventilatore

Aereo di linea al decollo

Martello pneumatico

Sussurro

Potenza sonora [W]

10

0,1

0,01

0,001

0,0001

0,00001

100

1

0,000001


INTENSITA’ DEL SUONO

L’INTENSITA’ SONORA in un punto è il flusso di energia sonora trasmesso dalla

sorgente nella direzione del punto attraverso un’area di sezione unitaria normale

alla direzione stessa.

Parlando della Legge di Ohm acustica si è già visto che ρ0c viene definita resistenza

acustica del mezzo, ed è legata al mezzo di propagazione, non alla sorgente sonora.

Essendo allora ρ0c non connesso al suono emesso e ricevuto:

L’INTENSITA’ CON CUI PERCEPIAMO UN SUONO E’ STRETTAMENTE CORRELATA

ALLA SUA PRESSIONE EFFICACE

𝐼 =𝑝𝑒𝑓𝑓2

𝜌0𝑐


Se in un punto di un mezzo:

- ELASTICO

- OMOGENEO

- ISOTROPO

si determina una variazione di pressione

questa

si propaga in tutte le direzioni dando

origine a onde sferiche

con

centro nella sorgente di perturbazione.

La regione dello spazio in cui si verifica la propagazione di onde sonore viene detta

CAMPO SONORO

P

P2

P2

r1

r2

LA PROPAGAZIONE DEL SUONO: ONDE SFERICHE


In alcuni casi si possono formare onde piane ossia onde il cui fronte di

propagazione corrisponde ad una superficie piana.

Le onde sferiche sufficientemente lontano dalla sorgente sono approssimate ad

onde piane.

LA PROPAGAZIONE DEL SUONO: ONDE PIANE


W: potenza sonora della sorgente [W]

I: intensità sonora [W/m2]

S: superficie attraversata dall’onda sonora [m2]

K

WI =

P

P2

P2

r1

r2

Le onde sonore che si propagano da una sorgente

puntiforme sono onde sferiche. L’energia emessa

si distribuirà su di una superficie sempre più

grande mano a mano che l’onda si propaga.

24 r

WI

= W: potenza della sorgente [W]

r: distanza dalla sorgente [m]

INTENSITA’ DEL SUONO

In caso di onde piane la superficie attraversata

dall’onda sonora rimane costante lungo la direzione di

propagazione, l’intensità non dipende allora dalla

distanza.

KS =

S

WI =


Nelle onde piane l’intensità resta costante lungo la direzione di propagazione perché rimane

costante l’area di propagazione. Nelle onde sferiche, a mano a mano che ci si allontana dalla

sorgente, l’intensità sonora diminuisce poiché l’energia si distribuisce su di una superficie

sempre più estesa. Dal grafico è evidente che soprattutto nel primo tratto di propagazione si

ha una rapida diminuzione dell’intensità..

I

onda piana

onda sferica

ONDE PIANE ED ONDE SFERICHE

ELEMENTI ED APPLICAZIONI

DI ACUSTICA

GRAZIE PER

L’ATTENZIONE

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