Analisi teorico-sperimentale delle caratteristiche fonoassorbenti i materiali

The knowledge of the acoustic properties of materials is of great importance in many application areas, such as transport and automotive, architectural and building acoustics and room acoustics. In each application, through the analysis of the characteristic properties of the materials used, it is possible to model complex systems through acoustic calculation methods such as FEM, BEM, SEA, etc.. and raytracing simulations. The first chapters of this work (Chapters 1-5) deal with the theoretical approaches related to the propagation of sound waves through the air-material interface and through porous materials, and at the same time they focus on the characteristics of sound absorption according to the types of sound-absorbing materials and systems, (porous, fibrous, membrane and cavities resonators). Starting from the theoretical treatment, analytical models are presented. They allow to describe the acoustic properties of porous materials with a rigid frame, based on their physical characteristics: the empirical mono-parametric model of Delany Bazley, the empirical multi-parameters model of Miki and the phenomenological model of Johnson Champoux Allard. The second part (Chapters 6-9) describes the experimental methods used to characterize porous materials, both in terms of their superficial and characteristics parameters, measured with impedances tubes, and their random incidence absorption coefficients obtained in a reverberation room. The methods applied employed to measure physical quantities described in the phenomenological model of Johnson Champoux Allard (flow resistivity, porosity, tortuosity, viscous and thermal characteristic length) are also shown. The last chapters (Chapters 10-14) summarize the results of an experimental campaign carried out in a reverberation room, through which a survey on the influence of distribution of plane absorbers was conducted by using mineralised fir wood-wool bound with Portland cement and polyester fiber. The aim of the campaign was to analyze the change in absorption coefficient as a function of the size of the surface of the samples used in the measure, and how these are distributed, focusing on the influence of the exposed edge. The second part of my work displays the results of theoretical and experimental analysis performed on mineralized fir wood-wool panels developed through the measurements of their acoustics and physical characteristics. After the experimental campaign five optimized parameters are defined to predict the sound absorption coefficient of this material, with the Johnson Champoux Allard’s model. The use of the impedance tube to measure the absorption coefficient has great advantages, because with this method it is possible to characterize completely porous absorbers. Another plus of the experimentation is the saving of time measurement and specimen sizes. However, in the models of room acoustics computation and simulation the random incidence absorption coefficients obtained in reverberant rooms are used. The theoretical models developed from experimental measurements in impedances tubes, cannot accurately reconstruct the absorption coefficients obtained by this method. The dissertation closes with the comparison between the theoretical curves of absorption coefficient for random incidence modeled with the parameters optimized, and the experimental measurements performed in a reverberation room.

La conoscenza delle proprietà acustiche dei materiali è di grande importanza in moltissimi settori applicativi, come quello dei trasporti e dell’automotive, dell’acustica architettonica ed edilizia e dell’acustica ambientale. In ciascuna applicazione, mediante l’analisi delle proprietà caratteristiche dei materiali impiegati, è possibile modellare acusticamente sistemi complessi attraverso metodi di calcolo come, ad esempio F.E.M., B.E.M., S.E.A., ecc. e simulazioni raytracing. In questo lavoro sono descritti in una prima parte (capitoli 1-5) gli approcci teorici relativi alla propagazione delle onde sonore sull’interfaccia aria-materiale e all’interno dei materiali porosi e fibrosi, indicando le caratteristiche di fonoassorbimento in funzione alle tipologie di materiali e dei sistemi fonoassorbenti, (materiali porosi, fibrosi, risonatori a membrana e a cavità). Partendo dalla trattazione teorica sono riportati dei modelli analitici che consentono di descrivere le caratteristiche acustiche di materiali porosi a struttura rigida, basandosi sulle loro caratteristiche fisiche: il modello empirico monoparametrico di Delany Bazley, il modello empirico a più parametri di Miki e il modello fenomenologico di Johnson Champoux Allard. Nella seconda parte (capitoli 6-9) sono descritte delle metodologie sperimentali per caratterizzare i materiali porosi, sia per quanto riguarda le loro grandezze acustiche superficiali e caratteristiche acquisite mediante tubo ad onde piane e il loro coefficiente di assorbimento per incidenza diffusa ottenuto in camera riverberante. Inoltre sono riportati i metodi per la misura delle cinque grandezze fisiche descritte nel modello fenomenologico di Johnson Champoux Allard. (resistività al flusso, porosità, tortuosità, grandezze caratteristiche viscose e termiche). Negli ultimi capitoli (capitoli 10-14) sono riportati i risultati di una campagna sperimentale effettuata in camera riverberante, con la quale si è svolta un’indagine sull’influenza della disposizione di assorbitori piani in lana di legno mineralizzata con cemento Portland e fibra di poliestere, analizzando la variazione del coefficiente di assorbimento in funzione della dimensione della superficie dei campioni utilizzati nella misura, e da come questi sono disposti, facendo attenzione anche all’influenza del bordo esposto. In quest’ultima parte del lavoro sono anche riportati i risultati di un’analisi teorico-sperimentale eseguita su pannelli di fibra di legno mineralizzata, sviluppata attraverso le misura delle loro caratteristiche acustiche e fisiche, definendo dei parametri medi ottimizzati da inserire nel modello fenomenologico di Johnson Champoux Allard. L’utilizzo del tubo d’impedenza per la misura del coefficiente di assorbimento ha dei grandi vantaggi, dal punto di vista della caratterizzazione dei materiali, in quanto ne riesce a ottenere la grandezze superficiali e intrinseche, e dal punto di vista dell’onerosità della prova, in termini di tempo di misura e di dimensioni dei provini. Nei modelli di calcolo e di simulazione relativi all’ambito dell’acustica architettonica ed edilizia vengono però utilizzati i coefficienti di assorbimento per incidenza diffusa ottenuti nelle camere riverberanti; i modelli teorici sviluppati da misure sperimentali su tubi ad onde piane, non riescono a ricostruire in modo accurato i coefficienti di assorbimento ottenuti con questo metodo. Nell’ultimo capitolo (capitolo 14) sono state confrontate le curve teoriche di coefficiente di assorbimento per incidenza diffusa modellate con i parametri ottimizzati, con delle misure sperimentali effettuate in camera riverberante.