Ottimizzare l'acustica di una stanza [Guida]

[Andrea Sebastiani]

Ottimizzare l'acustica di una stanza [Guida]

Introduzione

Questa guida speditiva è il risultato del sunto delle mie conoscenze ingegneristiche apprese sui seguenti due manuali:

• F. Alton Everest, Manuale di acustica, HOEPLI, 2016
• Paola Riccardi, Elementi di acustica e illuminotecnica, McGraw-Hill, 2009

Spero di essere riuscito a rendere di facile comprensione questo argomento molto tecnico.

La Riverberazione

Se all'interno di una stanza viene prodotto un suono continuo e poi lo si interrompe, si può notare come occorra un certo periodo di tempo per far sì che il livello sonoro all'interno della stanza torni a zero. Questo comportamento si chiama Riverberazione.

I raggi sonori emessi dalla sorgente, una volta interrotto il flusso sonoro, rimbalzano sulle pareti; questi urti, ogni volta, fanno perdere loro energia e, di conseguenza, il volume percepito diminuisce fino ad annullarsi.

Il Tempo di Riverberazione

L'intervallo di tempo che intercorre dal momento in cui la sorgente smette di emettere il suono e il momento di quiete acustica si chiama Tempo di Riverberazione.

Quando parliamo emettiamo suoni più o meno squillanti; toni di voce più alti o più bassi sono caratterizzati da frequenze misurate in Hertz (Hz) più basse e più alte.

• La voce femminile (solitamente di intonazione più alta) ricade tra le frequenze di 250-2000 Hz con picchi tra i 500-1000 Hz
• La voce maschile (di solito con intonazione più bassa) ricade tra le frequenze di 125-500 Hz con un comportamento mediamente omogeneo

Differenza tra uno spettro acustico tipicamente femminile (sinistra) e uno maschile (destra)

Lo spettro acustico è la rappresentazione del suono emesso ad una certa intensità misurata in Decibel (dB) suddiviso nelle varie frequenze ripartite nei seguenti gruppi:

125Hz	250Hz	500Hz	1.000Hz	2.000Hz	4.000Hz	8.000Hz	16.000Hz
			1 kHz	2 kHz	4 kHz	8 kHz	16 kHz

Da notare come ciascuna frequenza sia il doppio della precedente

Per conoscere e analizzare il proprio spettro acustico consiglio di utilizzare l'app gratuita Bosch iNVH. Basterà selezionare Calibration per vedere quali sono le frequenze dominanti della propria voce.

Il Tempo di Riverberazione Ottimale

Il valore migliore di tempo di riverberazione di un ambiente è definito come Tempo di Riverberazione Ottimale.
Per una stanza rettangolare in cui il parlato è l'elemento chiave e la frequenza di riferimento è 1000 Hz questo valore si calcola come:

Dove:
V è il volume della stanza
k è un valore che varia da 0,3 a 0,4
n è un valore che varia tra 6 e 9

Cambiando questi valori si ottengono dei valori massimi e minimi i quali identificano un range nel quale dovrà ricadere il Tempo di Riverberazione della nostra stanza.

ESEMPIO
Per una stanza 5x4 alta 3m con i valori k=0,3 e n=6 il Tempo di Riverberazione Ottimale risulta essere 0,59 secondi.
Cambiando i valori, possiamo identificare un valore minimo (0,47s) e massimo (0,79s) in cui questo tempo risulta accettabile.

La misurazione del Tempo di Riverberazione

Per eseguire la misurazione del Tempo di Riverberazione di un ambiente si può andare in due direzioni: una è ingegneristica ed attendibile ma fa perdere tanto tempo, a volte inutilmente, ed è macchinosa; l'altra è decisamente più semplice da realizzare, è approssimata ma per quello che serve a noi è più che sufficiente.

Di seguito le riporto entrambe per completezza e per far capire (o intuire) la logica con cui si è arrivati a certe formule.

A) MODALITÁ INGEGNERISTICA

Sono sufficienti i seguenti componenti:

• un microfono (in questo caso è lo stesso utilizzato da voi e nella stessa posizione di quando registrate)
• un altoparlante abbastanza potente collegata a un PC posizionato nella vostra postazione
• uno strumento di acquisizione e registrazione delle onde sonore. Anche qui consiglio Bosch iNVH poiché esporta i dati in .CSV per Excel
• cuffie protettive (perché i suoni generati potrebbero causare danni)

La procedura standard prevede di scegliere di volta in volta una frequenza (è preferibile valutare soprattutto le frequenze con maggiore intensità sul vostro spettro acustico):

• registrare tramite l'app l'Overall Level;
• far emettere una determinata frequenza tra quelle presenti in questa playlist e portare l'intensità riportata sull'app a 100dB;
• dopo che l'intensità si è stabilizzata bisogna interrompere istantaneamente l'emissione acustica (evitando ulteriori suoni accidentali);
• attendere che si raggiunga lo stato di quiete sonora;
• terminare la registrazione e salvare il file;
• aprire i dati in Excel e calcolare quanto tempo è stato necessario per avere un decadimento da 100dB a 40dB

Questo valore ottenuto è il Tempo di Riverberazione per la specifica frequenza analizzata detto anche τ60 (perché è il tempo necessario per abbassare l'intensità acustica di 60dB).

Se il rumore di fondo della stanza è superiore ai 40dB e quindi il decadimento non andrà mai sotto questo valore allora è sufficiente estrapolare il valore del Tempo di Riverberazione ipotizzando un comportamento analogo al di sotto dei 40dB.

Ecco un esempio di estrapolazione che può essere fatta anche stampando il grafico di Excel:

B) MODALITÁ SEMPLIFICATA

La formula che segue (chiamata Formula di Sabine) è un approccio totalmente empirico basato sul procedimento inverso che determina questo valore del Tempo di Riverberazione (τ60) basandoci sui materiali che rivestono la stanza.
Questo approccio semplificato tende a sottostimare il Tempo di Riverberazione (venendoci apparentemente incontro).

Dove:
V è il volume della stanza
α è il coefficiente di assorbimento del materiale di cui è composta la stanza
S è la superficie della stanza (compresi pavimenti e soffitti)

Ovviamente in una stanza sono presenti differenti materiali (pareti spoglie, pareti con mobili, pavimenti liberi, pavimenti con tappeti . . .) e quindi a denominatore andrà inserita la somma(toria) delle singole componenti moltiplicate per il relativo coefficiente di assorbimento.

Dato che la formula di Sabine ci viene incontro è opportuno non inserire nel calcolo tutto il mobilio ma limitarsi alle porzioni di parete spoglie/arredate senza calcolare eventuali sporgenze degli arredi o cose simili.

Ecco una tabella con i più comuni coefficienti di assorbimento (ovviamente suddivisi in base alle differenti frequenze)

MATERIALE	125 Hz	250 Hz	500 Hz	1 kHz	2kHz	4kHz
Parete con intonaco rustico	0,36	0,44	0,31	0,29	0,39	0,25
Parete stuccata pitturata	0,10	0,05	0,06	0,07	0,09	0,08
Pavimento in ceramica	0,01	0,01	0,015	0,02	0,02	0,02
Pavimento marmo	0,01	0,01	0,01	0,02	0,02	0,02
Pavimento in legno	0,15	0,11	0,10	0,07	0,06	0,07
Controsoffitto in gesso	0,01	0,015	0,02	0,03	0,04	0,05
Finestre a vetri	0,10	0,04	0,03	0,02	0,02	0,02
Porta in legno	0,12	0,11	0,10	0,09	0,08	0,07
Tenda in cotone (0,48 kg/mq)	0,30	0,12	0,15	0,27	0,37	0,42
Tappeto pesante	0,02	0,06	0,14	0,37	0,60	0,65
Moquette	0,05	0,05	0,10	0,20	0,45	0,65
Arredi in legno	0,03	0,03	0,05	0,05	0,05	0,05

ESEMPIO:
Abbiamo una stanza 5x4 alta 3m con:

Elemento	Superficie [mq]	Coeff. Ass. [Hz]	S⋅α [Hz⋅mq]
armadio di 3,6x2,3	8,28	0,05	0,414
libreria 1,2x2	2,4	0,05	0,120
mobile 1x1,3	1,3	0,05	0,065
tenda 1,4x2,7	3,78	0,27	1,021
tappeto 1,5x1,5	2,25	0,37	0,833
porta 0,9x2,2	1,98	0,09	0,178
pavimento 5x4	17,75	0,02	0,355
soffitto	20	0,07	1,400
pareti spoglie	36,26	0,07	2,538
TOTALE			6,924

Con un volume di 60mc il τ60 per frequenze pari a 1kHz risulta essere 1,39 secondi (come visto in precedenza il range di accettabilità è tra 0,47s e 0,79s).
Bisognerebbe quindi trattare acusticamente la stanza per abbassare questo valore.

Trattamento dell'Ambiente

Per ridurre il rumore in un ambiente bisogna:

• Individuare un posto silenzioso (Di solito ci dobbiamo accontentare di quello che abbiamo)
  L'isolamento dai rumori esterni in questo caso fa affidamento alla densità del materiale (più è denso e meno è attraversabile dal suono). Quindi qualora dovessimo costruirci ex novo una stanza dovremmo assicurarci di realizzare delle pareti massive, finestre con vetri doppi e magari avere una bella siepe fuori casa in modo da assorbire i rumori provenienti dalla strada.

• Dissipare l'energia sonora interna alla stanza (Su questo punto invece possiamo intervenire)
  Per il trattamento per la correzione dei rumori interni si fa affidamento alla porosità del materiale (più è poroso e maggiore è l'assorbimento sonoro).

Tipologia di trattamento	Risultato
Pannelli porosi/Tende/Tappeti	Attenuano le frequenze alte
Pannelli perforati/Pannelli ad alette	Attenuano le frequenza basse

A) PANNELLI POROSI

Fanno parte di questa famiglia i pannelli semirigidi in fibra di vetro rivestiti con tessuti per migliorarne l'aspetto e la gommapiuma a celle aperte che è un materiale esteticamente più accattivante e di facile montaggio a scapito però di prestazioni peggiori.

L'aumento di spessore di questi prodotti aumenta l'efficacia di assorbimento solo delle frequenze basse (sotto i 500 Hz).
È superfluo scegliere il tipo di pannello basandosi sulla densità del materiale poiché, all'aumentare di questa, si vedono pochi e scarsi miglioramenti sulle basse (tra 125-250Hz) e le alte frequenze (1-4kHz).
Se si vuole aumentare l'assorbimento alle basse frequenze è molto importante che i pannelli siano distanziati dalla parete retrostante (distanziandolo di 7,5cm si può avere un assorbimento pari al doppio dello stesso pannello montato sulla parete).

B) TENDE E TESSUTI

Il panno è un fonoassorbente la cui efficacia è direttamente proporzionale alla sua densità e varia in base alla distanza dalla parete retrostante.

Un elemento determinante per aumentare la prestazione di una tenda è l'area pieghettata del tessuto; poiché quanto più sono profonde le pieghe tanto maggiore sarà l'assorbimento da parte del tessuto stesso. Solitamente la pieghettatura si calcola sugli 8/8 del tessuto, quindi una pieghettatura a 5/8 significa che i 3/8 del tessuto sono stati usati per questa funzione.

La distanza dalla parete retrostante per attenuare una determinata frequenza può essere scelta mediante una semplice formula:

Dove:
λ è la distanza dalla parete
v vale 344 (è la velocità del suono)
f è la frequenza che dobbiamo attenuare

ESEMPIO:
La distanza ideale di una tenda dalla parete per schermare una frequenza di 500Hz è 17,2cm

È curioso sapere che qualora la tenda fosse messa ad una distanza dalla parete pari al doppio o alla metà del valore trovato in precedenza (quindi 34,4cm o 8,6cm) l'efficienza della tenda a schermare i 500Hz sarà la minima assoluta. Per questo motivo bisogna essere precisi.

C) TAPPETI

I tappeti sono utili per assorbire le frequenze alte ma non riescono ad assorbire adeguatamente le frequenze minori di 1kHz, creando una differenziazione di trattamento acustico. Quindi bisogna sapere che aggiungendo una moquette non risolviamo completamente il problema.

Il tipo di tappeto è determinante per le prestazioni di assorbimento:

• il classico tappeto domestico assorbe bene le alte frequenze e male quelle basse (inefficace tra i 125-250Hz; molto efficace tra i 500Hz-4kHz)
• un tappeto di velluto invece ha prestazioni inferiori del precedente ma più omogenee (con un inefficacia tra i 125-250Hz)
• un tappeto di velluto con il retro in lattice ha un comportamento estremamente squilibrato (il più inefficace di tutti tra i 125-500Hz e il più efficace di tutti tra 1-4kHz)

Per aumentare l'efficacia per le basse frequenze è utile affidarsi a un sottotappeto (in feltro o misto feltro/schiuma che gioca un ruolo decisivo per le prestazioni di assorbimento del tappeto.

D) PANNELLI PERFORATI

Questo genere di pannelli servono soprattutto per contrastare le frequenze basse; infatti i fori presenti sulla superficie funzionano da risonatori di Helmholtz. Posteriormente sono posti dei pannelli in fibra di vetro.

In commercio esistono tantissime varietà di questi pannelli ma quasi tutti assorbono le frequenze medio alte.
Per contrastare le frequenze basse è necessario eseguire un lavoro artigianale: Con un pannello spesso 4mm e fori da 5,5mm distribuiti omogeneamente con un fattore di bucatura dello 0,18% si andranno ad assorbire le frequenze di 125Hz; con una percentuale dello 0,79% quelle da 300Hz; con l'1,4% quelle da 350Hz.

E) ASSORBITORI AD ALETTE

Questo genere di assorbitori risonanti somigliano a persiane con alle spalle pannelli in fibra di vetro.

La regola principale è: quanto più strette sono le fessure e quanto più profonda la cavità, tanto più bassa è la frequenza di assorbimento che andremo a trattare.

Disposizione dei Materiali

Si è visto che a parità di superficie assorbente, se la si dispone tutta su un'unica parete si ottiene un risultato peggiore rispetto a suddividere la stessa superficie su pareti differenti; questo comportamento arriva a raddoppiare la riduzione del tempo di riverberazione. Per questo motivo è consigliabile distribuire i materiali fonoassorbenti su tutte le pareti della stanza (magari comprendendo anche i pavimenti e soffitti).

Bisogna avere cura che pareti non trattate non siano mai le une difronte alle altre.

Se si impiegano diversi tipi di assorbitori è consigliabile disporli uno per tipo su ogni parete, in modo che ciascuna direzione risenta del trattamento di essi. Nei locali rettangolari risulta più efficace posizionare il materiale fonoassorbente negli angoli e lungo i bordi della stanza.

È buona norma disporre il materiale assorbente (soprattutto per le frequenze alte) alla stessa altezza della testa di chi parla.

Questi comportamenti riescono a favorire anche una migliore diffusione del suono.

[giorgiotave]

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