I “buchi neri acustici” del legno come trappole per i rumori

Chiunque viva in un vecchio edificio con pavimenti in legno conosce il problema: anche se i vicini del piano di sopra scivolano sul pavimento con graziosa eleganza, pochi metri più in basso sembra di vivere sotto una pista da bowling.
Il suono degli impatti è una sfida anche per gli edifici in legno più moderni e recenti. Come cercare di ovviare al problema? Gli scienziati dell’EMPA stanno ora elaborando una soluzione.
Ai Laboratori Federali Svizzeri per la Scienza e la Tecnologia dei Materiali, si sta infatti completando una ricerca che rappresenta una novità mondiale nel campo dell’isolamento acustico degli edifici lignei.
Utilizzando una teoria fisica degli Anni 90 del secolo scorso e gli strumenti dell’attuale trasformazione digitale, un team di ricerca ha sviluppato i nuovi elementi di un pavimento in pannelli di legno massiccio che presentano i cosiddetti “buchi neri acustici”.
La geniale idea è stata di Stefan Schoenwald, responsabile del Laboratorio di Acustica Architettonica dell’EMPA a Dübendorf.
Da quando è stata pubblicata per la prima volta nel 1987, la teoria dei “buchi neri acustici” è stata presentata più volte in occasione di conferenze e pubblicazioni scientifiche.
Secondo lo scienziato russo M. A. Mironov dell’Istituto di Acustica “Andreyev” di Mosca, una rientranza parabolica in un materiale può assorbire le vibrazioni come i rumori e farle “risuonare”, mandandole in risonanza: in altre parole, “inghiottirle”.
I “buchi neri acustici” sono già stati utilizzati nelle automobili e sugli aerei, dove il loro effetto di riduzione del suono è stato confermato.
Tuttavia, non è facile fabbricarli con materiali molto sottili e duri.

I benefici della frutta secca per abbassare il colesterolo

Gli incavi di Mironov mai utilizzati nella costruzione di edifici

Né nella costruzione del legno né nell’acustica degli edifici sono mai stati condotti esperimenti con gli incavi di Mironov.
Il responsabile del laboratorio Stefan Schoenwald e il suo collega Sven Vallely stanno ora cambiando questa situazione.
In Svizzera i due ricercatori vogliono utilizzare i nuovi elementi di pannelli in legno a strati incrociati per migliorare l’isolamento acustico da impatto nelle costruzioni lignee.
Così come esistono onde sonore nell’aria, lo stesso fenomeno si verifica nei materiali, le cosiddette onde sonore trasmesse dalla struttura.
“Quando si colpisce un pavimento, è come lanciare un sasso in uno stagno: le onde sonore si propagano in tutte le direzioni all’interno del materiale”, ha spiegato Schoenwald.
Quando una depressione lenticolare viene scavata nel materiale secondo una specifica funzione matematica, le onde sonore viaggiano in quest’area.
Nel corso di tale processo, le ampiezze continuano ad amplificarsi, mentre le lunghezze d’onda delle oscillazioni diminuiscono.
“Se si potessero rendere le lastre infinitamente sottili nell’area di queste depressioni, le onde sonore si esaurirebbero da sole in questi ‘buchi neri’, ragione per cui dalla lente non uscirebbe nulla”, ha aggiunto lo scienziato.
Tuttavia, ci si chiede se l’effetto di riduzione del suono si verificherebbe anche con una profondità limitata dell’incavo, perché “spessori di materiale infinitamente sottili”, come richiederebbe la teoria matematica, non sono realizzabili nella pratica.

Così in Svizzera anche i funghi hanno imparato a… scrivere

La più recente tecnologia informatica rende fattibile la scienza

L’idea di sperimentare i “buchi neri acustici” nelle strutture in legno è venuta a Schoenwald mentre stava lavorando. Ha chiesto al suo collega Vallely di simulare e calcolare al computer l’effetto di riduzione del suono.
Per eliminare le preoccupazioni statiche, è stata chiesta la valutazione di Andrea Frangi, esperto di costruzioni in legno del Politecnico di Zurigo.
Non soltanto il suo feedback si è rivelato promettente, ma anche la modellazione al computer del metodo di riduzione del suono è apparsa interessante.
Stefan Schoenwald ha quindi commissionato un prototipo e un normale pannello di controllo dello stesso materiale all’azienda di costruzioni in legno Strüby AG di Seewen, nel Canton Svitto.
Utilizzando una macchina CNC, lo specialista di costruzioni in legno Alex Bellmont ha fresato con precisione dimensionale la cavità lenticolare in un pannello di legno lamellare incrociato.
“Un ordine come questo non è molto difficile da realizzare, ma è ancora più emozionante per i motivi alla base della richiesta”, ha detto il macchinista. “Non ho infatti mai realizzato qualcosa che poi sia stato oggetto di studio”.
Le due piastre, una “con” e una “senza” “buchi neri acustici”, sono state sottoposte a un’analisi delle vibrazioni presso l’EMPA.
In questa misurazione, il suono viene condotto nel corpo di prova sotto forma di vibrazione sull’intero spettro sonoro.
Un laser misura la vibrazione dei pannelli di prova in uno schema a griglia in diversi punti.
I valori misurati possono poi essere utilizzati per calcolare come la vibrazione si muove attraverso la lastra e se le ammaccature fresate “catturano” effettivamente il suono e lo dissipano sotto forma di calore.

C’è un drone che si “arrampica” sugli alberi per proteggerli

Migliori prestazioni di isolamento dai rumori con meno… peso

Dieci anni or sono, una simile serie di esperimenti non sarebbe stata fattibile.
Anche modellare la vibrazione di un piccolo intervallo di banda avrebbe comportato un’ardua dissertazione in termini di sforzo computazionale.
Oggi Stefan Schoenwald e Sven Vallely calcolano l’intero spettro acustico in un pomeriggio e rendono immediatamente visibili le vibrazioni sotto forma di visualizzazione.
L’obiettivo dell’esperimento è verificare se i risultati simulati corrispondono ai valori misurati.
In fondo, se il modello computerizzato corrisponde alla realtà, tutti i possibili parametri possono essere modificati al computer quasi gratuitamente, senza dover realizzare ogni volta una nuova piastra di prova.
In questo modo, la riduzione del suono può essere calcolata per gli elementi in legno di tutto il mondo senza dover fare esperimenti che richiedono molto tempo.
Ciò significa che la riduzione del suono può essere ottimizzata per elementi in legno di tutte le dimensioni e geometrie possibili senza dover fare esperimenti che richiedono molto tempo.

Paolo Cherubini: “Così ‘stano’ gli strumenti musicali falsi”

Fra modelli matematici e realtà, scollamenti del solo 5 per cento

Nei risultati dei test, i valori misurati concordano molto bene con i calcoli del modello.
Stefan Schoenwald è molto soddisfatto di una deviazione di appena il 5 per cento circa.
“Questa deviazione può essere spiegata attraverso la produzione dei pannelli e la variazione naturale delle caratteristiche del legno”, ha aggiuto Vallely.
Ora seguiranno nuovi test con i pannelli di prova prodotti a Seewen: “Attualmente stiamo lavorando sulle misurazioni del suono causato da impatti, che stiamo eseguendo in conformità alle specifiche degli standard internazionali. Il passo successivo è quello di confermare le proprietà antincendio e strutturali”, ha spiegato Schoenwald.
Questi ulteriori test mirano a garantire che i pannelli in legno a strati incrociati non soltanto isolino il suono almeno al livello standard di mercato, ma ottengano anche tutte le certificazioni necessarie per l’impiego in edilizia.

In Svizzera nuove norme per un’agricoltura più sostenibile

Come funzionano i pannelli fra massa, rigidità e smorzamento

Stefan Schoenwald descrive così il funzionamento dei pannelli. “Quando isolo il suono da impatto, devo tenere conto contemporaneamente di tre proprietà: la massa del componente da un lato, la sua rigidità e il suo smorzamento dall’altro. Rigidità e smorzamento si contraddicono: un componente morbido può essere smorzato bene, un componente rigido meno bene”.
Schoenwald fa un esempio: “I classici soffitti in legno massiccio sono sia leggeri che rigidi: in questo caso si combinano due proprietà sfavorevoli”.
Una possibile soluzione consiste nell’aumentare la massa del componente. Nelle moderne case in legno, gli architetti installano quindi spessi strati di ghiaia per appesantirli.
In questo modo, i soffitti in legno hanno meno probabilità di vibrare se un adulto vi cammina sopra o un bambino saltella in casa. Schoenwald e Vallely adottano però un approccio diverso.
“Rendiamo i soffitti in legno molto morbidi in alcuni punti, in modo che possano vibrare con maggiore intensità. In questi punti, smorziamo specificamente le vibrazioni con una piccola quantità di sabbia o ghiaia”, ha illustrato Schoenwald.
Lo stesso materiale, ovvero i piccoli sassi, serve in questo caso a uno scopo completamente diverso: “Nel nostro caso, la ghiaia non serve per appesantire. Si suppone, in effetti, che si muova e converta le vibrazioni in calore grazie al suo attrito interno”.
Il risultato: un soffitto in legno con “buchi neri acustici” è molto più leggero di un soffitto convenzionale, ma smorza molto meglio i rumori da impatto.
E la rigidità strutturalmente vantaggiosa dell’intero impianto del soffitto viene mantenuto.

Così in Svizzera i robot “apprendono” i segreti del trekking

A.A.A. cercasi partner industriale per un “acoustic black hole”

La ricerca sui “buchi neri acustici” è sostenuta finanziariamente dai fondi per la tecnologia ambientale dell’Ufficio Federale dell’Ambiente (UFAM).
Dall’idea iniziale ai risultati attuali, l’intero progetto ha richiesto soltanto 24 mesi circa.
Una volta completata la serie di test, gli scienziati vogliono ancora sviluppare un metodo che indichi automaticamente la migliore disposizione e forma dei “buchi neri acustici” in base alle dimensioni e alla forma del pavimento desiderate.
Questo renderebbe il metodo applicabile da parte di architetti e ingegneri civili che vogliono applicare il rivoluzionario metodo di smorzamento direttamente nelle case di nuova costruzione.
L’unica cosa che manca adesso è un partner industriale interessato a produrre e distribuire i “buchi neri acustici” per i moderni edifici in legno.

Catturato in Vallese lo… stress invisibile di una foresta