In Empa è attualmente in fase di completamento la ricerca su una novità mondiale nell'isolamento acustico degli edifici in legno. Utilizzando una teoria fisica degli anni '90 e gli strumenti della digitalizzazione, un team di ricerca ha sviluppato nuovi elementi per pavimenti realizzati con pannelli di legno massiccio che presentano i cosiddetti buchi neri acustici. L'idea è nata da Stefan Schoenwald, capo del laboratorio di Building Acoustics dell'Empa a Dübendorf. Ha incontrato la teoria dei buchi neri acustici diverse volte in conferenze e pubblicazioni scientifiche da quando è stata pubblicata per la prima volta nel 1987. Secondo lo scienziato russo M.A. Mironov dell'Andreyev Acoustics Institute di Mosca, un recesso parabolico in un materiale può assorbire vibrazioni come suono e consenti loro di risuonare, in altre parole, ingoiarli. I buchi neri acustici sono già stati utilizzati in automobili e aerei, dove il loro effetto di riduzione del suono è stato effettivamente confermato.

Tuttavia, realizzarli con materiali molto sottili e duri non è facile. Né nelle costruzioni in legno né nell'acustica degli edifici sono mai stati sperimentati i recessi di Mironov. Questo è ora cambiato dal responsabile del laboratorio Stefan Schoenwald insieme al suo collega Sven Vallely. I due ricercatori vogliono utilizzare nuovi elementi di pannelli in legno lamellare incrociati per migliorare l'isolamento acustico da impatto nelle costruzioni in legno.

Proprio come ci sono onde sonore nell'aria, ci sono onde sonore nei materiali, le cosiddette onde sonore trasmesse dalla struttura. "Quando colpisci un pavimento, è come lanciare un sasso in uno stagno:le onde sonore si propagano in tutte le direzioni nel materiale", spiega Schoenwald. Quando una depressione lenticolare viene fresata dal materiale secondo una specifica funzione matematica, le onde sonore viaggiano in quest'area. Nel processo, le ampiezze continuano ad amplificarsi, mentre le lunghezze d'onda delle oscillazioni diminuiscono. "Se potessi rendere le lastre infinitamente sottili nell'area di queste depressioni, le onde sonore sarebbero effettivamente morte da sole in questi 'buchi neri', quindi nulla verrebbe fuori dall'obiettivo", ha detto Schoenwald. Tuttavia, era discutibile se l'effetto di riduzione del suono si sarebbe verificato anche con una profondità limitata della rientranza, perché "spessori di materiale infinitamente sottili", come richiederebbe la teoria matematica, non sono fattibili nella pratica.

La più recente tecnologia informatica lo rende possibile

L'idea di sperimentare i buchi neri acustici nelle strutture in legno è venuta a Stefan Schoenwald mentre stava lavorando. Ha chiesto al suo collega Vallely di simulare e calcolare l'effetto di riduzione del suono sul computer. Per evitare problemi di statica, è stato chiesto la sua valutazione ad Andrea Frangi, un esperto di costruzioni in legno presso l'ETH di Zurigo. Non solo il suo feedback è stato promettente, ma anche la modellazione computerizzata della riduzione del suono. Così Schoenwald ha commissionato un prototipo e un normale pannello di controllo dello stesso materiale all'impresa di costruzioni in legno Strüby AG a Seewen. Utilizzando una macchina CNC, lo specialista in costruzioni in legno Alex Bellmont ha fresato la cavità lenticolare da un pannello di legno lamellare con precisione dimensionale. "Un ordine come questo non è molto difficile, ma è tanto più eccitante per questo", dice il macchinista, "Non ho mai realizzato qualcosa che sia stato poi studiato".

Le due lastre, una con e una senza buchi neri acustici, sono state sottoposte ad un'analisi delle vibrazioni presso l'Empa. In questa misurazione, il suono viene condotto nel corpo di prova come una vibrazione sull'intero spettro sonoro rilevante. Un laser misura la vibrazione dei pannelli di prova in uno schema a griglia in più punti. I valori misurati possono quindi essere utilizzati per calcolare come si muove la vibrazione attraverso la piastra e se le ammaccature fresate "catturano" effettivamente il suono e lo fanno dissipare sotto forma di calore.

Migliori prestazioni di isolamento con meno peso

Dieci anni fa, una simile serie di esperimenti non sarebbe stata fattibile. Anche la modellazione della vibrazione di un piccolo intervallo di larghezza di banda è stata una dissertazione in termini di sforzo computazionale. Oggi Schoenwald e Vallely calcolano l'intero spettro acustico in un pomeriggio e rendono le vibrazioni immediatamente visibili come visualizzazione. L'obiettivo dell'esperimento è esaminare se i risultati simulati corrispondono ai valori misurati. Dopotutto, se il modello del computer corrisponde alla realtà, tutti i parametri possibili possono essere modificati sul computer quasi gratuitamente, senza dover fare ogni volta una nuova piastra di prova. In questo modo, la riduzione del suono può essere calcolata per elementi in legno in tutto il mondo senza lunghe sperimentazioni. Ciò significa che la riduzione del suono può essere ottimizzata per elementi in legno di tutte le dimensioni e geometrie possibili senza lunghe sperimentazioni.

Risultato dei test:I valori misurati concordano molto bene con il calcolo del modello. Stefan Schoenwald è molto soddisfatto di una deviazione di solo il 5 percento circa. Questa deviazione può essere spiegata dalla produzione delle tavole e dalla variazione naturale del legno, aggiunge Vallely. Seguiranno ora i prossimi test con i pannelli di prova prodotti a Seewen:"Stiamo attualmente lavorando alle misurazioni del rumore da impatto, che stiamo eseguendo in conformità con le specifiche degli standard internazionali. Il prossimo passo è confermare la protezione antincendio e le proprietà strutturali, " spiega Schoenwald. Questi ulteriori test hanno lo scopo di garantire che i pannelli in legno lamellare non solo insonoriscono almeno a livello standard di mercato, ma ottengano anche tutte le certificazioni necessarie per l'uso in edilizia.

Come funziona

Stefan Schoenwald descrive come funzionano le schede in questo modo. "Quando si isola il rumore da impatto, devo tenere a mente tre proprietà contemporaneamente:la massa del componente da un lato, la sua rigidità e smorzamento dall'altro. Rigidità e smorzamento si contraddicono a vicenda:un componente morbido può essere smorzato beh, una componente rigida meno bene." Schoenwald fa un esempio:"I soffitti classici in legno massiccio sono sia leggeri che rigidi, quindi qui si combinano due proprietà sfavorevoli". Una possibile via d'uscita è aumentare la massa del componente. Nelle moderne case di legno, gli architetti installano quindi spessi strati di ghiaia per la ponderazione. In questo modo, i soffitti in legno hanno meno probabilità di vibrare se un adulto li attraversa o un bambino rimbalza per casa.

Schoenwald e Vallely stanno adottando un approccio diverso. "Rendiamo i soffitti in legno extra morbidi in alcuni punti in modo che possano vibrare in modo più forte lì. In questi punti, smorzamo specificamente le vibrazioni con una piccola quantità di sabbia o ghiaia", spiega Stefan Schoenwald. Lo stesso materiale, vale a dire la ghiaia, ha qui uno scopo completamente diverso:"Nel nostro caso, la ghiaia non è lì per la ponderazione. Invece, dovrebbe muoversi e convertire le vibrazioni in calore attraverso il suo attrito interno".

Il risultato:un soffitto in legno con buchi neri acustici è molto più leggero di un soffitto convenzionale e tuttavia smorza molto meglio il suono dell'impatto. Viene mantenuta la rigidità strutturalmente vantaggiosa dell'intera struttura del soffitto. + Esplora ulteriormente

Una vite che può dimezzare il livello del suono percepito