Potere fonoisolante: linearità ed effetto coincidenza

A frequenze molto più grandi di  () si nota una deviazione dalle leggi di massa, ed in particolare un’altra serie di risonanze dovute al cosiddetto “effetto coincidenza”.

Consideriamo il problema della trasmissione del suono attraverso una parete divisoria di spessore piccolo rispetto alla lunghezza d’onda del suono nel materiale della parete () quando l’onda acustica incide obliquamente.

 

Deformazione flessionale di un pannello dovuto a un’onda sonora che incide obliquamente.

 

Al propagarsi dell’onda i massimi ed i minimi di pressione si muovono lungo il pannello forzando la deformazione a muoversi lungo l’asse : in questo modo nel pannello si propaga un’onda “flessionale”.

Per un pannello di spessore  la rigidità  alla flessione si misura in  ed è

 

                                                                                                                                (18)

 

dove  è il modulo di Young (grandezza caratteristica di un materiale pari al rapporto tra la forza applicata sull’area di applicazione e l’allungamento relativo), e  è il coefficiente di Poisson (pari al rapporto tra deformazione trasversale e deformazione longitudinale).

Altro parametro caratteristico del materiale è rappresentato dalla velocità  di propagazione delle onde longitudinali nel pannello. In ogni direzione del piano del pannello si ha

 

                                                                                                                          (19)

 

dove  è la densità superficiale di massa per millimetro di spessore.

L’equazione delle onde di flessione di un pannello libero da forze esterne derivanti dal fluido circostante, ossia non sottoposto ad alcun campo sonoro, è

 

                                                                           (20)

 

dove  è lo spostamento trasversale del pannello, ovvero lo spostamento lungo la direzione  della figura, assunto funzione della sola . Cerchiamo soluzioni dell’equazione differenziale (20) che rappresentano onde armoniche che si propagano lungo , ovvero del tipo  dove  è la velocità di propagazione delle possibili onde di flessione. Sostituendo nell’equazione differenziale (20) si ha

 

                                                 (21)

 

e, ricordando le definizioni (18) e (19),

 

.                                                             (22)

 

La relazione di dispersione (22), che lega la velocità di propagazione dell’onda flessionale alla sua frequenza, sottolinea che sono possibili soltanto quelle onde armoniche flessionali che si propagano nel pannello con velocità .

            Ora, se il pannello è immerso in un fluido nel quale si propaga un’onda incidente su di un lato del pannello occorre includere nell’equazione delle onde elastiche le forze dovute alle pressioni delle onde incidente, riflessa e trasmessa

 

.                                                                                                     (23)

 

Procedendo inizialmente in modo analogo a quanto visto nel caso di pannello libero da forze esterne si ottiene

 

.                                                                                           (24)

 

L’elasticità del pannello non modifica la condizione di continuità per la velocità delle particelle, quindi è ancora valida la relazione (5), , che, combinata con la relazione (24), fornisce il seguente coefficiente di trasmissione della pressione

 

                                                                                                  (25)

 

dove  ( è la velocità dell’onda incidente) è la componente lungo la parete della velocità dell’onda incidente: quando essa coincide con la velocità , di propagazione del modo flessionale del pannello, il coefficiente di trasmissione diventa uguale ad  ed il potere fonoisolante tende a . Questo effetto è chiamato “effetto coincidenza”.

A frequenze sufficientemente basse () l’espressione (25) si riduce all’espressione (14) per  da cui si ottiene la legge della massa per incidenza obliqua (15), mentre ad alte frequenze  le curve del potere fonoisolante salgono rapidamente al di sopra dei valori della legge della massa perché il moto del pannello è dominato dalla costante elastica piuttosto che dalla massa. Si è soliti caratterizzare la condizione di coincidenza con la frequenza  alla quale avviene: ponendo  si ha

 

;                                                                                                                         (26)

 

la più bassa frequenza  alla quale si ha la coincidenza è per :

 

.                                                                                                                                     (27)

 

Usando (26) e (27) si può infine scrivere il potere fonoisolante della parete, valido per , esplicitando la sua dipendenza dall’angolo di incidenza  dell’onda sonora

 

.                                             (28)