Salta al menu principale di navigazione Salta al contenuto principale Salta al piè di pagina del sito
FrancoAngeli Journals

Articoli Scientifici

V. 47 N. 2 (2023)

Lo Sviluppo di una finestra metamateriale con ventilazione e attenuazione acustica ottimizzata

DOI
https://doi.org/10.3280/ria2-2023oa15499
Inviata
27 February 2023
Pubblicato
14-02-2024

Abstract

La riduzione del rumore è un fattore fondamentale riguardo al comfort abitativo ed all’efficienza architettonica ed ingegneristica. Nella maggior parte dei casi, le persone che occupano gli edifici sono forzate a scegliere tra un ambiente ventilato naturalmente e uno silenzioso. D’altra parte, i metamateriali acustici (AMMs) hanno recentemente trovato interessanti applicazioni nelle condotte di ventilazione coniugando innovazione e sostenibilità. Precedenti studi dell’autrice hanno dimostrato che le finestre basate sui AMMs riescono a coniugare ventilazione naturale e attenuazione del rumore in entrata in modo ergonomico (cioè con una forma ottimizzata per l’utilizzo da parte dell’utente finale); tuttavia, risultava particolarmente scarso l’effetto di attenuazione acustica alle frequenze più basse (50-350 Hz). Questo studio si propone quindi di implementare il modello precedente con una metafinestra acustica ed ergonomica a grandezza naturale (AMW). Il sistema metamateriale viene potenziato raddoppiando il volume di risonanza originale e accoppiandolo con un risonatore che agisce a 3/4 della lunghezza d’onda. Secondo l’analisi parametrica numerica FEM (già validata in precedenti esperimenti) sulla percentuale di apertura dell’AMW (da 3 a 33%) il Transmission Loss (TL) relativo alla finestra è migliorato complessivamente del 70% sull’intervallo di frequenze da 50 a 350 Hz. Tali risultati incoraggiano l’uso di nuove finestre ergonomiche metamateriali al posto di quelle standard per ottenere sia la ventilazione naturale che l’attenuazione del rumore nello spettro principale dell’udito, essendo risorse per applicazioni domestiche, sanitarie e pubbliche.

Questo lavoro fa parte della tesi di dottorato dell’autrice condotta tra la Sheffield University (UK) e l’A*STAR – Institute of High Performance Computing (SG), la quale riporta una metodologia multidisciplinare per implementare la tecnologia dei metamateriali acustici (AMMs) nella progettazione di finestre che permettano contemporaneamente l’isolamento acustico e la ventilazione naturale. La tesi di dottorato include i risultati delle indagini in Scienze Sociali e Naturali, Ergonomiche, Numeriche, Analitiche e Sperimentali per sviluppare un prototipo di finestra in scala reale utilizzando i AMMs. La cosiddetta metafinestra acustica (AMW) consente una TL di 10-60 dB su un intervallo di frequenza significativo per l’udito umano (50-5000 Hz) in una configurazione aperta, pur consentendo una ventilazione naturale sufficiente. Inoltre, l’AMW ha dimostrato di avere un impatto positivo sull’ambiente interno dal punto di vista della percezione sia fisica che umana grazie alla sua natura ergonomica e psicoacustica. Questo progetto di dottorato ha aperto un nuovo campo di indagine sui AMMs che non si limita alla riduzione del rumore, ma include anche l’ottimizzazione degli stimoli acustici esterni verso un comfort interno più completo.

Riferimenti bibliografici (comprensivi di DOI)

  1. Harvie-Clark, J.; Chilton, A.; Conlan, N.; Trew, D. Assessing Noise with Provisions for Ventilation and Overheating in Dwellings. J. Build. Serv. Eng. Res. Technol. 2019, 40, 263-273, doi:10.1177/0143624418824232.
  2. Public Health England Review and Update of Occupancy Factors for UK Homes; London, 2018.
  3. Fusaro, G.; Kang, J. Participatory Approach to Draw Ergonomic Criteria for Window Design. Int. J. Ind. Ergon. 2021, 82, doi:10.1016/j.ergon.2021.103098.
  4. Tang, S.K. A Review on Natural Ventilation-Enabling Façade Noise Control Devices for Congested High-Rise Cities. Appl. Sci. 2017, 7, doi:10.3390/app7020175.
  5. Du, L.; Lau, S.K.; Lee, S.E.; Danzer, M.K. Experimental Study on Noise Reduction and Ventilation Performances of Sound- Proofed Ventilation Window. Build. Environ. 2020, 181, 107105, doi:10.1016/j.buildenv.2020.107105.
  6. Lam, B.; Shi, D.; Belyi, V.; Wen, S.; Gan, W.S.; Li, K.; Lee, I. Active Control of Low-Frequency Noise through a Single Top-Hung Window in a Full-Sized Room. Appl. Sci. 2020, 10, doi:10.3390/app10196817.
  7. Asdrubali, F.; Buratti, C. Sound Intensity Investigation of the Acoustics Performances of High Insulation Ventilating Windows Integrated with Rolling Shutter Boxes. Appl. Acoust. 2005, 66, 1088–1101, doi:10.1016/j.apacoust.2005.02.001.
  8. Kang, J.; Brocklesby, M.W. Feasibility of Applying Micro-Perforated Absorbers in Acoustic Window Systems. Appl. Acoust. 2005, 66, 669-689, doi:10.1016/J.APACOUST.2004.06.011.
  9. Wang, X.; Luo, X.; Yang, B.; Huang, Z. Ultrathin and Durable Open Metamaterials for Simultaneous Ventilation and Sound Reduction. Appl. Phys. Lett 2019, 115, 171902, doi:10.1063/1.5121366.
  10. De Salis, M.H.F.; Oldham, D.J.; Sharples, S. Noise Control Strategies for Naturally Ventilated Buildings. Build. Environ. 2002, 37, 471-484, doi:10.1016/S0360-1323(01)00047-6.
  11. Pan, L.; Martellotta, F. A Parametric Study of the Acoustic Performance of Resonant Absorbers Made of Micro-Perforated Membranes and Perforated Panels. Appl. Sci. 2020, 10, doi:10.3390/app10051581.
  12. Carbajo, J.; Ghaffari Mosanenzadeh, S.; Kim, S.; Fang, N.X. Sound Absorption of Acoustic Resonators with Oblique Perforations.
  13. Appl. Phys. Lett. 2020, 116, doi:10.1063/1.5132886.
  14. Zhou, Y.; Li, D.; Li, Y.; Hao, T. Perfect Acoustic Absorption by Subwavelength Metaporous Composite. Appl. Phys. Lett. 2019, 115, doi:10.1063/1.5107439.
  15. Li, D.; Jiang, Z.; Li, L.; Liu, X.; Wang, X.; He, M. Investigation of Acoustic Properties on Wideband Sound-Absorber Composed of Hollow Perforated Spherical Structure with Extended Tubes and Porous Materials. Appl. Sci. 2020, 10, 1-11, doi:10.3390/app10248978.
  16. Yu, X. Design and In-Situ Measurement of the Acoustic Performance of a Metasurface Ventilation Window. Appl. Acoust. 2019, 152, 127–132, doi:10.1016/j.apacoust.2019.04.003.
  17. Kumar, S.; Lee, H.P. Labyrinthine Acoustic Metastructures Enabling Broadband Sound Absorption and Ventilation. Appl. Phys. Lett. 2020, 116, doi:10.1063/5.0004520.
  18. Jiménez, N.; Groby, J.-P.; Pagneux, V.; Romero-García, V. Iridescent Perfect Absorption in Critically-Coupled Acoustic Metamaterials Using the Transfer Matrix Method. Appl. Sci. 2017, 7, 618, doi:10.3390/app7060618.
  19. Zhang, J.; Romero-García, V.; Theocharis, G.; Richoux, O.; Achilleos, V.; Frantzeskakis, D.J. Dark Solitons in Acoustic Transmission Line Metamaterials. Appl. Sci. 2018, 8, doi:10.3390/app8071186.
  20. Shen, C.; Xie, Y.; Li, J.; Cummer, S.A.; Jing, Y. Acoustic Metacages for Sound Shielding with Steady Air Flow. J. Appl. Phys. 2018, 123, 124501, doi:10.1063/1.5009441.
  21. Jiménez, N.; Romero-García, V.; Pagneux, V.; Groby, J.P. Rainbow-Trapping Absorbers: Broadband, Perfect and Asymmetric Sound Absorption by Subwavelength Panels for Transmission Problems. Sci. Rep. 2017, 7, 1-12, doi:10.1038/s41598-017-13706-4.
  22. Kumar, S.; Xiang, T.B.; Lee, H.P. Ventilated Acoustic Metamaterial Window Panels for Simultaneous Noise Shielding and Air Circulation. Appl. Acoust. 2020, 159, 107088, doi:10.1016/j.apacoust.2019.107088.
  23. Shao, C.; Xiong, W.; Long, H.; Tao, J.; Cheng, Y.; Liu, X. Ultra-Sparse Metamaterials Absorber for Broadband Low-Frequency Sound with Free Ventilation. J. Acoust. Soc. Am. 2021, 150, 1044-1056, doi:10.1121/10.0005850.
  24. Lam, B.; Shi, C.; Shi, D.; Gan, W.S. Active Control of Sound through Full-Sized Open Windows. Build. Environ. 2018, 141, 16-27.
  25. Lim, H.S.; Kim, G. The Renovation of Window Mechanism for Natural Ventilation in a High-Rise Residential Building. Int. J. Vent. 2018, 17, 17-30, doi:10.1080/14733315.2017.1351733.
  26. Sorgato, M.J.; Melo, A.P.; Lamberts, R. The Effect of Window Opening Ventilation Control on Residential Building Energy Consumption. Energy Build. 2016, 133, 1-13, doi:10.1016/j.enbuild.2016.09.059.
  27. Fusaro, G.; Yu, X.; Lu, Z.; Cui, F.; Kang, J. A Metawindow with Optimised Acoustic and Ventilation Performance. Appl. Sci. 2021, 11, 1–16, doi:10.3390/ app11073168.
  28. Fusaro, G.; Kang, J.; Asdrubali, F.; Chang, W.-S. Assessment of Acoustic Metawindow Unit through Psychoacoustic Analysis and Human Perception. Appl. Acoust. 2022, doi:https://doi. org/10.1016/j.apacoust.2022.108885.
  29. Fusaro, G.; Yu, X.; Kang, J.; Cui, F. Development of Metacage for Noise Control and Natural Ventilation in a Window System. Appl. Acoust. 2020, 170, 107510, doi:10.1016/j.apacoust.2020.107510.
  30. Fusaro, G.; Yu, X.; Cui, F.; Kang, J. Full-Scale Metamaterial Window for Building Application. In Proceedings of the Inter-Noise 2020; Seoul, 2020.
  31. Yu, X.; Lu, Z.; Liu, T.; Cheng, L.; Zhu, J.; Cui, F. Sound Transmission through a Periodic Acoustic Metamaterial Grating. J. Sound Vib. 2019, 449, 140–156, doi:10.1016/j.jsv.2019.02.042.
  32. Fusaro, G. Development of a Window System with Optimised Ventilation and Noise-Reduction Performance: An Approach Using Metamaterials., University of Sheffield, 2022.

Metriche

Caricamento metriche ...