L’Empa sta attualmente completando la ricerca su una novità mondiale nell’isolamento acustico degli edifici in legno. Utilizzando una teoria fisica degli anni ’90 e le risorse della tecnologia digitale, un team di ricerca ha sviluppato nuovi elementi per pavimenti in pannelli di legno massiccio che presentano i cosiddetti buchi neri acustici. L’idea è di Stefan Schoenwald, responsabile del laboratorio di acustica architettonica dell’Empa di Dübendorf. Dalla sua prima pubblicazione nel 1987, ha incontrato più volte la teoria dei buchi neri acustici in conferenze e pubblicazioni scientifiche. Secondo l’autore russo M.A. Mironov dell’Istituto di acustica Andreyev di Mosca, una cavità parabolica in un materiale può assorbire le vibrazioni come il suono e farle risuonare - in altre parole, inghiottirle. I buchi neri acustici sono già stati utilizzati nelle automobili e negli aerei e il loro effetto di riduzione del rumore è stato confermato.
Tuttavia, la produzione di materiali molto sottili e duri non è semplice. Non sono mai stati effettuati esperimenti con i fori di Mironov, né nell’edilizia in legno né nell’acustica degli edifici. Il direttore del laboratorio Stefan Schoenwald e il suo collega Sven Vallely stanno cambiando questa situazione. I due ricercatori vogliono migliorare l’isolamento acustico delle costruzioni in legno con nuovi tipi di elementi in compensato.
Così come esistono onde sonore nell’aria, esistono anche onde sonore nei materiali, le cosiddette onde sonore allo stato solido. "Quando si cammina su un pavimento, è come lanciare un sasso in uno stagno: nel materiale, le onde sonore si propagano in tutte le direzioni", spiega Stefan Schoenwald. Se nel materiale viene fresato un incavo a forma di lente secondo una specifica funzione matematica, le onde sonore si propagano in quest’area. Le ampiezze diventano quindi sempre più amplificate, mentre la lunghezza d’onda delle vibrazioni diminuisce. "Se le lastre potessero essere rese infinitamente sottili in queste cavità, le onde sonore si estinguerebbero effettivamente da sole in questi ’buchi neri’, così che nulla uscirebbe dalla lente", spiega Stefan Schoenwald. Si trattava tuttavia di stabilire se l’effetto fonoassorbente si sarebbe verificato anche con una profondità limitata dell’incavo, poiché "spessori di materiale infinitamente sottili", come richiesto dalla teoria matematica, non sono realizzabili nella pratica.
L’idea di sperimentare i buchi neri acustici nelle costruzioni in legno è venuta a Stefan Schoenwald durante il suo lavoro. Ha chiesto al suo collega Sven Vallely di simulare e calcolare al computer l’effetto di riduzione del rumore. Per eliminare i dubbi statici, ha chiesto il parere di Andrea Frangi, esperto di costruzioni in legno del Politecnico di Zurigo. Non solo il suo parere, ma anche la modellazione al computer della riduzione del rumore era promettente. Stefan Schoenwald ha quindi ordinato un prototipo e un normale pannello di controllo nello stesso materiale all’azienda di costruzioni in legno Strüby AG di Seewen. Utilizzando una macchina CNC, lo specialista di costruzioni in legno Alex Bellmont ha fresato su misura la cavità lenticolare in un pannello di compensato. "Non ho mai fatto qualcosa che poi si può ricercare", dice il macchinista, "non è molto difficile, ma è ancora più eccitante".
Entrambe le piastre, una con e una senza fori neri acustici, sono state sottoposte a un’analisi delle vibrazioni presso l’Empa. In questa misurazione, il suono viene inviato sotto forma di vibrazione attraverso il corpo di prova sull’intero spettro sonoro rilevante. Un laser misura la vibrazione delle piastre di prova in diversi punti di una griglia. I valori misurati possono poi essere utilizzati per calcolare come le vibrazioni si muovono attraverso la piastra e se gli incavi fresati "catturano" effettivamente il suono e lo fanno dissipare sotto forma di calore.
Risultati dell’analisi: i valori misurati corrispondono molto bene ai calcoli del modello. Con una deviazione di solo circa il 5%, Stefan Schoenwald è molto soddisfatto. Questo scostamento può essere spiegato dalla produzione dei pannelli e dalla variazione naturale del legno", aggiunge Sven Vallely. Il passo successivo è il collaudo dei pannelli di prova prodotti a Seewen: "Al momento stiamo misurando il rumore da impatto, secondo gli standard internazionali. Il passo successivo sarà la conferma delle proprietà antincendio e statiche", spiega Stefan Schoenwald. Questi ulteriori test dovrebbero garantire che i pannelli di legno a strati incrociati non solo isolino il rumore almeno al livello consueto sul mercato, ma ottengano anche tutte le certificazioni necessarie per il loro utilizzo in edilizia.
Stefan Schoenwald descrive il funzionamento dei pannelli come segue. "Per l’isolamento acustico da impatto, devo tenere conto di tre caratteristiche contemporaneamente: la massa dell’elemento costruttivo da un lato, la sua rigidità e il suo smorzamento dall’altro. Rigidità e smorzamento sono opposti: un elemento costruttivo morbido può essere ben smorzato, un elemento costruttivo rigido meno. Stefan Schoenwald fa un esempio: "I pavimenti in legno massiccio tradizionali sono sia leggeri che rigidi: in questo caso si combinano due proprietà sfavorevoli. Una possibile soluzione consiste nell’aumentare la massa dell’elemento costruttivo. Nelle moderne case in legno, gli architetti utilizzano quindi spessi strati di ghiaia per appesantirle. In questo modo è più facile che i pavimenti in legno vibrino se un adulto ci cammina sopra o un bambino salta da una parte all’altra della casa.
Stefan Schoenwald e Sven Vallely hanno optato per una soluzione diversa. "Rendiamo i pavimenti in legno particolarmente morbidi in alcuni punti, in modo che possano vibrare con particolare intensità. In questi punti, smorziamo le vibrazioni in modo mirato con una piccola quantità di sabbia o ghiaia", spiega Stefan Schoenwald. Lo stesso materiale, la ghiaia, ha uno scopo completamente diverso: "Per noi la ghiaia non è lì per appesantire. Dovrebbe invece muoversi e convertire la vibrazione in calore attraverso l’attrito interno.
Il risultato è che un pavimento in legno con fori neri acustici è molto più leggero di un pavimento convenzionale, e allo stesso tempo offre un’attenuazione del suono d’impatto significativamente migliore. La rigidità dell’intera struttura del pavimento, vantaggiosa per la costruzione, viene così mantenuta.
La ricerca sui buchi neri acustici è sostenuta finanziariamente dalla Promozione della tecnologia ambientale dell’Ufficio federale dell’ambiente (UFAM). Dall’idea iniziale ai risultati attuali, l’intero progetto ha richiesto solo circa 24 mesi. Una volta completata la serie di test, gli scienziati intendono sviluppare un processo che indichi automaticamente la disposizione e la forma migliore dei buchi neri acustici in base alle dimensioni e alla forma desiderate del terreno. Il metodo sarebbe quindi disponibile anche per architetti e ingegneri edili che desiderano utilizzare il rivoluzionario metodo di smorzamento direttamente nelle case di nuova costruzione. Manca solo un partner industriale interessato alla produzione e alla distribuzione di buchi neri acustici per i moderni edifici in legno.
