Sviluppo di una finestra metamateriale con ventilazione e attenuazione acustica ottimizzata

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 (ciò 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. [Testo dell'editore].

Noise reduction is a key factor regarding indoor comfort and energy-smart Architecture and Engineering. In most cases, occupants of the building must choose between a naturally ventilated indoor environment or a quiet one. On the other side, acoustic metamaterials (AMMs) have recently found interesting applications in ventilation ducts by conjugating innovation and sustainability. Previous research conducted by the author has proved AMM-based windows to be a resourceful way to address both natural ventilation and reduce the incoming noise propagation ergonomically (i.e. with design which is optimised for the use of the final user); however, the effective spectral range lacked in the lower frequencies (50-350 Hz). This study aims, therefore to implement the previous model with an ergonomic full-scale acoustic metawindow (AMW).

The metamaterial system is enhanced by doubling the original resonating volume and coupling it with a wave length resonator. According to the parametric numerical FEM analysis (already assessed in previous experiments) over the opening ratio of the AMW (going from 3 to 33%) the TL related to the window is improved overall by 70% on the frequency range from 50 to 350 Hz. Such results encourage the use of new AMMs ergonomic windows in place of standard ones to achieve both natural ventilation and noise attenuation in the hearing main spectrum, being resourceful for domestic, sanitary, and public applications. This work is part of the author's PhD thesis led between Sheffield University (UK) and the A*STAR – Institute of High Performance Computing (SG), which reports a multidisciplinary methodology to implement acoustic metamaterial (AMM) technology in window design to allow noise insulation and natural ventilation simultaneously.

The PhD thesis includes results from Social and Natural Sciences, Ergonomic, Numerical, Analytical and Experimental investigations to draw a full-scale window prototype using AMMs. The so-called acoustic metawindow (AMW) allows TL of 10-60dB on a significant frequency range for human hearing (50-5000 Hz) in an open configuration while allowing sufficient natural ventilation. In addition, the AMW is proven to positively impact the indoor environment from both physical and human perception points of view, thanks to its ergonomic and psychoacoustic nature. This PhD project has opened a new AMMs field of investigation that is not limited to noise reduction but also includes outdoor acoustic stimuli optimisation towards a more comprehensive indoor comfort. [Publisher's Text].