Sound Radiation and Sound Transmission in Building Structures: Numerical Modelling and Experimental Validation

L'efficienza di radiazione è un importante descrittore, dipendente dalla frequenza, necessario come dato di input nella maggior parte dei modelli di calcolo; questo parametro caratterizza la capacità di una struttura di convertire l'energia vibrazionale in energia sonora nel fluido circostante. Diversi autori hanno presentato formulazioni analitiche o approssimate per valutare l'efficienza di radiazione, di strutture omogenee isotrope, alternative all’utilizzo di metodi numerici. Tuttavia, le strutture ortotrope non sono state studiate così approfonditamente. In questa dissertazione sono presentati due diversi modelli di calcolo, appositamente sviluppati per determinare l'efficienza di radiazione di strutture edilizie ortotrope, come i pannelli in legno cross-laminato (CLT). I meccanismi di radiazione sonora da parte di una struttura vibrante sono fortemente influenzati dalla natura della forzante che induce il campo vibrazionale. Pertanto, sono stati considerati sia l'azione di una forzante meccanica agente sul pannello, sia un campo acustico incidente. Utilizzare dei dati di input affidabili per l'implementazione dei modelli è fondamentale per ottenere dei risultati accurati. Inoltre è stata sviluppata una procedura sperimentale non distruttiva per determinare la rigidezza flessionale dinamica di una piastra ortotropa, in funzione della direzione di propagazione dell'onda vibrazionale, ottenendo così dati di input affidabili necessari a una corretta modellazione. I metodi previsionali per una piastra ortotropa sono stati validati attraverso i dati ottenuti da misure sperimentali su pannelli in CLT. Al momento non esiste una procedura standardizzata per la determinazione sperimentale dell'efficienza di radiazione. Inoltre, questo descrittore acustico non è direttamente misurabile, ma deve essere determinato da altre grandezze: la potenza sonora totale irradiata e la velocità quadratica media di vibrazione del pannello. Pertanto è stata investigata la determinazione di queste grandezze secondo diversi approcci, evidenziandone vantaggi, limitazioni e come influenzano l'efficienza di radiazione. Le strutture eccitate da un campo acustico incidente sono generalmente analizzate in termini di isolamento acustico, invece che radiazione sonora. L'isolamento acustico viene calcolato in funzione del coefficiente di trasmissione, definito come il rapporto tra la potenza sonora incidente sulla superficie eccitata e la potenza sonora irradiata nell'ambiente ricevente. La trasmissione sonora attraverso diversi materiali può essere modellata con il metodo delle matrici di trasferimento. Questo metodo è stato implementato per determinare l'isolamento acustico fornito da un pannello in CLT, modellato come una piastra sottile ortotropa e validando i risultati confrontandoli con i dati ottenuti sperimentalmente. Inoltre, è stato sviluppato un modello generale, implementato con il metodo delle matrici di trasferimento, per simulare la trasmissione sonora attraverso delle strutture multistrato, tenendo in considerazione la presenza di connessione meccaniche. Il modello può essere applicato a strati di diversa natura: solidi elastici, piastre sottili ortotrope, fluidi e materiali poroelastici. I diversi meccanismi di radiazione sonora, associati al tipo di eccitazione esterna, giocano un ruolo chiave in questo approccio. Il modello è stato validato confrontandone i risultati con i dati sperimentali misurati su un sistema ETICS (External Thermal Insulation Composite System). Viene proposta una tecnica di omogeneizzazione, sviluppata per pareti in muratura, ma potenzialmente applicabile a qualunque partizione, per determinazione delle proprietà meccaniche, necessarie per una corretta modellazione dell’elemento con il metodo delle matrici di trasferimento, in funzione dell'isolamento acustico sperimentale.

The radiation efficiency is an important acoustic descriptor, frequency dependent, that characterises the capability of a vibrating structure to radiate sound, and it is required as input data in many prediction models. Several analytical or approximated formulations have been proposed, by different authors, to evaluate the radiation efficiency of isotropic elements, as an alternative to numerical method. However, orthotropic structures have not been investigated as thoroughly. In this dissertation different models specifically developed to evaluate the radiation efficiency of orthotropic building structures, such as cross-laminated timber (CLT) plates, are presented. Even though CLT panels' dynamics is sometimes investigated by using high order theories, like in structural analysis for example, in the vibro-acoustic investigations presented in this dissertation, they have been treated as thin orthotropic plates, under the assumption of small displacements. The nature of the external excitation strongly influences the radiation behaviour, therefore either a mechanical force or an incident sound field have been considered acting on the plate surface. A non-destructive experimental procedure, based on wave analysis, has been developed, in order to evaluate the direction dependent dynamic stiffness properties of orthotropic structures, obtaining reliable input data. The prediction models for orthotropic panels are finally validated with the experimental radiation efficiency evaluated for a CLT plate. A standard procedure to experimentally determine the radiation efficiency of a structure is not currently available. Since this acoustic descriptor is not directly measurable, it has to be evaluated form other quantities, such as the total radiated sound power, and the mean square velocity of the vibrating surface. Therefore different methods to experimentally determine these quantities have been compared, highlighting advantages, limitations and their influence on the radiation efficiency. Acoustically excited building elements are usually analysed in terms of sound transmission loss. It is computed from the transmission coefficient, defined as the ratio of the sound power incident on the excited surface, to the sound power transmitted through the partition and radiated in the receiving side. Sound transmission through different materials can be modelled by means of the transfer matrix method. The transmission loss of a CLT panel has been evaluated modelling the structure as an equivalent orthotropic thin plate. The results are validated with experimental data. Further, a general model to predict sound transmission through multilayer elements considering the presence of mechanical connections has been developed within the transfer matrix framework. The model, based on the decoupled approach, takes into account airborne and structure-borne transmission paths as independent additive contributions. The model can be applied to layers of different nature: elastic solid, orthotropic thin plate, fluid, and poroelastic. The different radiation mechanisms associated to excitations of different nature play a key role in this approach. A homogenisation technique, specifically developed for masonry brick wall but generally valid for any kind of wall, has been proposed to obtain the equivalent elastic properties of the partition, that one has to know in order to implement the transfer matrix method. The elastic properties of an equivalent homogeneous element are derived by means of a numerical procedure, based on a minimisation algorithm, as a function of the measured transmission loss. The decoupled model is finally validated with the experimental transmission loss measured on an External Thermal Insulation Composite System (ETICS), constituted by a masonry wall clad with high-density mineral wool slabs. Moreover, its applicability to lightweight structures, such as double-wall systems, is verified.