Computational acoustic design. Enhancing indoor acoustics through performance-based design and digital manufacturing

Acoustics is a factor of crucial importance for the built environment and our lives, which influences strongly our well-being in indoor environments. Despite its importance, the design for sound is not addressed in the current practice and properly integrated into the development of the architectural design. This leads to poor acoustic comfort in general and makes the implementation of acoustic solutions very difficult, especially for existing buildings. This research engages with the fundamental relationship between the sound, the listener and the architectural boundary and investigates how can advanced computational technologies contribute to making the acoustic design for existing interiors more accessible and intuitive for architects and designers. Taking advantage of advancements in performance-based design and digital fabrication, the thesis focuses on advancing the field with theoretical and methodological investigations for computationally enhanced acoustic design, as well as engage with instrumental analysis, experimental prototypes and the developments of digital workflows for the simulation-based design of indoor acoustic interfaces. The work involves the use of digital tools for characterising and monitoring the sound field of interiors; the exploration of a novel eco-composite material based on wood and cork that controls variable acoustic properties within the same system through a laboratory sound analysis and simulation; the development of integrated computational design workflows that tune the acoustic response of architectural interiors by controlling the absorption, reflection and diffusion properties of tailored acoustic surfaces; the digital manufacturing of prototypes. As the main goal of my research is born from envisioned future scenarios where design for sound is embedded in the design process itself, and acoustics solutions are adequate to occupants needs, the highest fidelity result is given by placing the object in the actual environment and monitoring the new interactions. For this reason, a full-scale demonstrator is developed, installed and its performance evaluated on-site. The architectural acoustics design seen from the perspective of the architect/designer is a complex problem because it lies across two disciplines (room acoustics and interior design), and because it does not contain a single solution but many diverse answers. The findings of the doctoral works indicate that, through integrated computational design methods, it is possible to achieve highly tailored acoustic design solutions that account for spatial, material and users activity interdependencies. The methodological and experimental results of this work are paving the way for the generation of a new class of acoustic interfaces that can be applied in various indoor spaces, and contribute to a fundamental improvement of the acoustic comfort in existing spaces.

L'acustica è un fattore di importanza cruciale per l'ambiente costruito che influenza fortemente il benessere delle persone negli ambienti interni. Nonostante questo, la progettazione acustica non è adeguatamente integrata nello sviluppo del progetto architettonico degli ambienti convenzionali. Ciò comporta scarsi livelli di comfort negli ambienti architettonici, e rende particolarmente complicata l'implementazione di soluzioni acustiche efficaci per gli edifici esistenti. Per rispondere a questa esigenza, questa ricerca dottorale si confronta con la relazione fondamentale tra suono, spazio architettonico e persone, e indaga come progetto tecnologie sviluppate tramite un approccio computazionale contribuiscano a rendere la progettazione acustica per spazi interni esistenti più accessibile per i progettisti. Sfruttando i progressi nella progettazione performance-based e nella fabbricazione digitale, la tesi si concentra sull'avanzamento metodologico della progettazione acustica, sperimentando un approccio innovativo da un punto di vista computazionale e strumentale, tramite lo sviluppo di prototipi sperimentali e nuovi flussi di lavoro digitali per la progettazione e simulazione degli ambienti interni. La tesi discute vari aspetti, tra cui (i) la descrizione e l’utilizzo di strumenti digitali per la caratterizzazione e il monitoraggio del campo sonoro degli interni tramite l’utilizzo di sensori; (ii) l'esplorazione di un nuovo materiale eco-composito a base di legno e sughero che controlla le proprietà acustiche variabili all'interno dello stesso sistema attraverso analisi in laboratorio e simulazioni; (iii) lo sviluppo di flussi di lavoro di progettazione computazionale integrati che sintonizzano la risposta acustica degli interni architettonici tramite il controllo delle proprietà di assorbimento, riflessione e diffusione di superfici acustiche personalizzate; (iv) l’introduzione di un una membrana acustica autoportante con caratteristiche acustiche data-driven ad alta personalizzazione; (v) la fabbricazione digitale di prototipi, dalla scale del materiale al mock-up; (vi) la realizzazione di una interfaccia acustica a membrana per ambienti interni, ovvero un dimostratore dell’approccio e degli avanzamenti tecnologici sviluppati nella tesi. Quest’ultimo è inserito ed analizzato in uno spazio di lavoro reale e valutato rispetto alle interazioni con gli utenti di questo spazio. Il progetto dell'acustica architettonica dal punto di vista dell'architetto/designer è un problema complesso situato a cavallo tra due discipline (indoor acoustics e interior design), il quale non prevede soluzioni univoche, ma risposte progettuali articolate. I risultati del dottorato indicano che, attraverso metodologie computazionali integrate, è possibile ottenere soluzioni di progettazione acustica altamente personalizzate che tengano conto delle interdipendenze spaziali, materiali e delle attività degli utenti. I risultati metodologici e sperimentali di questo lavoro aprono prospettive nella generazione di una nuova classe di interfacce acustiche, in grado di migliorare il comfort di un ambiente specifico, che potranno essere adottate in modo diffuso per il miglioramento degli spazi esistenti del benessere degli abitanti.