Sound-responsive 3D spacers for time-changing signal-to-noise ratio improvement in multiple-sound sources conditions. The canteen establishment at Politecnico di Milano

Abstract According to the definition of 3D textiles that stand the presence of two or more yarn layers, the 3D spacers (from here on 3DSF) are characterized by two horizon-tal layers and a vertical one named pile. This intrinsic structure led to a wide ap-plication in several fields including AEC. The acoustic performance, explored in the frame of the fellowship call, finds a deep interest in the literature. The systematic review of acoustic performance for normal sound incidence under-lines the challenging behaviour compared to traditional acoustic material. The analy-sis of multi-directional incidence is run at a spatial scale by taking into consideration a real case study. The space of this analysis is an example of the consolidated de-mand for designing multipurpose spaces: the Polimi canteen establishment. The presence of multiple sources emitted by kitchen facilities and users’ speech leads to an important level of acoustic discomfort during working time. This is measured and analysed with several measurements that helped to obtain a reliable simulation model. A comparison between scenario 1 (with classic acoustic material in the false ceiling) and scenario 2 (with a 3D spacer in the same position) shows a deep im-provement (in scenario 2) in reverberation time (According to the UNI ISO 11532:2-2022). Nevertheless, the analysis in the time domain shows some limitations in control-ling the signal-to-noise ratio (SNR) and therefore the speech intelligibility. Accord-ing to Rindel, the SNR is the difference between the ambient noise level L (N, A) (dB) and the equivalent continuous A-weighted sound pressure level of the direct sound in front of a speaker one meter far from the mouth, L (S, A, 1m) (dB). The higher the number of speaking people, the higher the L(N, A) (dB) and the L(S, A, 1m), increasing the Lombard effect, and making difficult to communicate with consequently causing low comfort and satisfaction of the diners. A passive traditional approach regards two solutions that can improve the SNR: the decreasing of L(N, A) by increasing the amount of absorbing surface in the space. the “protection” of the conversation area by bouncing away the disturbing sound rays coming from other sources and by absorbing the same rays. Moreover, Rindel identifies six ranges in which the SNR are defined from “very good” to “very bad”. The equivalent continuous A-weighed sound pressure level (SPL) considers the value of SPL in a specific time and, if we consider this value every 15 minutes, we see that in scenario 2 (with 3D spacer in the false ceiling) the per-centage of SNR in “very bad” range occurs in almost the 50% of the time analysed and it is not so far from the values getting from scenario 1. Therefore, a passive approach to Italian regulation (UNI ISO 11532:2-2020) con-siders the RT parameter but 'it doesn't fulfil the necessity of a good conversation in the space according to Rindel. The thesis intends to explore if sound-responsive 3D spacers can add effective re-sults in coping with the time-changing variations of the SNR and, in this way, in-crease acoustic comfort by increasing the speech intelligibility and the SPL in the kitchen. Responsiveness in architecture is adopted to optimize and make more effective the function of specific systems in respect to time-changing inputs (such as sound). In the context of sound responsiveness, the passive strategies can be en-hanced: By changing the inclination of reflective surfaces to orient the sound rays away from the listener. -By either decreasing or increasing the distance between absorbing material and annoying sound sources. In the case study the thesis demonstrates that since the occurrence of several conversations at the same time, the first strategy cannot be pursued since this can cause an increase of SPL in other conversation areas. Instead, the second strategy is adopted by working only on the distance between absorbing the 3DSF surface and annoying sound sources. Considering the best scenario (with the noise of the kitchen and one speaker) and the worst scenario (with the higher number of speakers) the geometry of the 3D spacer fabric mounted in the false ceiling of the canteen is explored ac-cording to several modes to bend and decrease the distance with the speaker. The acoustic simulation in the time domain is performed with one of the most used 3D modelling software Mcneel Rhinoceros 7 and the specific plug-in, Pach-yderm (in Grasshopper environment). This choice is led by the idea of allowing architects to be able to apply responsive behaviour in the design process. A spe-cific algorithm is developed based on the impulse response approach, exploits the component of the add-on Pachyderm for acoustics simulation and adds a specific part to control the Rindel’s theory. The analysis shows a deep improvement in the percentage of SNR values in the six ranges defined by Rindel. The Sufficient, satisfactory, and good ratio per-centages are increased by all 25% and none of the SNRs is in the very bad range. The research outcomes demonstrate the consistent effect a sound responsive behaviour can have in a multi-purpose space such as a canteen in which good speech comprehension has to be provided. A passive behaviour of acoustic sur-face in space is still economically convenient but base and applied research in sound responsiveness can overcome this barrier. Moreover, companies that pro-vide acoustic panels can have a key role in experimenting with these systems in real case studies. For this reason, future implementation of this research should deal with the construction of a prototype and test it at a spatial scale.

I tessuti spaziale tridimensionali sono una sottocategoria dei tessuti 3D e sono definiti rispetto alla loro struttura composta da due layer orizzontali e uno verti-cale. Questa struttura consente di avere un ampio spettro di applicazione nelle discipline afferenti all’architettura e ambiente costruito. In particolare, in lettera-tura si scorge un importante interesse nelle prestazioni legati all’acustica. Sviluppando una comparazione delle prestazioni alla scala del campione (tra-mite misurazioni in condizioni di incidenza normale in tubo di impedenza) e alla scala spaziale, il tessuto 3D spaziale presenta dei limiti e delle potenzialità nell’applicazione dell’aumento nel confort acustico di spazi confinati. Da una parte, infatti, le caratteristiche della struttura di connessione tra i vari strati consente di ottenere un rapporto coefficienti di fonoassorbimento e densità paragonabili ai più comuni materiali acustici utilizzati in architettura. Dall’altra la comparazione la prestazione a livello architettonico, considerando un caso studio evidenzia i limiti di un tipico materiale fonoassorbimento. Tali considerazioni supportano il progetto di tesi per un approccio attivo del con-trollo del confort acustico di uno spazio tramite l’implementazione di un com-portamento responsivo del tessuto spaziale 3D. Il caso studio considerato è una mensa (del Politecnico di Milano) in quanto è caratterizzata dalla presenza di più sorgenti nello stesso momento costituito dal funzionamento della cucina e vista e dal parlato delle persone, comporta un elevato livello di pressione sonora e una conseguente incremento della sensazione di disconfort. Questa osservazione è stata verifica grazie a misurazioni in situ. I valori ottenuti da tali misurazioni sono stati utilizzati per definire un modello 3D di simulazione affidabile. Tale modello è stato utilizzato per comparare uno scenario in cui è stato considerato un mate-riale acustico tradizionale e uno scenario con un tessuto spacer 3D nella stessa posizione. Entrambi gli scenari sono stati valutari rispetto ai valori di tempo di riverberazione e confrontati con i target definiti dagli standard italiani. Tale anali-si sottolinea dei limiti nel definire il reale disconfort dello spazio. Infatti, dovendo garantire anche un elevato livello di comprensione del parlato per le persone presenti ai tavoli, l’applicazione della teoria di Rindel ha dimostra-to uno scarso rapporto tra il rumore di fono e i livello del parlato a 1 m dall’oratore. L’aumento del numero di persone parlanti comporta un incremento del rumore di fono e dell’effetto Lombard, aumentando la difficoltà nella com-prensione del parlato. Un approccio passivo per richiederebbe due metodologie per affrontare tale problematica. Da una parte lavorare con l’utilizzo di superfici riflettenti che, tramite una variazione di inclinazione, che consentirebbe un allentamento delle onde dall’evento acustico. L’altra strategia richiederebbe un aumento o una di-minuzione della quantità di materiale fonoassorbente. L’analisi del caso studio dimostra come la prima strategia non riuscirebbe ad avere un reale effetto sulla contemporaneità degli eventi acustici in quanto la semplice riflessione causerebbe delle concentrazioni di pressione sonora in altri punti della mensa. Per tale motivo, l’analisi evidenzia l’efficacia della seconda strategia. Tale strategia è stata verificata per i due scenari estremi considerando l’utilizzo di uno specifico tessuto spacer. Il caso in cui è presente solo una perso-na parlante e il rumore di fondo della cucina e il caso con il numero più alto di persone parlanti. Un’analisi della tipologia di movimento del tessuto ha evidenziato l’efficacia di un movimento che consente di avvicinare il tessuto alla persona parlante. Tale analisi dinamica è stata sviluppata tramite l’add on Pachyderm presente in ambiente grasshopper di Mcneel Rhinocoers 7. La scelta di tale software è sta-ta guidata dalla volontà di riuscire a controllare tale comportamento tramite un software largamente usate da studi di architettura e ingegneria. Inoltre, l’altra scelta discriminante si è basata sulla capacità di tale software di sviluppare dei codici custom made per gli obiettivi dell’analisi. Infatti, ai componenti definiti all’interno di Pachyderm, è stata implementata una specifica sezione dedicata all’analisi secondo la teoria di Rindel. La verifica dello scenario peggiore evidenzia un incremento del 25% dei valori di rapporti segnale rumore e una riduzione dei valori nella fascia considerata “ve-ry bad”. Tale incremento è affiancato anche da un miglioramento dei valori del tempo di riverbero. Tale verifica ha consentito di dimostrare un consistente effetto di un compor-tamento responsivo rispetto a variazioni acustico nel dominio del tempo e in condizioni della contemporaneità di differenti eventi acustici. Una strategia passivo è ancora economicamente conveniente, ma la ricerca di base e applicata sulla su comportamenti responsivi può superare questa barriera. Inoltre, le aziende che forniscono pannelli acustici possono avere un ruolo chiave nella sperimentazione di questi sistemi in casi di studio reali. Per questo motivo, la futura implementazione di questa ricerca dovrebbe riguardare la costruzione di un prototipo e la sua sperimentazione su scala architettonica.