Acustica architettonica

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Acustica architettonica

L’acustica è un termine utilizzato per indicare la scienza del suono in generale, ma più comunemente usato in riferimento agli aspetti architettonici connessi alla realizzazione di ambienti chiusi in grado di valorizzare al massimo l’ascolto del parlato e della musica. L’acustica degli edifici è un aspetto della scienza del suono piuttosto trascurato fino a tempi relativamente recenti. La progettazione acustica degli ambienti deve tenere in considerazione, oltre alle caratteristiche fisiologiche dell’apparato uditivo umano, anche alcune peculiarità di natura psicologico-percettiva. Ad esempio, i suoni che non sono familiari a chi ascolta appaiono innaturali. Ogni ambiente architettonico ha una sua particolare acustica, ma la caratteristica sonora dominante che li accomuna è la coda sonora, o tempo di riverberazione. Con questa grandezza, misurati in secondi, si intende il tempo trascorso fra l’emissione di un segnale, che causa nella sala un certo livello acustico, e quando questo non è più udibile (convenzionalmente quando il livello sonoro si abbassa sotto i 60 dB). La cosiddetta sonorità di un ambiente è tanto maggiore quanto più lunga è la coda sonora. Naturalmente và tenuto conto dell’eventuale presenza del pubblico che, essendo molto fonoassorbente, in caso di sala piena, fa diminuire notevolmente il tempo di riverberazione. Anche se alcune osservazioni pertinenti sulla riverberazione dei suoni erano già state condotte da architetti dell’antica Roma, questi argomenti furono trattati rigorosamente dal punto di vista scientifico solo nel 1856, dal fisico statunitense Joseph Henry. La propagazione del suono è molto diversa in un ambiente chiuso o all’aperto. In una palestra, per esempio, il soffitto e ogni altra struttura in essa presente, fanno sì che le onde rimbalzino e producano l’effetto del rimbombo. All’esterno invece i suoni sembrano meno intensi perché non rinforzati dalle onde riflesse.
All’esterno invece i suoni sembrano meno intensi perché non rinforzati dalle onde riflesse.Il problema delle esecuzioni all’aperto è vecchio quanto il teatro greco: queste esecuzioni sono infestate da rumori di ogni specie. Anche se è facile sistemare delle superfici riflettenti vicino all’orchestra per permettere agli orchestrali di sentirsi l’un l’altro, è del tutto impossibile far arrivare al pubblico del suono per riverberazione, almeno non senza un sistema di amplificazione artificiale. Senza l’ausilio dell’elettronica la musica all’aperto non può suonare bene come in una sala da concerto. Sicuramente sarà più divertente, ma non dal punto di vista dell’acustica. Con semplici metodi geometrici, con l’ausilio di una parete riflettente collocata dietro l’esecutore e con l’impiego di particolari risonatori acustici cavi i Greci erano in grado di realizzare teatri all’aperto dotati di una buona acustica. Un ottimo esempio è il teatro greco costruito a Taormina nel III secolo.
Per quanto riguarda tempi più moderni, un tipico esempio di teatro all’aperto è l’Hollywood Bowl (un anfiteatro naturale sulle colline), uno dei rari esempi di utilizzazione dei una struttura funzionale e decorativa: operante come riflettore acustico ed integrata dalle condizioni naturali ambientali, essa consente l’audizione dei concerti in una platea di 20.000 persone e ospita numerosi eventi culturali .

Per presentare le migliori qualità acustiche un locale viene progettato in modo che la riflessione del suono sia relativamente intensa, senza tuttavia introdurre una eccessiva riverberazione di alcune frequenze, senza creare echi innaturali e senza produrre effetti indesiderati di interferenza e di distorsione. Echi spiacevoli possono spesso prodursi in un locale complessivamente dotato di una buona acustica se il soffitto o la parete hanno una forma leggermente concava e sono costituiti da un materiale molto riflettente; in questi casi il suono può essere focalizzato in un punto particolare, rendendo pessima l’acustica. D’altra parte, uno stretto corridoio tra pareti parallele riflettenti può intrappolare il suono in ripetute riflessioni e causare echi sgradevoli. L’acustica di una sala varia molto a seconda che sia piena di persone o vuota: le sedie non occupate riflettono il suono, mentre il pubblico lo assorbe. Per rendere meno importante questa differenza occorre adottare poltroncine molto assorbenti (imbottite, in velluto, ecc.), mentre sono sconsigliabili quelle in metallo. Inoltre con tendaggi pesanti scorrevoli e, dietro di essi, superfici riflettenti si può modificare di volta in volta il tempo di riverberazione nel locale. Per controllare il fenomeno della riverberazione, gli architetti dispongono di materiali fonoassorbenti e fonoriflettenti, con i quali rivestono il soffitto, le pareti e il pavimento. Alcuni materiali soffici, come il sughero e il feltro, assorbono la maggior parte delle onde sonore incidenti, ma possono riflettere parte dei suoni di bassa frequenza. Al contrario, i materiali duri, come la pietra e i metalli, sono in genere buoni riflettori.

Natura della parete
Coefficiente
apparente
di assorbimento
Intonaci duri sopra murature…………………………………………
0,02
Paramenti di mattoni; rivestimenti di gesso su legno e su tela;
calcestruzzo, vetrate ………………………………………………
0,025 – 0,035
Rivestimenti di legno duro (pino, ecc.)………………………………
0,06
Linoleum …………………………………………………………….
0,12
Tappeti, tendaggi e cortinaggi pesanti ………………………………
0,2-0,3
Pitture ad olio su tela, cornici, ecc. ………………………………….
0,3
Rivestimenti di sughero di 4-5 cm. di spessore ………………………
0,3
Feltro dello spessore di 2-3 cm……………………………………….
0,5-0,7
Finestra aperta ………………………………………………………..
1
Uditorio di persone (non troppo rado) ……………………………….
0,95
L’effetto sonoro di una sala è soddisfacente solo se si riesce a stabilire un bilanciamento adeguato tra assorbimento e riflessione. Per quanto riguarda gli ambienti chiusi bisogna tenere conto del fatto che non tutte le sale, dal lato acustico, hanno le stesse esigenze e possono essere studiate con gli stessi identici criteri. Bisogna quindi distinguere tra ambienti destinati alla voce parlata, alla musica, al canto, ecc..

Per aule di lezione, riunioni, conferenze, assemblee, ecc., vi è un limite dimensionale (corrispondente circa a 300 persone) oltre il quale non è possibile ottenere una buona audizione senza costringere l’oratore a dover troppo elevare il volume della voce. La necessità di un breve tempo di riverberazione obbliga, crescendo il volume, ad aumentare anche l’assorbimento delle superfici e così facendo la voce giunge molto indebolita ai posti più lontani. Ma il motivo principale di questo limite è l’inevitabile “rumore di fondo” (colpi di tosse, bisbigli, infiltrazioni di rumori esterni, ecc.), che cresce proporzionalmente al numero degli ascoltatori. Per una comunicazione orale svolta alla presenza di 500 persone (caso frequente nelle università, nei congressi politici, religiosi, economici, medici, ecc.) è quindi indispensabile amplificare elettroacusticamente la voce del conferenziere. A questo punto si ripresentano due strade: o la voce amplificata si somma a quella naturale, facendo avvicinare il più possibile le due sorgenti sonore; oppure, al limite, ogni ascoltatore ha il proprio altoparlante, di piccola potenza, o addirittura un ricevitore auricolare (cuffia). E’ chiaro che siamo di fronte a due opposti modi di diffusione del suono, ciascuno coi suoi pregi e i suoi difetti; nel primo caso, si ha una positiva coincidenza direzionale tra parola e immagine, ma la voce ha un tono assai poco gradevole (anche perché spesso i microfoni non sono correttamente situati e regolati); nel secondo caso, la comunicazione diretta viene ad essere in parte annullata distogliendo lo spettatore dall’attenzione che è necessaria per l’efficacia della comunicazione. Il buon successo di un congresso o di una conferenza è ormai affidato più all’abilità dei tecnici del suono che a quella dell’oratore. La diffusione della cultura e degli incontri a livello internazionale hanno portato alla necessità della traduzione simultanea dei discorsi degli oratori. In questo caso l’unica soluzione possibile è quella della comunicazione sonora individuale, mediante la quale ogni ascoltatore dotato di un proprio apparecchio ricevente, sceglie o l’ascolto diretto o la traduzione nella lingua che desidera. Piuttosto che un complesso o costoso sistema di fili, si preferisce adottare la trasmissione via radio, dotando ogni ascoltatore di una radiolina con l’applicazione auricolare.
Un altro tipo moderno di sala di questo genere è quella che oggi si costruisce per i planetari. In queste sale si deve poter chiaramente intendere la voce di chi spiega e dimostra la riproduzione dei fenomeni celesti, e d’altra parte è necessario che il soffitto dell’ambiente abbia la forma perfettamente emisferica per ottenere una regolare proiezione della volta celeste. Le onde sonore eccitate dalla voce dell’oratore vengono riflesse dalla cupola emisferica, convergendosi tutte su una piccola zona che si trova tra la sorgente sonora e il centro della cupola, creando così un’eco che disturba fortemente una parte dell’uditorio. Perciò si costruisce in genere la volta a cupola per mezzo di una leggera ossatura in ferro o in legno rivestendola di tela di lino, la quale, però, non può impedire che una gran parte del suono possa ancora essere riflesso dalla parete posta dietro di essa. E’ quindi necessario porre nella parete retrostante un materiale assorbente o talmente irregolare che, più che riflettere, disperda il suono in tutte le direzioni. Nella cupola costruita a Jena furono applicate a questo scopo sottili lamiere di ferro a disposizione irregolarissima in modo da impedire ogni possibile concentrazione dei riflessi.
Il problema acustico nelle sale cinematografiche non è difficile: potendo disporre di una potenza acustica aumentabile a volontà, il livello sonoro può innalzarsi sino a quanto vogliamo. Si tratterà solo di disporre le necessarie superfici fonoassorbenti in modo da contenere la cosa sonora entro limiti accettabili, di solito legate al parlato che deve essere sempre chiaramente percepito. La musica risulterebbe in questo caso troppo secca e cruda, ma poiché non viene trasmessa altro che musica incisa su colonna sonora (e quindi riprodotta), nell’incisione della musica essa sarà già sufficientemente riverberata e avrà già in potenza quella coda che le si richiede. Accanto alla recente dilatazione dello schermo cinematografico, si è avuto anche il cosiddetto suono stereofonico, cioè i vari suoni sono fatti giungere allo spettatore da vari punti della sala. Questa trovata ha subito fatto il suo tempo, e non per difficoltà tecniche, che furono subito risolte assai bene, ma perché essa distoglieva l’attenzione dello spettatore dallo schermo.
E’ abbastanza recente la diffusione dei festivals di musica leggera. La differenza tra di essi e l’antico cafè - chantat, o spettacolo di varietà, è che la trasmissione delle voci dei cantanti avviene oggi sempre attraverso un’amplificazione elettroacustica. Ciò deriva non solo da ragioni tecniche, ma soprattutto dal fatto che noi conosciamo questi cantanti quasi esclusivamente attraverso la radio, la televisione o i dischi. Noi non conosciamo la loro vera voce, ma quella che ci giunge attraverso questi canali di informazione; e la loro vera voce ci disturba, confonde e delude (soprattutto per il suo volume, infinitamente inferiore a quello di juke-box, dove abbiamo imparato a conoscere il cantante). La trasmissione indiretta, amplificata, è quindi quella più naturale; prova ne sia che quando si guasta un microfono la gente rumoreggia sempre, anche se il cantante ha abbastanza voce per farsi sentire; proprio perché quella vera voce trova impreparato e ostile l’ascoltatore. Perciò, anche per le sale dedicate al varietà musicale il problema acustico è essenzialmente un problema di tecnica radio auditiva; e le soluzioni più recenti (festival di Sanremo) si rifanno alla tecnica dell’apparato ricevente individuale. Però, per un residuo pudore, o disillusione di spettacolo diretto e tradizionale, si rinunzia alle cuffie nascondendo gli altoparlanti sotto i sedili, ottenendo così un livello sonoro uniforme in tutta la sala. Osserviamo infine che un certo modo di cantare con particolari risonanze, come siamo abituati a sentire nei dischi più in voga, è dovuto all’incisione del disco in sale particolarmente riverberanti (coda sonora u 3 sec); e che quindi l’ascolto diretto di simili esecuzioni sarebbe particolarmente impossibile al pubblico normale.
Problemi acustici particolarissimi riguardano le sale di trasmissione o di registrazione radiofoniche. Manca in questo caso il pubblico, ma crescono le esigenze tecniche, perché si esige che la trasmissione sia la più perfetta possibile. Il problema acustico-architettonico, mancando l’elemento caratteristico, l’ascoltatore diretto, diventa un problema di tecnica delle trasmissioni, ed esula quindi dal nostro campo. Circa la musica elettronica che spesso giunge quasi di contrabbando alle nostre orecchie come effetto speciale nella colonna sonora dei film, si osserva come non sia poi tanto retrogrado il pubblico che si rifiuta di ascoltare simili musiche nei teatri tradizionali, mentre le accetta alla radio o alla televisione (come sottofondo ai drammi radiofonici o agli originali televisivi). In questo caso l’artificialità della sorgente musicale coincide con quella del veicolo di comunicazione; mentre il presentare all’audizione naturale una macchina musicale è un controsenso estetico.
Nei grandi ambienti di stabilimenti industriali sono installati macchinari che generano un’elevata rumorosità e hanno solitamente le dimensioni orizzontali assai maggiori dell’altezza. Per tali ambienti l’ipotesi di una riverberazione perfettamente diffusa, la quale comporta l’esistenza di un livello sonoro uniforme in tutto l’ambiente, non trova tuttavia conferma nella realtà. Al contrario, il livello sonoro dovuto alla riverberazione tende a diminuire man mano che ci si allontana dalla sorgente di rumore, particolarmente quando la sala sia stata trattata con materiale fonoassorbente. Con un trattamento acustico costituito da pannelli dotati di un elevato potere fonoassorbente su entrambe le facce, sospesi a un’altezza di pochi metri dal pavimento della sala e a distanze reciproche comprese tra un metro e una trentina di centimetri, sono state ottenute consistenti riduzioni del livello di rumore. Apprezzabilmente maggiori di quelle che la trattazione convenzionale, basata sull’ipotesi di una perfetta diffusione, lascerebbe prevedere. In tal modo è possibile restringere la zona interessata da elevati livelli di rumore limitandola a quella circostante il macchinario rumoroso, ed evitando così, in pratica, la sovrapposizione degli effetti quando sono presenti nello stesso ambiente numerose sorgenti di rumore, a condizione che queste siano convenientemente distanziate tra loro.
Più complesso è il problema dell’acustica nei grandi teatri, poiché si unisce a quello della capacità per il numero massimo di spettatori, e della migliore visibilità, oltreché a quelli di una costruzione solida e sicura e di un decoroso carattere architettonico. In genere, è necessario evitare una troppo grande altezza della copertura, quando ciò non sia richiesto da particolari ragioni architettoniche (come nelle chiese), perché, così si evita più facilmente la formazione di echi e di risonanze eccessive e pertanto dannose. Un ottimo esempio di provvidenze costruttive e decorative per eliminare i riflessi di un soffitto troppo alto e di una cupola, quello del Grosses Schauspielhaus di Berlino, in cui fu costruita una cupola suddivisa da speciali ed originali anelli ciascuno formato ed irrigidito da una serie di archetti.
Nelle coperture a cupola, oltre la formazione di echi, si può anche avere una risonanza insufficiente e quindi nessun rinforzo nei suoni diretti che giungeranno all’uditorio deboli e leggeri. In un ambiente architettonico coperto a cupola, come il Pantheon di Roma, l’apertura esistente alla sommità verso l’aria libera esterna elimina gran parte dei rimandi sfavorevoli; il soffitto suddiviso da cassettoni aiuta a rompere e ad attenuare riflessi, diffondendo il suono.
Confrontando quattro sezioni di differenti forme di soffitti con la relativa analisi geometrica dei riflessi, abbiamo un’idea approssimativa del loro valore acustico. La forma rettangolare semplice si dimostra abbastanza soddisfacente. Dove il soffitto ha una curva accentuata, se la sorgente del suono si trova nel centro della curvatura, ne risultano biasimevoli concentrazioni dei riflessi. Ad evitare ciò si deve tenere presente, che volendo per varie ragioni, per esempio estetiche, avere un soffitto a volta, il raggio della curvatura non deve essere minore di due volte l’altezza della sala. Altrettanto si dica per le pareti curve in rapporto alle dimensioni dell’ambiente. In massima ed entro certi rapporti una sala, per ben soddisfare alle esigenze acustiche deve essere piuttosto bassa e lunga. Le grandi pareti laterali di un ambiente rettangolare aiutano a diffondere il suono. Riguardo alla forma generale della sala sono interessanti gli esperimenti di Sabine, compiuti su di un modello per il New Theatre di New York. I riflessi troppo forti e dannosi rimandati dal soffitto e dal davanzale del proscenio alla platea e alle gallerie, furono eliminati, o almeno molto indeboliti con uno schermo baldacchino posto in alto nel centro del soffitto. Questo scopo, anticamente, forse senza spiegarsene esattamente la ragione, si raggiunse in parte con grandi lampadari. La possibilità di esperimenti su modelli dimostrarono a Sabine la necessità e la maniera di modificare il primitivo progetto della Symphony Hall, un teatro di Boston, dove si notava principalmente un riflesso che dal soffitto ricadeva sulle balconate con un tale intervallo di tempo da produrre grande disturbo. La modifica ebbe un risultato pienamente soddisfacente con la dispersione e l’indebolimento dell’eco molesta. Innovazione completa dello studio del soffitto di una sala acustica fu dapprima proposta dagli architetti Daviond e Bourdais per il Trocadero a Parigi, in cui la sezione della sala aveva approssimativamente la forma di un ellisse allungata. Il Winkelmann sostiene la necessità di conformare le sale secondo paraboloidi di rotazione, con la sorgente dei suoni nel punto focale. La Hill Memorial Hall nel Michigan, segue questo concetto: infatti la parete di fondo dietro la sorgente sonora si innesta direttamente alla curva del soffitto formando una superficie unica all’incirca paraboloide. Perciò le onde sonore sono riflesse una sola volta, restando eliminata la possibilità di giri più lunghi alle onde riflesse, e quindi l’eco e una risonanza susseguente troppo tardiva che renderebbe confusi i suoni. La ricerca, di non eliminare, ma di utilizzare gran parte del fenomeno di riflessione per ottenere un rinforzo al suono diretto è scopo fondamentale da prefiggersi nella creazione del modello della sala di un teatro.Quindi è di somma importanza procurare la formazione, a mezzo di parete liscia e dura posta dietro la sorgente sonora, di uno schermo che invii i suoni verso l’uditorio. Ciò tentò di ottenere Riccardo Wagner nel teatro di Bayreuth, con l’applicazione di un riparo curvo, una specie di cuffia, posto dietro l’orchestra. Questo ufficio era compiuto, nell’antico teatro romano, dalla parete massiccia della scienza. Nei teatri moderni ciò si ottiene con pareti rivestiti di materiali lisci e decorativi, per esempio, in Hannover, con specchi. Anche le sedie massicce per gli spettatori contribuiscono al rinforzamento dei suoni: perciò, oltre che per la buona visibilità, nella distribuzione dei posti ad anfiteatro non si segue un’inclinazione secondo una linea retta, ma secondo una curva che facilita la ricezione dei rigetti. Sovente la parete dietro l’uditorio aiuta molto l’acustica, tanto che verificano dei casi in cui si ode più forte i suoni posti lontani, accanto alla parete di fondo, piuttosto che al centro della sala. Dei supporti costruttivi, che architettonicamente possono essere di forma quadrata, poligonale o rotonda (colonne e pilastri), si nota che hanno diversa influenza sul cammino delle vibrazioni sonore a seconda della loro superficie esterna; tenendo sempre presente che il materiale costruttivo ha una certa influenza e che, se l’ostacolo contro cui urtano le onde sonore è molto piccolo rispetto alla lunghezza dell’onda, esso ha poco influsso, ed il suono è sparpagliato piuttosto che riflesso in un’unica direzione. La dispersione può avere un effetto benefico di diffusione nell’ambiente. Se però i pilastri o le colonne sono numerosi nella sala e disposti su file (per esempio nelle chiese) in un’unica direzione, allora possono evidentemente Avere forti influssi con la somma dei loro rigetti parziali e per la loro reciproca vicinanza. La superficie piana del pilastro, quando ha una dimensione notevole, agisce molto similmente parte di parete piana riflettendo l’onda, mentre la superficie curva della colonna diffonde fortemente l’energia sonora ricevuta, in base alla sua curvatura (teoria del Biehle). Ne consegue che con la colonna si può, più rapidamente che con il pilastro, diffondere il suono nella sala e in tutte le direzioni. La risonanza eccessiva, benché in genere le sale pecchino in senso opposto, si può correggere con lo studio delle superfici, e si ottiene con rivestimenti vari opporre modificando il volume dell’ambiente. Se si creano irregolarità nelle pareti e nel soffitto per mezzo di decorazioni, di alto e basso rilievi, di materiali speciali, il riflesso delle onde può venire attenuato e perfino annullato. Nei cassettonati delle coperture e delle pareti si possono porre nei fondi dei riquadri dei pannelli, dei materiali speciali assorbenti il suono. Oltre ai comuni rimedi come tendaggi, tensione di fili, velari, ecc., indicati allorché non si vuole modificare in modo permanente l’estetica e la costruzione della sala, esistono dei moderni rivestimenti studiati a questo scopo, come il Celotex. Esso fu applicato a Londra nel British Insitute off Radiology, dove la sala aveva un periodo di riflessione (sonorità susseguente) molto sfavorevole (4”,8 a sala vuota; 1”,9 a sala piena): invece dopo il rivestimento la durata sensibile della sonorità susseguente fu ridotta rispettivamente a 3” e 1”,5. Notiamo, ancora una volta, la grande differenza fra le condizioni acustiche di un locale vuoto o pieno di pubblico; una sala che senza uditorio abbia pessime qualità acustiche, può, piena di pubblico, rispondere alle maggiori esigenze dell’acustica. Inoltre ha un’importanza fondamentale per i teatri da opera la posizione dell’orchestra. Sembra migliore una posizione un po’ più bassa rispetto all’uditorio e un po’ sotto la scena. Più l’intensità del suono aumenta, più un eccesso di risonanza diventa insopportabile. Alcune sale, infatti, troppo risonanti per la voce parlata, ottime per il volino e per il canto, divengono anche di cattiva acustica per musica di grande intensità. Il Heyl da come rapporto fra il volume della sala e il numero degli strumenti musicali dell’orchestra la seguente tabella
Volume della sala Idem (riduzione Numero degli stru-
In piedi cubi approssimata in mc.) menti dell’orchestra
50.000 1.400 10 100.000 2.800 20
200.000 5.600 30
500.000 14000 60
800.000 22.400 90
In conclusione la produzione teatrale ha speciali esigenze che differiscono, per esempio, a seconda della presenza di un’orchestra seduta o di attori che si muovono liberamente e che spesso parlano con le spalle rivolte allo spettatore. Inoltre i teatri moderni accolgono una varietà di spettacoli diversi, da incontri di pugilato a quartetti d’arco, a concerti rock, rendendo impossibile un’ottimale disposizione acustica valida per tutti. Le grandi proporzioni dei moderni auditori devono contare su sistemi di rinforzo sonoro. L’uso dell’amplificazione elettroacustica ha suscitato notevoli polemiche tra attori e musicisti, ma forse sarà possibile in futuro creare dei sistemi che interferiscano meno con l’interpretazione dell’artista e vengano quindi accettati.