IL SUONO IN UNO SPAZIO CHIUSO INTRODUZIONE

Vorrei introdurre con queste note un articolo tratto dalla Tesi di Laurea dell' Ing. Tommaso Giunti riguardante, fra l'altro, le proprietà acustiche dei locali destinati all'ascolto della musica.

In ogni testo introduttivo alla musica o alle scienze naturali 'il suono' viene sempre rappresentato come una configurazione di 'onde' non troppo dissimili a quelle che si formano sulla superficie dell'acqua quando un sasso la colpisce.

Dal momento che questa rappresentazione è intuitiva, ci basta e ci soddisfa, e quando qualcuno ci parla ci immaginiamo un ventaglio di 'onde' uscenti dalla sua bocca che raggiungono in qualche modo le nostre orecchie; tale rappresentazione, però, è fortemente riduttiva della vera natura del suono, un 'animale' strano che si comporta spesso in maniera imprevedibile quando è costretto in un ambiente chiuso.

Le proprietà fondamentali del suono, dal punto di vista fisico, sono frequenza e intensità. Già sento qualcuno del pubblico che urla inutilmente al monitor: 'Timbro, perbacco!' E il timbro dove lo mettiamo?

Il timbro di un suono è costituito dalla somma di più suoni di frequenza e intensità differenti (armoniche) ciascuna delle quali ha come parametri fondamentali la frequenza (altezza) e l'intensità (volume). Inoltre la velocità di un suono non dipende dalla sua altezza o dal suo volume: essa dipende dal mezzo in cui viaggia. Nell'aria dell'atmosfera terrestre in condizioni standard la velocità del suono è circa 1220 km/h (intorno ai 340 metri al secondo) che è una velocità sicuramente elevata, ma certo non dà al suono caratteristiche di istantaneità...

All'interno di una sala realistica (stanza dello stereo, auditorium, teatro, stanzino delle scope) il suono si comporta in maniera differente a seconda della sua altezza (o frequenza). Questo comportamento è stato approfondito da Schroeder che ha definito l'omonima frequenza limite diversa per ogni singolo ambiente, che distingue la regione di comportamento a bassa frequenza da quella ad alta frequenza, regioni che essenzialmente dipendono dalle caratteristiche della sala stessa.

Quindi ambienti più grandi e più fonoassorbenti, ossia con un piccolo tempo di riverberazione, presentano questa frequenza a valori più bassi, mentre ambienti piccoli e poco assorbenti mostrano questa frequenza a valori più elevati.

Pertanto il comportamento del suono può essere studiato distinguendo idealmente tre regioni spettrali:

1. Alle frequenze basse, ossia al disotto della frequenza di Schroeder, la stanza si 'riempie' di onde sonore che assumono una configurazione stabile (onde stazionarie), un po' come quello che succede ad una corda pizzicata che presenta ventri e nodi apparentemente fermi lungo l'asse della corda. Immaginate una quantità di corde tese nella stanza, pizzicate in modi diversi e con tensioni diverse che rappresentano la complessa configurazione delle basse frequenze nell'ambiente.

2. La seconda regione, al disopra della frequenza di Schroeder, è una banda di transizione che copre circa due ottave. In questa regione il comportamento è ibrido fra quello della prima regione e quello della terza.

3. Superando di più di due ottave la frequenza di Schroeder il comportamento acustico dell’ambiente somiglia a quello di uno specchio colpito dalla luce: le onde sonore rimbalzano come palle da biliardo sulle pareti, attenuandosi dopo una serie di riflessioni.

Teoria modale

Nella prima regione, quella delle basse frequenze, il campo sonoro è dominato dalla presenza di onde stazionarie e dalle risonanze dell'ambiente. Una sala chiusa può essere definita come una 'cavità risonante'. Questa cavità presenta delle frequenze alle quali l'intensità del suono si rinforza in maniera marcata.

L'onda di pressione acustica si sovrappone all'onda che è stata riflessa dalla parete: se l'interferenza è costruttiva, un tono a quella frequenza di risonanza verrà rinforzato dalla vibrazione dell’aria contenuta all’interno della stanza a discapito delle altre frequenze.

Le frequenze di risonanza si calcolano in base alle dimensioni geometriche del locale stesso e ad alcuni parametri accessori che assumono valore di numeri interi.

Acustica geometrica

Al di sopra della frequenza di Schroeder il modello delle risonanze non porta ad una descrizione soddisfacente del campo sonoro, e le onde sonore devono essere considerate come raggi di luce che si propagano nello spazio lungo traiettorie rettilinee e che vengono riflessi in modo speculare quando incontra un ostacolo. La letteratura suggerisce un approccio di questa natura, anziché quello basato sul concetto di onda.

La riflessione di un raggio sonoro su una superficie rigida è tale che il raggio incidente e quello riflesso si trovano sullo stesso piano e formano angoli uguali con la perpendicolare alla superficie d’incidenza. In parole povere come le palle sulle sponde del biliardo! La dicotomia rispetto al comportamento nella prima regione è evidente.

Viene da sé che la risultanza delle riflessioni dei vari suoni emessi in una stanza finisce rapidamente per creare configurazioni di una complessità inimmaginabile. Per fortuna ad ogni riflessione un suono si attenua in maniera consistente, altrimenti gli echi di una sala da concerto finirebbero per accumulare sufficiente energia da rompere i timpani degli ascoltatori. Invece l'energia viene dissipata dalle pareti della sala, con ovvio vantaggio per la comprensibilità del concerto (e per la salute del pubblico e dei musicisti...).

Questi principi dell'acustica geometrica permettono di studiare il comportamento di un raggio sonoro anche all’interno di uno spazio chiuso come ad esempio la stanza di un appartamento: si può considerare ciascuna riflessione come se avvenisse su uno specchio a patto che la superficie sia uniforme, ovvero non presenti irregolarità.

Ogni riflessione provoca l'apparizione di una sorgente 'fantasma'. Un suono riflesso da una parete viene percepito come se fosse prodotto dalla parete medesima; quindi se dietro gli ascoltatori ci sono superfici altamente riflettenti, potrà darsi il caso che alcuni strumenti vaghino nella percezione dell'ascoltatore fra il palco del teatro e la biglietteria. In questo caso, licenziate l'architetto.

Il suono totale percepito nel punto d'ascolto è dunque la somma del contributo diretto e di ciascuna riflessione.

La descrizione del comportamento acustico dell'ambiente d'ascolto, secondo i criteri dell'acustica geometrica, si complica notevolmente nel caso di stanze la cui geometria non sia rettangolare; a maggior ragione se all'interno della stanza vi sono oggetti ed arredamento che rendono impraticabile l'uso di questa teoria se non attraverso approssimazioni.

La risposta in ampiezza di una sala alle medio-alte frequenze fluttua in modi difficili da modellizzare e rende difficile ottimizzare l'ascolto in un ambiente qualsiasi in zone ampie. Ci saranno aree di ascolto ottimale ed aree in cui l'ascoltatore perderà molto della performance; questo vale sia per grandi auditorium che per sale d'ascolto domestiche.