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La geometria del suono

31/05/2016

Le geometria del suono

L'evoluzione e lo sviluppo della vita degli esseri umani sono associati a fenomeni di natura sensoriale e questi eventi si manifestano attraverso il dono meraviglioso della percezione dei cinque sensi principali caratterizzando il modo di vivere di ogni individuo, dal momento della sua nascita per tutto il ciclo vitale.
L'apparato uditivo è considerato uno degli organi più complessi e sofisticati del corpo umano. Al suo interno sono racchiusi dei meccanismi meravigliosamente affascinanti, dove l'energia potenziale che si sviluppa nell'ambiente circostante attraverso la voce, i suoni, i rumori e qualsiasi altra agitazione dell'aria, viene trasformata in segnale acustico. D'altronde, il suono e rumore sono perturbazione spostamenti, più o meno grandi, di particelle che si propagano agevolmente se vincolate da mezzi elastici gassosi, liquidi o solidi che siano.
In assenza di questi, cioè nel vuoto, il suono non ha la possibilità di diffondersi, mentre trova la sua genesi naturale nell'aria, nell'acqua, nel cemento o nell'acciaio in generale in presenza di mezzi di propagazione.
L'espansione del suono avviene dunque in mezzi molto diversi tra loro per aspetto, stato di aggregazione e conformazione fisica.

L'onda sonora generata dalle perturbazioni è in sostanza movimento meccanico, un'energia a tutti gli effetti, chiamata tecnicamente pressione sonora. Questa energia sposta materialmente la membrana timpanica (incudine, martello e staffa), attraverso la coclea, che contiene liquidi dove sono presenti le cellule ciliari (neuro mediatori), viene trasformata in segnale trasmesso al cervello attraverso l'VIII nervo cranico che è il nervo acustico.
È evidente che il corpo umano e i meccanismi che lo compongono e lo animano ci appaiono inevitabilmente come un qualcosa di straordinaria bellezza per la loro semplicità, funzionalità e purezza.
Di fronte a simili fattezze, come esperti in acustica architettonica, dobbiamo sentire l'obbligo morale e professionale di preservare l'apparato uditivo dai pericoli ai quali, suo malgrado, esso andrà incontro e di applicarci nella ricerca per poter conferire a tutte le tipologie di ambienti, da quelli più semplici domestici a quelli più complessi e di utilizzo di massa, dagli elevati standard qualitativi di comfort acustico.
Questo perché le suggestioni uditive non derivano soltanto dalle voci o dei suoni musicali ma anche semplicemente da rumori meccanici, e rischi ai quali è sottoposto l'udito possono derivare sia da situazioni di rumore particolarmente intensi, sia da specifiche condizioni d'ascolto sfavorevole protratte nel tempo.
I danni uditivi sono di diversa natura e quelli più gravi e purtroppo irreversibili interessano i delicatissimi meccanismi (come le cellule ciliate contenute nella coclea) di natura neuronica che una volta danneggiati, non si riproducono mai più. Ed è proprio per questo che una delle aree di applicazione degli studi di ricerca è tesa specificatamente all'individuazione e soluzione dei problemi che si manifestano negli ambienti riverberanti - ambienti chiusi - che si differenziano principalmente dalle situazioni all'aperto, per il fatto che in tutti gli spazi confinati vi è la presenza, oltre che del suono diretto, proveniente da una o più sorgenti, anche di tutte quelle riflessioni che si generano in funzione della geometria architettonica degli ambienti e dei materiali di cui sono composti.
Nel restituire alle persone ambienti dalle elevate risposte al riverbero acustico bisogna concentrare l'attenzione anche su cosa succede all'interno di un ambiente. Qui, infatti, le perturbazioni di pressione sonora si diffondono dalle pareti, dal soffitto, dal pavimento e da qualsiasi altro elemento presente in una sala, interessando da vicino tutte le frequenze possibili e dando così origine ad una serie di riflessioni, non sempre facilmente controllabili, e ad altri fenomeni acustici di disturbo.

Tempo di riverberazione

Per dare un'idea su che cos'è il tempo di riverberazione si provi a pensare alla sensazione acustica che si può sperimentare quando ci si trova all'interno di una chiesa o di una palestra e si cerca di parlare. Non sarà di certo la stessa impressione che potremo avere in una sala cinematografica o in uno studio di registrazione.
Pensiamo, inoltre, al fastidioso "rimbombo" all'interno di un capannone industriale, che non ci consente di sentire bene e neanche di comunicare correttamente. Tutto ciò non può essere assolutamente paragonato la precisione di ascolto all'interno di un teatro, di una sala conferenze o comunque in ambienti con caratteristiche di progettazione acustica corretta.
Diverse sono poi le esigenze di ascolto: se dobbiamo ascoltare un concerto di canti gregoriani avremo bisogno, ad esempio, di un ambiente con riverberazione particolarmente lunga (caratteristica tramandata nei secoli dagli ordini religiosi) con tempi di quattro, cinque secondi ed oltre perché questo tipo di canto, per essere apprezzato non può avere tempi inferiori in quanto perderebbe la propria particolarità.
Al contrario, in uno studio televisivo o in una sala cinematografica, c'è la necessità di avere ambienti particolarmente “secchi” con tempi di riverberazione ridotti addirittura a mezzo secondo.
Il tempo di riverberazione si definisce tecnicamente come "il tempo necessario affinché un suono presente all'interno di uno spazio confinato diminuisca di 60 dB”, in termini più semplici, lo si può indicare come "il tempo necessario affinché un'emissione sonora particolarmente elevata (sempre in ambiente chiuso) vado a diminuire la propria intensità fino a diventare praticamente impercettibile".
Come si può intuire il perdurare di una coda sonora all'interno di spazi chiusi generi difficoltà nell'ascolto, non solo della musica (composta da suoni molto variabili nella loro complessità), ma anche del parlato.
Ed è per questo che si può affermare che non esiste in realtà un tempo di riverberazione ottimale di riferimento, ma lo si dovrà ricercare sicuramente in un intervallo più ampio di tempi compresi fra una condizione particolarmente secca, presente all'aperto (campo acustico libero) o nelle stanze anecoiche (senza riverberazione). 

Principi di progettazione

Studi recenti integrano la valutazione del tempo di riverberazione con una serie di analisi sull'ascolto e sul giudizio personale dei singoli spettatori. Il diagramma di seguito inserito rappresenta schematicamente la determinazione del tempo di riverberazione indicativo, in base alla funzione e al volume complessivo di un ambiente.
Affinché un ambiente sia dotato di una buona acustica e di un tempo di riverberazione caratterizzante, è necessario che le riflessioni sonore siano ripartite in modo omogeneo in tutto il volume architettonico.
Di conseguenza la geometria di una sala assume un ruolo importante perché proprio dalla forma strutturale, dai materiali d'impiego, dalle opportune inclinazioni della sala stessa e dai pannelli di spinta del suono che si riescono ad ottenere situazioni di ascolto significative, cercando di evitare in ogni modo le aree di eco e di silenzio dovuti ad ombre sonore.
Le riflessioni generate dalle onde sonore seguono gli stessi principi geometrici di quelle originate dai raggi di luce che colpiscono uno specchio, dove l'angolo di incidenza del fronte d'onda diretto è uguale all'angolo di riflessione. Di conseguenza la geometria piana ci offrirà una sorgente, un punto immagine, e un angolo di "rimbalzo" dell'onda, determinato dalla forma della superficie di impatto.
Le superfici delle sale vengono investite senza distinzione da fronti d'onda sferici - non come si pensa, per semplicità, da raggi lineari - e questi fronti subiscono nel loro percorso molte riflessioni dato che si diffondono di continuo su tutte le pareti. Se un'onda sonora, viceversa, colpisce una superficie non piana, ma concava o convessa, le riflessioni tenderanno a fenomeni di concentrazione o diffusione.
L'effetto prodotto da questa progressione delle onde sonore comporta la perdita di energia da parte di ogni singola riflessione fino alla sua completa dissipazione in calore.
Le riflessioni che seguono questo tipo di andamento interessano le frequenze percettibili medio-alte e sono chiamate frequenze speculari.
In relazione a questi principi, in fase di progettazione acustica, sarà necessario controllare la direzione ed il comportamento del suono seguendo le regole basilari della riflessione geometrica per non compromettere la buona riuscita degli ambienti.
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