ACUSTICA
ACUSTICA (dal gr. ἀκουω "odo"; fr. acoustique; sp. acústica; ted. Akustik; ingl. acoustics)
1. Le sensazioni auditive sono notoriamente dovute a fenomeni di carattere vibratorio longitudinale del mezzo ambiente, che è generalmente l'aria.
Il "propagarsi del suono" consiste nel propagarsi, da un punto all'altro del mezzo, di questo stato vibratorio (la frequenza delle vibrazioni determina la "altezza" del suono), cioè della corrispondente forma d'energia. Una "sorgente sonora" è un insieme di organi, che può assumere forme svariatissime (apparato vocale, strumenti musicali, ecc.), capace di emettere dell'energia sonora. Lo stimolo che provoca le sensazioni auditive è proporzionale alla quantità d'energia sonora che nell'unità di tempo penetra nel condotto uditivo dell'orecchio (più esattamente, proporzionale a quella parte dell'energia che è sotto forma potenziale; ché la membrana del timpano è sensibile a fluttuazioni di pressione che accompagnano il moto vibratorio, piuttosto che all'energia cinetica delle particelle d'aria); a questo stimolo si darà qui il nome di "intensità energetica" del suono. Non è da confondere l'intensità energetica, grandezza di carattere meccanico, con la "intensità della sensazione auditiva", grandezza di carattere fisiologico; quest'ultima è funzione bensì della prima, ma dipende anche da altri elementi, principale fra i quali la frequenza: ché l'orecchio ha la massima sensibilità per i suoni aventi la frequenza di circa 2500 vibrazioni complete al secondo (cioè, nella notazione musicale, circa alla noia mia); la sensibilità diminuisce rapidamente verso gli estremi dell'intervallo delle frequenze ordinariamente udibili, estremi che corrispondono a circa 20 v. c. e a circa 20.000 v. c. al secondo
Rimandando a suono la trattazione dei principî dell'acustica, esamineremo qui i fenomeni principali che interessano l'acustica architettonica.
Il suono si propaga negli aeriformi con una velocità che è indipendente dalle caratteristiche del suono, cioè, dall'altezza, dalla intensità e dal timbro, ma che dipende dalle proprietà meccaniche dell'aeriforme stesso; in particolare, è proporzionale alla radice quadrata della pressione alla quale l'aeriforme si trova, ed è inversamente proporzionale alla radice quadrata della sua densità. Nell'aria a 15° ed alla pressione ordinaria, essa è di circa 341 metri al secondo; rimanendo costante la pressione, cresce circa di 0,63 m. al secondo per ogni grado di aumento di temperatura (per piccoli aumenti). Dal punto di vista acustico, perciò, strati di aria a temperatura diversa, o contenenti proporzioni differenti di vapore acqueo o di anidride carbonica, costituiscono dei "mezzi" differenti. Nell'acqua, la velocità è di circa 1450 m. al secondo; nel ferro, di 490 m. al secondo; nei materiali del tipo dei mattoni è di circa 3500 m. al secondo, ecc.
Allorché dell'energia sonora arriva alla superficie di separazione di due mezzi diversi, essa (come nel caso della luce) viene in parte riflessa dalla superficie, ed in parte rifratta (cioè, la propagazione nell'altro mezzo prosegue in una direzione che non è più quella primitiva). La frazione di energia sonora che viene riflessa cresce col crescere della diversità di proprietà dei due mezzi, e dipende in modo c0mplesso dalla inclinazione con la quale l'energia incontra la superficie di separazione; per angoli superiori ad un certo "angolo limite", la riflessione è totale: l'energia sonora, cioè, viene rinviata indietro dalla superficie di separazione, come se questa fosse opaca al suono. L'angolo limite è tanto più vicino a 90° quanto minori sono le differenze di proprietà fra i due mezzi; se si trattasse, p, es., di due strati di aria aventi rispettivamente le temperature di 0° C. e di 25° C., l'angolo limite sarebbe di circa 74°.
Quando l'energia sonora incontra una parete solida, essa viene in parte riflessa, in parte assorbita dalla parete ed in parte trasmessa all'aeriforme che si trova al di là della parete. Si chiamerà qui coefficiente di assorbimento il rapporto fra l'energia sonora assorbita e l'energia totale incidente; ma ha interesse pratico maggiore il coefficiente apparente di assorbimento, che è il rapporto fra l'energia "non riflessa" (sarà dunque quella assorbita più quella trasmessa) e l'energia totale, e che dipende in buona parte dalla natura dello strato superficiale della parete. A parità di altre condizioni, l'assorbimento è tanto minore quanto più la parete è di struttura omogenea e costituita da materiale elastico; e cresce col crescere dello spessore. Inversamente, la parte dell'energia trasmessa è tanto maggiore quanto più sottile, omogenea ed elastica è la parete; ma la regolarità della legge di dipendenza è spesso disturbata dal fatto che ogni parete sufficientemente omogenea ha uno o più periodi proprî di vibrazione, la cui frequenza dipende dalle sue dimensioni e dalla natura del materiale: e si comprende che quando il suono da trasmettere ha una frequenza coincidente o molto vicina ad una delle frequenze proprie, la parete entrerà in risonanza e trasmetterà l'energia sonora in proporzione assai maggiore. Può dunque anche accadere che un certo suono sia trasmesso meglio da una parete grossa che da una più sottile; oppure, che certi suoni siano tramessi, da una stessa parete, meglio di altri.
Segue una tabella (Sabine) dei valori medi del coefficiente apparente di assorbimento (a) per alcuni tipi comuni di pareti supposte dello spessore di qualche decimetro.
Nella libera propagazione in mezzi omogenei, senza fenomeni perturbatori, l'intensità energetica del suono varia inversamente al quadrato della distanza dalla sorgente sonora al punto considerato (l'assorbimento dell'aria omogenea lungo percorsi di alcune diecine di metri è praticamente trascurabile); ma quando il suono arriva attraverso una o più riflessione bisogna tener conto, oltreché del cammino effettivamente percorso dal suono, dell'energia assorbita ad ogni riflessione.
Se una sorgente sonora S è in presenza d'una superficie riflettente piana, il suono riflesso si comporta sensibilmente come se promisse da un'altra sorgente sonora (virtuale) S1, occupante la posizione simmetrica di S rispetto alla superficie (analogamente a quanto avviene nel caso di una sorgente di luce e d'una superficie specchiante). Se le superficie riflettenti piane sono più di una (come nel caso degli ambienti chiusi), ciascuna di esse dà luogo ad una sorgente sonora virtuale primaria; ma ciascuna di queste, a sua volta, dà luogo rispetto alle pareti stesse (nel caso di una nuova riflessione dell'onda sonora già riflessa) ad una sorgente virtuale secondaria; e così via, indefinitamente. Fenomeni analoghi avvengono se le superficie riflettenti sono curve: nel caso, peraltro, di curvature regolari, le superficie possono funzionare da specchio convergente o divergente (come per i raggi luminosi), a seconda della loro forma e della posizione rispetto alla sorgente sonora.
2. Fenomeni acustici negli ambienti chiusi; proprietà acustiche delle sale. - I principali fenomeni che possono prodursi negli ambienti chiusi allorché è in funzione una sorgente sonora, e che hanno influenza sulle loro qualità acustiche, sono i seguenti.
Eco. - Consiste, notoriamente, nella netta riproduzione (una o più volte) del suono prodotto o della parola pronunciata; riproduzione che è dovuta all'effetto di specchio di qualche superficie, piana o curva, presente nell'ambiente. Affinché sia percettibile, il suono riflesso deve giungere all'orecchio un certo tempo (dell'ordine del decimo di secondo) dopo che l'orecchio sia stato colpito dall'onda sonora direttamente proveniente dalla sorgente; cioè, deve avere percorso, in più dell'onda diretta, un cammino dell'ordine d'una trentina di metri, almeno. Questo vuol dire che l'eco sarà relativamente rara (o impercettibile) negli ambienti in cui almeno una delle dimensioni non giunga ad una quindicina di metri, ché se il suono deve subire molteplici riflessioni per fare l'indicato maggior cammino, rispetto all'onda diretta, arriverà all'orecchio troppo indebolito; a meno, tuttavia, di forme particolari d'ambiente o di superficie riflettenti che assorbano pochissimo (§ 1). I casi singolari di echi particolarmente intensi o multipli, dovuti a qualche fortuita combinazione di circostanze, sono relativamente numerosi; fra i- più celebri, vi sono quello del cosiddetto orecchio di Dionisio, a Siracusa; quello della cattedrale di S. Paolo, a Londra, ecc.
Per sopprimere od attenuare l'eco, occorre anzitutto individuare qual'è la parete o le pareti che hanno la maggiore importanza nel fenomeno, il che si può generalmente accertare per tentativi, spostando con metodo la sorgente sonora, oppure la posizione dell'orecchio, oppure tutte e due, usando diaframmi spostabili in vicinanza della sorgente sonora, ecc. Il rimedio più efficace è quello "chirurgico", non sempre possibile, consistente nella razionale modificazione della forma dell'ambiente o della superficie in questione. Rimedî più facili ad applicare, separatamente o contemporaneamente, sono la trasformazione della superficie della parete, per renderla più assorbente (applicazione di strati di materiale assorbente, tendaggi, ecc.), lo spostamento della posizione della sorgente sonora e l'applicazione, in prossimità della sorgente stessa, di schermi o diaframmi di grandezza e posizione adatta: quest'ultimi due rimedî sono, naturalmente, applicabili soltanto quando la sorgente sonora, di piccole dimensioni, possa rimanere in posizione fissa.
Sonorità susseguente. - È un fenomeno più comune e più importante, in generale, del precedente. Allorché in un ambiente chiuso (parzialmente o totalmente) una sorgente sonora S produce un suono, la sensazione prodotta nell'orecchio degli ascoltatori non acquista istantaneamente il suo valore normale; ché, poco dopo l'onda sonora direttamente proveniente dalla sorgente, giungono man mano a rinforzarne l'effetto le onde sonore riflesse delle pareti, in numero generalmente indefinito, ma di importanza via via decrescente. Ed è ovvio che la intensità finale di regime sarà tanto maggiore di quella corrispondente alla sola onda diretta quanto maggiore sarà il numero e l'importanza delle onde riflesse cioè, quanto meno assorbenti saranno le pareti. Quando, poi, S ha cessato di funzionare, non cesserà subito lo stimolo auditivo; ché se manca l'onda diretta, continuano ad arrivare per qualche tempo le onde riflesse le quali, dovendo fare percorsi più lunghi, impiegano maggior tempo. Sicché, l'intensità energetica raggiunge solo gradatamente il suo valore normale, e, cessato di funzionare S, decresce pure gradatamente. La parte del fenomeno più facilmente osservabile è appunto quest'ultima, cioè il prolungarsi del suono, con intensità decrescente, dopo che S ha cessato di agire (sonorità susseguente, o coda sonora); anch'essa è tanto più evidente quanto meno assorbenti sono le pareti e quanto maggiore è la grandezza dell'ambiente.
Le conseguenze dannose del fenomeno sono evidenti ove si pensi che, nel caso generale, vengono prodotti successivamente negli ambienti più suoni a brevissimi intervalli di tempo (voce, parlata o cantata, composizioni musicali, ecc.); venendosi ciascun suono a sovrapporre parzialmente, con la sua "coda", alla parte iniziale (debole) del suono successivo, ne risulterà diminuita la nititlezza di percezione di ciascun suono; si avvertirà cioè una specie di mescolanza fra i suoni prossimi, che potrà persino impedire la corretta percezione della parola o della trama musicale (è il difetto che si chiama, impropriamente, di eccessiva sonorità dell'ambiente). Non si deve credere, tuttavia, che sia conveniente ridurre al minimo possibile il fenomeno, adoperando pareti quanto più assorbenti è possibile; ché se l'assorbimento fosse eccessivo, sarebbe anche piccolo l'utilissimo effetto rinforzante, sopra accennato, delle onde riflesse sul suono diretto (il difetto che ne risulterebbe, di una debole intensità energetica media, è ciò che si esprime, impropriamente, dicendo che l'ambiente è sordo).
Bisogna dunque che l'importanza del fenomeno sia compresa entro certi limiti, in guisa che si abbia un sufficiente effetto rinforzante senza che ne risulti troppo danneggiata la nitida perceziohe di più suoni consecutivi. È merito di Sabine l'aver intravisto e dimostrato che l'importanza del fenomeno può essere sufficientemente individuata da ciò che può chiamarsi la durata sensibile T0 della sonorità susseguente (è il tempo che deve trascorrere affinché l'intensità energetica, supposto che S abbia cessato di funzionare, scenda ad un milionesimo del suo valore di regime), l'aver dato dei metodi sperimentali per la misura di questa durata e l'aver indicato in che modo essa possa anche calcolarsi preventivamente.
Tenendo conto che un suono d'intensità energetica media cessa appunto di essere percettibile allorché la sua intensità è ridotta ad un milionesimo, una prima misura diretta assai semplice (se pure di approssimazione modesta) della durata sensibile della sonorità susseguente può farsi cantando o facendo cantare per qualche secondo, senza troppo sforzo, una nota qualunque e determinando, con un contasecondi, la durata apprezzabile della coda sonora. Per misure meno grossolane occorrerebbero naturalmente procedimenti meno semplici e mezzi sperimentali meno primitivi.
Il calcolo preventivo può invece farsi con la relazione seguente (trovata empiricamente, ma la cui forma può anche essere giustificata per via razionale):
nella quale V è il volume (in metri cubi) dell'ambiente; la sommatoria si riferisce ai varî tipi di parete presenti nell'ambiente; s è la superficie (in m. quadrati) di ogni parete, a il corrispondente coefficiente di assorbimento apparente (§ 1); To risulta in secondi. Nel caso di un uditorio rado, o di sedie non occupate, la tabella del § 1 dà addirittura i valori, per ogni persona o per ogni sedia, del prodotto a s.
L'esperienza ha dimostrato che le migliori condizioni si hanno allorché To risulta compreso fra circa un secondo (ambienti di qualche diecina di m. cubi) e circa un secondo e mezzo (ambienti di alcune migliaia di m. cubi); valori un po' minori sono consigliabili allorché l'ambiente deve servire prevalentemente per la voce, parlata o cantata.
La relazione precedente mostra anche che To può variare grandemente a seconda che la sala sia piena o vuota di persone; questo è da tenere presente nei calcoli e nelle esperienze. Così, se si trattasse d'una sala di m. 12 × 9 × 6, nella quale si potesse supporre a = 0,03, circa, per tutte le pareti (rivestimenti di intonaco ordinario), a sala vuota si avrebbe To = 7″,7, indicante una sonorità assolutamente insopportabile. Ma se si ammettesse che tre quarti del pavimento fossero occupati dall'uditorio, non troppo rado, To scenderebbe immediatamente a circa 1″,2, indicando delle condizioni ottime di udibilità (almeno per quanto riguarda la sonorità susseguente).
La stessa relazione di Sabine indica che cosa debba farsi allorché l'esperienza o il calcolo dànno valori non accettabili di To; si tratterà di variare a in senso opportuno per qualcuna delle parti delle pareti interne; si deve avvertire, al riguardo, che l'effetto dell'applicazione di rivestimenti poco o molto assorbenti è praticamente indipendente dalla loro ubicazione e suddivisione; il che facilita indubbiamente le correzioni. L'uso della relazione di Sabine non deve dispensare però da adatti controlli sperimentali; ché, a causa della difficoltà di precisare il valore di a per molti tipi di superficie (specie se con decorazioni in alto o basso rilievo), la relazione stessa deve considerarsi più come una guida indicante il senso in cui procedere (per tentativi) nelle correzioni, che come un qualche cosa che indichi senz'altro, anche quantitativamente, che cosa si deve fare per giungere al risultato desiderato.
È ancora da avvertire che le proprietà acustiche delle sale vanno modificandosi spontaneamente col tempo, nei primi anni, a causa del graduale essiccarsi delle pareti; cioè, del mutare delle loro proprietà superficiali ed elastiche.
I rapidissimi progressi fatti in questi ultimi decennî dalla tecnica della misura dei fenomeni sonori hanno permesso di collocare su basi solide questo ramo della fisica applicata, mostrando anche il nessun valore di talune pratiche, che molti seguono ancora per tradizioni originatesi in epoche nelle quali nessun controllo quantitativo serio era possibile. Fra queste, va citato l'impiego, notissimo, di fili metallici o di corde, tese ad una certa distanza fra di loro, di fronte a qualche parete o nella parte superiore dell'ambiente. Le misure hanno dimostrato, in perfetto accordo con le previsioni fondate sopra i concetti energetici relativi alla propagazione del suono, che, da sola, l'applicazione di tali fili o corde è priva di qualsiasi efficacia apprezzabile, a meno che il loro numero sia tale da dar luogo veramente ad una superficie apparente (quella di ogni corda è il prodotto della lunghezza per il diametro) notevole; nel quale caso esse si comportano sostanzialmente come un tendaggio (tabella del § 1) suddiviso in un gran numero di parti. Ma nelle usuali condizioni d'impiego, l'effetto è pressoché nullo: l'insieme, p. es., di 50 corde della lunghezza di 15 metri ciascuna e del diametro di 1 cm. non presenta che una superficie apparente di 7,5 mq.; equivale, cioè, presso a poco, ad un tendaggio di appena m. 2,7 × 2,7, e non produrrebbe nel denominatore della relazione di Sabine che una variazione dell'ordine di un paio di unità.
Conseguenze della eterogeneità del mezzo. - La presenza stessa delle persone in un locale chiuso, potendosi ogni persona considerare come una piccola sorgente di calore (da 80 a 120 grandi calorie all'ora, d'ordinario), di anidride carbonica (da 15 a 25 litri all'ora), e di vapore acqueo (da 30 a 50 grammi all'ora), produce inevitabilmente una certa eterogeneità del mezzo, dovuta alle irregolarità locali (continuamente variabili col tempo) di temperatura e di composizione chimica. Ma eterogeneità ben più importanti si hanno quando l'ambiente contiene dei radiatori, che determinino la formazione di colonne ascendenti d'aria assai più calde del mezzo, o è ventilato e riscaldato (o raffreddato) per mezzo della introduzione di quantità rilevanti di aria più calda o più fredda dell'ambiente; ché l'esperienza dimostra quanto sia lento il processo di rimescolamento spontaneo di parti di aeriformi aventi proprietà diverse. Ognuna delle numerosissime superficie di separazione (più o meno nette) fra strati di aria di proprietà diverse, che vengono a trovarsi nell'ambiente, darà allora luogo ai fenomeni di rifrazione e riflessione, ed anche di riflessione totale, ai quali s'è accennato nel § 1; e la regolarità della propagazione del suono ne sarà assai disturbata. Se poi alcune delle superficie di separazione hanno posizione e andamento poco variabile col tempo, potranno anche determinarsi delle zone di ombra acustica, di posizione pressoché costante, nelle quali la intensità energetica media sarà assai minore di quella che corrisponderebbe alla distanza dalla sorgente sonora. Nei rapporti fra sorgente sonora e ascoltatore, potrà avvenire cioè (per quanto in proporzioni assai minori), qualche cosa di simile a quello che avviene se si guarda un oggetto attraverso un mezzo otticamente eterogeneo ma formato di parti separatamente trasparenti (p. es., uno strato di rottami di vetro); nel quale caso, come è noto, l'oggetto non viene visto che molto imperfettamente, a causa delle deviazioni dei raggi luminosi ad ogni attraversamento di superficie di separazione.
Per attenuare questa causa di imperfezione dell'ambiente, assai più comune di quanto non si creda e che acquista una importanza molto grande negli ambienti d'una certa vastità, non c'è che ridurre il più possibile le differenze di temperatura fra l'aria che si introduce e l'ambiente, rendere minime le velocità di introduzione e di estrazione e quindi ampie e regolarmente disseminate le bocche di entrata e quelle di uscita: norme che sono tutte in perfetto accordo con quanto suggerisce, per altre ragioni, la tecnica degli impianti di riscaldamento e ventilazione.
Altri fenomeni perturbatori. - Meno comuni, ma capaci di assumere importanza grande in casi speciali, sono i fenomeni di interferenza, di risonanza, e così via. È molto comune la pratica di provocare dei fenomeni di risonanza, più o meno netta, per rinforzare le sorgenti sonore, riproducendo in grande ciò che da secoli si fa per gli strumenti a corda; al quale scopo si colloca la sorgente sonora (persone, orchestra) sopra delle pedane o delle vere e proprie casse di legno, di dimensioni abbastanza grandi. I risultati che se ne ottengono sono spesso di modesto rilievo, perché l'uso di queste casse di risonanza è fatto generalmente del tutto a caso, o con criterî empirici senza base seria; manca poi sempre, si può dire, un controllo quantitativo che permetta di valutare il vantaggio realmente conseguito e di studiare la possibilità di accrescerlo. È stato fatto anche il tentativo (sala Niendorf, Berlino) di trasformare in una specie di cassa armonica tutta la parte inferiore dell'ambiente (quando è di forma semplice) in cui si trovano gli uditori, rivestendo pavimento e pareti (sino a qualche metro di altezza) con tavole di legno ben connesse; ma si tratta evidentemente di artifici da adoperare con molta cautela.
Le considerazioni precedenti mostrano che non ha ragione d'essere l'opinione, tuttora diffusa, che le buone qualità acustiche degli ambienti possano dipendere da particolarità poco appariscenti della forma e dei materiali impiegati, cioè, da "segreti di costruzione"; opinione accreditatasi soprattutto in seguito agli insuccessi ottenuti nel copiare, in apparenza fedelmente, la forma di certe sale aventi proprietà acustiche notoriamente soddisfacenti. La relazione di Sabine mostra al riguardo che, a parità di forma, la durata sensibile della sonorità susseguente dipende dalle dimensioni assolute dell'ambiente; ché V cresce col cubo delle dimensioni lineari, mentre le s del denominatore crescono soltanto col quadrato di queste dimensioni. Non occorre, poi, rilevare esplicitamente la difficoltà o, meglio, la quasi impossibilità di ritrovare, a distanza di tempo e di luogo, dei materiali (così poco esattamente definibili come quelli impiegati nelle costruzioni) aventi proprio le stesse qualità acustiche; e, ancora, la difficoltà di riprodurre le stesse condizioni di omogeneità del mezzo ambiente.
Pur non essendo qui il caso di entrare in discussioni minute al riguardo, si può affermare che le difficoltà del problema acustico crescono rapidamente con le dimensioni del locale, ma che buone qualità acustiche possono ottenersi con quasi tutte le forme semplici, purché compatte e raccolte, che il buon senso suggerisce. Si devono in genere evitare le grandi superficie liscie, piane o curve che siano, specie se di materiali poco assorbenti; ove la loro adozione sembrasse utile per ragioni decorative (affreschi, vetrate, ecc.) sarebbe indispensabile assicurarsi preventivamente, per mezzo della relazione di Sabine, che la loro presenza può essere neutralizzata dalle proprietà delle superficie interne residue dell'ambiente e che la loro forma e posizione non lasciano temere la formazione di echi molesti. Da questo punto di vista, la presenza, p. es., dei palchetti e delle gradinate nelle sale da teatro e da concerto, è indubbiamente utile.
Sono pure da evitare i soffitti troppo alti o troppo bassi che dànno generalmente luogo ad una sonorità susseguente eccessiva o troppo debole. Gli impianti di riscaldamento e di ventilazione debbono alterare il meno possibile, in funzionamento normale, l'omogeneità dell'aria ambiente.
In conclusione, il problema di costruire una grande sala avente buone qualità acustiche è complesso e difficile, e non può essere risolto che attraverso studî razionali, prove sperimentali e ritocchi successivi, fatti con metodo; soprattutto è irragionevole il sistema, oggi così comune, di progettare la forma, le dimensioni, la decorazione interna e gli impianti tecnici d'una grande sala senza approfondirne preventivamente le ripercussioni sulle qualità acustiche: in questo modo, soltanto per caso si potranno ottenere risultati soddisfacenti.
II. Acustica delle sale. - Dai principî generali scientifici testé stabiliti nei rapporti dell'acustica e dalle considerazioni ora svolte in merito alle qualità da raggiungersi a tal riguardo nelle sale, non è possibile discendere allo studio di forme-tipo razionali per le sale stesse, si riferiscano esse sia a teatri e sale di spettacoli, sia ad ambienti per audizioni musicali, conferenze ed assemblee. Quando si tratta di funzione così complessa, in cui l'effetto dipende da molteplici cause tra loro interferenti e delle quali spesso le più importanti sono, non tanto quelle che hanno rapporto con la forma e con le dimensioni, ma piuttosto quelle che si riferiscono a spiccioli elementi apparentemente trascurabili, è ben difficile, per non dire impossibile, che possa giungersi a schemi architettonici veramente tipici e completi.
Potremo pertanto, passando dal campo della fisica a quello dell'architettura, dare notizia solamente di taluni esempî in cui la perfezione acustica è stata raggiunta di fatto, sicché essi rappresentano sperimentalmente un modello; di talune avvertenze pratiche consacrate ormai da tali esperienze, di taluni tentativi di avviamento a soluzioni più razionali ed ampie; i quali, se ancora non raggiungono una vera importanza di applicazioni concrete, rappresentano tuttavia un interessante inizio che potrà avere risultati di notevole valore.
Nelle sale dei teatri il problema dell'acustica è sempre unito 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. Rimandandone la trattazione alla voce teatro, qui si accennerà solo a taluni tipi principali.
Il teatro dell'antichità classica, a pianta semicircolare, in cui le condizioni visive erano ottime e buone le qualità acustiche, ha dovuto cedere di fronte alle necessità diverse di vita e di economia delle epoche seguenti. Sorsero dapprima principalmente due tipi di sala per teatro: la francese e l'italiana. Questa seconda è stata ritenuta per moltissimo tempo come una delle migliori sistemazioni dal lato acustico. A Venezia, nel 1630, si costruì la prima sala che originò questo tipo, caratteristico per varie file sovrapposte di palchi; attraverso varî tentativi si giunse ad una forma che in linea generale è quella della ellissi allungata, tronca dal lato della scena, cioè il tipo a ferro di cavallo di cui ci diede esempio l'architetto Fontana, creando a Roma il teatro Tordinona. I Bibbiena, famosi costruttori italiani di teatri, diedero grande contributo alla creazione della caratteristica sala italiana. Caratteristico e interessante è il tentativo del Palladio nel teatro Olimpico di Vicenza, in cui l'architetto tentò il passaggio dal tipo di teatro scoperto al tipo coperto (fig. 1). A Roma si ebbe l'Argentina, sempre su pianta ad ellissi e con la parete di perimetro traforata da ordini di palchi tutti sulla stessa verticale. Il San Carlo di Napoli prima (1737) e poi la Scala di Milano (1776), per opera dell'architetto Piermarini, confermarono sotto i rapporti acustici, la bontà di questo tipo di sala teatrale che venne imitato in quasi tutta l'Europa.
In Germania, più tardi, si esperimentarono sale ad anfiteatro su pianta a settore circolare, come a Dresda, a Bayreuth, ecc.; sale riuscite ottime dal lato dell'acustica, ma che si presentano meno soddisfacenti da quello dell'estetica e meno attraenti per il pubblico che per la disposizione dei posti non può godere lo spettacolo della sala come nei teatri del tipo italiano o francese. Ed intanto si determinavano i noti perfezionamenti nei riguardi del collocamento dell'orchestra.
Dall'esperienza basata su questi grandi edifici mirabilmente riusciti e, per converso, dai molti esempî di sale dalle deficienti condizioni acustiche, è possibile giungere ad alcune pratiche conclusioni e formulare talune avvertenze che qui si riassumono. È da tener presente che difficoltà acustiche cominciano ad avvrtirsi allorché il volume della sala supera circa i nove metri cubi per ogni posto del pubblico.
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. Esempio di provvidenze costruttive e decorative per eliminare i riflessi di un soffitto troppo alto e di una cupola abbiamo nel Grosses Schauspielhaus di Berlino in cui nella trasformazione da circo a sala da concerti e teatro fu costruita una cupola suddivisa da speciali ed originali anelli ciascuno formato ed irrigidito da una serie di archetti (fig. 4). Nelle coperture a cupola, oltre la formazione di echi, si può anche avere una risonanza insufficiente e quindi nessun rinforzo dei suoni diretti che giungeranno all'uditorio deboli e leggieri. 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 ed attenuare i 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, di poco inferiore ai tipi centinati. Dove il soffitto ha una curva accentuata, se la sorgente del suono si trova nel centro della curvatura, ne risultano biasimevoli concentrazioni di riflessi. Ad evitare ciò si deve tener presente, che volendo per ragioni varie, p. es. estetiche, avere un soffitto a volta, il raggio della curvatura non dev'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 bene soddisfare alle esigenze acustiche, deve esser piuttosto bassa e lunga e grandi pareti laterali di un'ambiente rettangolare aiutano a diffondere il suono.
Riguardo alla forma generale della sala, sono interessanti gli esperimenti del 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 lampadarî. La possibilità di esperimenti su modelli dimostrarono pure al Sabine la necessità e la maniera di modificare il primitivo progetto di 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 della eco molesta.
Innovazione completa nello 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 una ellissi 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 impossibilità di giri più lunghi alle onde riflesse, e quindi l'eco e una risonanza susseguente troppo tardiva che renderebbe confusi i suoni. Per non cadere in un effetto dannoso il suono riflesso deve seguire a non più di m. 17 e quindi a 1/20 di secondo il suono diretto. La ricerca, non di 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. Quindi è di somma importanza procurare la formazione, a mezzo di parete liscia e dura posta dietro la sorgente sonora, di uno schermo il quale invii i suoni verso l'uditorio. Ciò tentò di ottenere Riccardo Wagner nel teatro di Bayreuth, con l'applicazione di un riparo curvo, specie di cuffia, posto dietro l'orchestra. Questo ufficio era compiuto, nell'antico teatro romano, dalla parete massiccia della scena. In sale da concerti moderne ciò si ottiene con pareti rivestite di materiali lisci, decorativi; p. es., in Hannover, con specchi.
Anche le sedie massiccie per gli spettatori contribuiscnoo 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 si verificano dei casi in cui si ode più forte il suono in posti lontani, accanto alla parete di fondo, che al centro della sala.
Dei supporti costruttivi, e 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 una direzione unica. La dispersione può avere un effetto benefico di diffusione nell'ambiente. Se però i pilastri o le colonne sono numerose nella sala e disposti su file (p. es., nelle chiese) in una 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 a 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 superficie, e si ottiene con rivestimenti varî oppure modificando il volume dell'ambiente. Se si creano irregolarità nelle pareti e nel soffitto per mezzo di decorazioni, di alto e bassorilievi, 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 i comuni rimedî come tendaggi, tensione di fili, velarî, 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 Institute of 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 migliori esigenze dell'acustica.
Non tutte le sale, dal lato acustico, hanno le stesse esigenze e possono essere studiate con gli stessi identici criterî. Bisogna distinguere fra ambienti destinati alla voce parlata, alla musica, al canto, ecc. Dove si faccia della musica è molto importante la ricerca della formazione di una specie di cassa di risonanza: cosa che spesso si ottiene con rivestimenti di legno nella parte inferiore della sala. La posizione dell'orchestra ha anche un'importanza fondamentale per le sale da concerto e teatri da opera. Sembra migliore una posizione un po' più bassa rispetto all'uditorio e un po' sotto la scena, se in teatro.
Il Heyl dà come rapporto fra il volume della sala e il numero degli istrumenti musicali dell'orchestra la seguente tabella:
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 violino e per il canto, divengono anche di cattiva acustica per musica di grande intensità.
Tipo moderno di sala che deve rispondere ad esigenze acustiche è quella che oggi si costruisce per i planetarî (v. planetario). 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. Il diametro della cupola emisferica deve aggirarsi sui 25 metri, quindi le onde sonore eccitate dalla voce dell'oratore vengono riflesse dalla cupola, convergendosi tutte su di una piccola zona che si troverà tra la sorgente sonora e il centro della cupola, e crea così un'eco (dato che per compiere il cammino ci vorrà più di 1/20 di secondo) o quanto meno una coda, che disturba fortemente una parte dell'uditorio. Perciò si costruisce in genere la volta a cupola per mezzo di una leggiera ossatura in ferro o di legno rivestendola di tela di lino. Questa leggerissima volta sferica di tela, però, se non rifletterà che circa il 10% dell'energia sonora, non può impedire che una gran parte del suono possa ancora essere riflesso dalla parete posta dietro la tela. È 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.
Bibl.: A. Favaro, L'Acustica applicata alla costruz. delle sale per spettacoli, Torino 1882; E. Michel, Hörsamkeit grosser Räume, Brunswick 1921; W. C. Sabine, Architectural Acoustics, Boston 1906; id., Collected Papers on Acoustics, 1922; A. H. Davis e W. C. Kaye, The Acoustics of Buildings, Londra 1927.