Ing. Angelo Farina

REPUBBLICA ITALIANA

Ing. Angelo Farina

DIPARTIMENTO

DI INGEGNERIA INDUSTRIALE

PROFESSORE UNIVERSITARIO

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FASCIA – S.S.D. ING-IND/11

Dottore di Ricerca in Fisica Tecnica Cod.Fisc. FRNNGL58P25G337F

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Ing. Malgrande Allestimento Scenico Teatro alla Scala

Via dei Filodrammatici 2 MILANO

Oggetto: progetto della nuova camera per orchestra in pannelli leggeri.

Il presente documento preliminare contiene informazioni tecniche sulle prove di laboratorio effettuate presso questa università al fine di saggiare le proprietà acustiche di pannelli curvi tipo “sandwitch”, per la costruzione della nuova Camera d’Orchestra del Teatro alla Scala.

Nei seguenti capitoli vengono presentate le caratteristiche del materiale individuato ed i risultati delle prove di qualificazione acustica su di esso condotto.

Al presente documento verranno poi allegati altri due documenti:

- analisi comparativa dei risultati dlele misure acustiche condotte nel teatro il 11-06- 2006 a confronto con quelle condotte 10 anni prima (06-11-1996)

- sumulazione al computer del comportamento acustico della nuova camera d’orchestra rispetto a quella attuale

1. Vincoli di progetto e problematiche acustiche

L’attuale camera d’orchestra è realizzata con pannelli curvi in legno lamellare di pioppo (volgarmente detto “compensato”) spesso 5mm, e mantenuto in curvatura da un telaio pure di legno. I pannelli sono fissati l’un l’altro mediante legatura, e un sistema di travi e puntoni serve a mantenere in posizione la struttura verticale. Similmente, la copertura (quando impiegata) è costituita di pannelli dellos tesso tipo, e viene sospesa mediamte i tiri di scena.

Anche il fondale della camera d’orchestra viene sollevato quando non impiegato mediante i tiri di scena, e stoccato nella torre scenica, dietro il sipario.

La seguenti foto mostrano alcuni particolari della attuale camera d’orchestra.

Vista della camera d’orchestra dalla platea

Vista della camera d’orchestra dal retropalcoscenico

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Particolare parte inferiore dei pannelli

Particolare giunto verticale fra i pannelli con profilato di irrigidimento

Il pregio principale della attuale camera d’orchestra è la leggerezza, che consente di movimentare l’intera parete di fondo con i tiri di scena come se fosse un normale fondale scenico. Dal punto di vista acustico, però, un struttura così leggera presenta dei limiti funzionali: una quota non trascurabile di energia sonora passa attraverso la pannellatura, propagandosi nello spazio retrostante, anziché venire riflessa direttamente in sala. Ciò si traduce in una perdita di potenza sonora, ed in una minore “intercomunicazione” fra gli orchestrali.

Va anche detto che questo limite risulta maggiormente evidente a seguito della ristrutturazione della torre scenica, che è oggi caratterizzata da un volume molto maggiore di quello del passato, e contemporanemanete da una grande capacità fonoassorbente. Di conseguenza, dell’energia sonora che giunge nella torre scenica attraverso le pareti della camera d’orchestra, ne torna indietro una quota molto piccola. Prima della ristrutturazione, invece, il volume della torre scenica era minore, e contemporanemante essa era meno fonoassorbente: anche se il tempo di riverbero era lo stesso, l’energia che tornava in sala era maggiore, e conseguentemente lo scarso potere fonoislante della camera risultava un difetto meno grave.

2. Campionatura e scelta del pannello ottimale

La soluzione più ovvia per costruire una nuova camera d’orchestra dotata di prestazioni acustiche migliori sarebbe quella di aumentare lo spessore dello strato di legno lamellare che costituisce i pannelli curvati. Lo spessore normalmente raccomandato per le camere d’orchestra è infatti di non meno di 20mm.

Un tale spessore porterebbe però al sostanziale quadruplicamento del peso del fondale, con conseguente impossibilità a sollevarlo e stoccarlo nella torre scenica come un normale fondale scenotecnico.

Si è quindi ricercata una soluzione tecnica che garantisse comunque buone prestazioni fonoisolanti e fonoriflettenti, pur senza far crescere i pesi.

La soluzione consiste nella relaiazzazione di pannelli sandwitch, costituiti da due foglie esterne in legno lamellare sottile (1.5mm cadauna), e da un “soft core” di elevato spessore (20mm) costituito da un materassino di materiale leggero e rigido.

Sono state effettuate campionature di questo tipo con vari materiali riempitivi e vari tipi

di lamellare di rivestimento (di pioppo, di faggio e di betulla). Le seguenti foto illustrano i

pannelli sandwitch presi in esame in questo studio.

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Sandwitch in lamellare di faggio (2x1.5mm) ed honeycomb di alluminio (15 mm)

Sandwitch in lamellare di faggio (2x1.5mm) e poliuretano espanso rigido (10 mm)

Sandwitch in lamellare di faggio (1.5 mm + 3 mm) e honeycomb in policarbonato (7 mm)

Sandwitch in lamellare di faggio (2x1.5mm) ed honeycomb di polietilene (18 mm)

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Sandwitch in lamellare di pioppo (2x3mm) e polistirene espanso rigido (20 mm)

Sandwitch in lamellare di betulla (2x1.5mm) e polistirene espanso rigido (20 mm)

3. Valutazione prestazione del pannello sandwitch a confronto con il solo legno lamellare

Tenuto conto della esigenza di realizzare in modo economico e stabile nel tempo dei pannelli curvi, ci si è orientati su un pannello sandwitch costituito da:

- strato di legno lamellare non nobilitato di betulla (retro) spesso 1.5mm - materassino in polistirene estruso rigido (Coopbox Stirostamp 20mm) - strato di legno lamellare nobilitato di betulla (fronte) spesso 1.5mm

Infatti gli altri materiali potenzialmente utilizzabili come “soft core” non presentavano la caratteristica di essere facilmente curvati a freddo ed incollati alle foglie di legno lamellare in modo da mantenere la curvatura del pannello. Viceversa, il polistirene estruso consente proprio questo tipo di lavorazione, e viene pertanto impiegato felicemente in tutti i casi in cui occorre realizzare strutture sandwitch non planari (roulottes, campers, vani termoisolanti per furgoni e camion, cappottature su macchinari, etc.)

Su questo pannello sono state effettuate prove acustiche finalizzate alla misura del coefficiente di fonoriflettenza r e del potere fonoisolante R.

I valori misurati su questo pannello sandwitch sono stati posti a confronto con quelli relativi ad un comune pannello di legno lamellare di pioppo spesso 5 mm.

Le misure sono state effettuate impiegando uno speciale apparato ad onde stazionarie, sviluppato in collaborazione con ricercatori dell’Università di Ferrara. Tramite una coppia di sonde intensimetriche, inserite subito a monte ed a valle di un campione di materiale posto all’interno di un condotto, è possibile misurare i flussi di energia sonora entrante ed uscente dal campione, e quantificare cosi’ i due coefficienti r ed R.

In particolare, lo schema di misura è il seguente:

I t

I i

I r

I a

Solido

Ambiente 1 Ambiente 2

Tramite le due sonde instensimetriche, collocate a sinistra ed a destra del pannello, si misurano l’intensità incidente I i , quella riflessa I r e quella trasmessa I t . Per differenza, si ottiene l’intensità assorbita, in quanto il principio di conservazione dell’energia afferma che:

I i = I r + I a + I t

Dividendo per I i , si definiscono poi i tre coefficienti di riflessione, di assorbimento e di trasmissione:

r = I r / I i ; a = I a / I i ; t = I t / I i

la cui somma, ovviamente, è pari ad 1.

Si definisce infine il potere fonoisolante R, in dB, come:

R = - 10 log[t]

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In sostanza, un materiale con buone caratteristiche fonoriflettenti e fonoisolanti è caratterizzato da valori elevati sia di r che di R, a tutte le frequenze.

I seguenti due grafici mostrano il confronto del pannello sandwitch proposto per la futura camera d’orchestra con il pannello di legno lamellare da 5mm oggi impiegato.

Grafico di raffronto del coefficiente di riflessione r

Grafico di raffronto del potere fonoisolante R

Dalla prima figura si nota che il coeff. di riflessione del pannello snadwiutch è mediamente più elevato e molto più uniforme di quello del compensato semplice. Sebbene i valori siano in ogni caso molto elevati, la maggior uniformità di risposta del pannello sandwitch garantisce un suono riflesso meno “colorato” e più naturale.

Dalla seconda figura precedente si osserva che per frequenze inferiori a 2800 Hz il sistema sandwitch è molto più efficiente ai fini dell’isolamento e questo molto probabilmente avviene per le diverse masse in gioco, i diversi meccanismi di propagazione delle onde in due sistemi completamente diversi (uno omogeneo e l’altro sandwich) e anche per diverse condizioni al contorno. Infatti la superficie di contatto con le pareti del condotto di prova nei due casi è molto diversa (5mm per il compensato e 23 mm per il sistema composto). A frequenze superiori il compensato da 5mm sembrerebbe lavorare meglio, ma in tal caso non possono essere trascurati gli errori di misura nel caso del sistema composto.

In sostanza, dai riusltati delle misure effettuate risulta che le prestazioni acustiche del

pannello sandwitch sono perlomeno uguali, e spesso decisamente superiori, a quelle

dell’attuale compensato da 5 mm.

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4. Valutazione della fattibilità tecnica della realizzazione di pannelli curvati

Al fine di valutare l’effettiva realizzabilità di pannelli curvati con “soft core” in polistirene estruso, sono state fatte varie prove di incollaggio in condizioni di assemblaggio non professionali.

Va detto che a livello professionale la colla raccomandata per la realizzazione di pannelli sandwitch curvati da parte del produttore del polistirene estruso è la Henkel Macroplast UR 7228, (colla poliuretanica monocomponente) la cui scheda tecnica viene riportata in allegato alla presente relazione.

Tuttavia tale colla è disponibile solo in confezioni da 30 kg, per cui, per effettuare le prove di incollaggio su pannello pre-curvato, si è preferito impiegare un prodotto molto simile, sempre della Henkel, venduto nei negozi al dettaglio in confezioni da 1 kg. Si tratta del Pattex PU Universal, mostrato nella seguente foto:

Collante impiegato per l’assemblaggio dei pannelli sandwitch curvati

Si è anzitutto realizzato un pannello piano, che è quello utilizzato per i test di isolamento

e riflessione nell’apparato ad onde stazionarie, come mostrato nella seguente foto:

Pannello piano con “soft core” in polistirene estruso

Per la realizzazione di pannelli curvi esistono due possibili tecniche: per pressatura e per flessione da carico di punta. Si è provato a dimpiegare la seconda tecnica, che consiste nel forzare il pannello in polistirine fra due riscontri rigido, in mood che esso si costretto ad imbarcarsi su un lato.

Le seguenti foto mostrano l’incollaggio della prima “pelle” di lamellare (la seconda pelle è adagiata sul fondo, ancora da incollare), dopodiché il pannello viene girato sottosopra, e si procede all’incollaggio della seconda pelle.

Va osservato che, in assenza di compressione applicata fra la pelle ed il “osft core”, l’incollaggio non è comunque ottimale, e restano delle zone di non perfetta aderenza in alcuni punti, mentre in altri la colla in ecesso fuoriesce alle estremità.

Si rietene pertanto che, sebbene la curvatura per “carico di punta” sia in grado di produrre

pannelli con curvatura idonea ed uniforme, la necessità di garantire un duraturo incollaggio

delle pelli faccia preferire la tecnica per pressatura, che garantisce un più intimo e distribuito

contatto fra le superficie da incollare.

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Incollaggio della pelle lignea sulla faccia concava del pannello di polistirene

Incollaggio della pelle lignea sulla faccia convessa del pannello di polistirene

5. Conclusioni

La sperimentazione effettuata ha mostrato che esiste una valida alternativa all’impiego del solo legno lamellare nella realizzazione di pannelli curvati per camere d’orchestra: un materassino di polstirene estruso ha infatti prodotto prestazioni acustiche migliorative rispetto a quelle del solo pannello in legno lamellare, dando luogo alla formazione di pannelli molto più rigidi, che mantengono da soli la forma curva senza scaricare tensioni al telaio di supporto, e che risultano nel complesso più leggeri del pannello oggi impiegato, pur presentando uno spessore pari a circa 5 volte quello attuale (25mm contro 5 mm).

La risposta in frequenza del materiale innovativo proposto è risultata priva di particolari fenomeni di risonanza, o comunque di frequenze a cui si abbiano fenomeni anomali potenzialmente pericolosi per i musicisti: il comportamento rimane abbastanza omogeneo, conforntabile con quello del legno lamellare “puro”.

Chiaramente si tratta pur sempre di pannelli abbastanza smorzati, la cui risposta acustica è molto diversa, ad esempio, da quella che avrebbero pannelli di legno “di risonanza” (come l’abete della Val di fiemme, per intenderci). I pannelli smorzati sono spettralmente neutri e nonj colorano il suono riflesso, un pannello di legno “di risonanza”, invece, imprime al suono riflesso un “colore” molto particolare, derivante sia dalla natura dell’essenza impiegata, sia dalla geometria del pannello stesso (effetto quest0ultimo esalatato dlala presenza di irrigidimenti, “catene”, etc.).

Per lo specifico uso qui previsto, infatti, si ritiene preferibile avere una risposta neutrale e non “colorata”, che funzioni ugualmente bene con tutte le note emesse da ogni tipo di strumento, anziché una risposta peculiare e fortemente caratterizzata, che potrebbe risultare esaltante con certi strumenti, e mortificante con altri...

La soluzione proposta rimane quindo dotata di timbrica e risposta in frequenza confrontabili con quella di altre soluzioni basate sull’impiego unicamente di legno lamellare, forndendo significativi benefici in termini di riduzione del peso a parità di prestazioni acustiche.

Parma, li 3 Novembre 2006

Prof. Ing. Angelo Farina