SIMULAZIONE AL CALCOLATORE DELL ACUSTICA DELL AUDITORIUM OSCAR NIEMEYER IN RAVELLO

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1 Associazione Italiana di Acustica 38 Convegno Nazionale Rimini, giugno 2011 SIMULAZIONE AL CALCOLATORE DELL ACUSTICA DELL AUDITORIUM OSCAR NIEMEYER IN RAVELLO Raffaele Dragonetti(1), Gino Iannace (2), Carmine Ianniello (1), Rosario Aniello Romano (1) (1) DETEC-Facoltà di Ingegneria-Università degli Studi di Napoli Federico II, piazzale Tecchio 80, Napoli. (2) Ri.A.S. Centro Interdipartimentale per il Controllo dell Ambiente Costruito- Facoltà di Architettura-Seconda Università degli Studi di Napoli, via San Lorenzo, Monastero di San Lorenzo ad Septimum Aversa (CE) Sommario Nel recente passato il DETEC ha fornito una consulenza per l acustica dell auditorium Oscar Niemeyer affidandone la responsabilità scientifica a C. Ianniello. Nel primo lavoro pubblicato sul Niemeyer [1] sono riportate informazioni sull auditorium, sulle annose vicende che hanno preceduto l inaugurazione dell opera all inizio del 2010 e sulle misure acustiche effettuate appena prima della inattesa chiusura del complesso. I questo lavoro è riportato un modello realizzato per lo studio acustico dell auditorium in parola mediante un noto software commerciale (Odeon 10.1). Il modello è rappresentativo della condizione di allestimento della sala non occupata, come era predisposta durante i tre giorni del festival di inaugurazione. I risultati della simulazione numerica sono confrontati con i dati ottenuti dalle misure. Il modello tarato è stato utilizzato anche per la valutazione degli effetti della presenza del pubblico nelle poltrone. 1. Introduzione Il complesso concepito nell autunno del 2000 dal famoso architetto brasiliano Oscar Niemeyer (tuttora al lavoro all età di 103 anni) è incastonato in una splendida posizione che guarda la costiera amalfitana dalle colline di Ravello (Fig.1). Le prestazioni acustiche richieste alla sala spaziavano dalla musica sinfonica alla prosa comprendendo balletto, conferenze, cinema, esposizioni, ed altro ancora. Chiara- 1

2 mente, una sala molto polifunzionale i cui principi di progettazione con l acustica variabile sono descritti brevemente in [1]. Fig.1 Viste del complesso dell Auditorium Oscar Niemeyer; (a) dal mare; (b) verso il mare. Dopo molteplici vicende riportate dalle cronache e descritte anche in [2], il complesso fu inaugurato il 29/01/2010 con un breve festival che durò 3 giorni. Durante questo festival l Auditorium ospitò un concerto della Banda dei Carabinieri, un balletto con musica riprodotta, un concerto di sassofono solo, un orchestra sinfonica con coro che eseguì la nona di L. van Beethoven, musica leggera con Lucio Dalla ed orchestra, musica di Vivaldi diretta dal Mo Salvatore Accardo, proiezioni cinematografiche 3D, conferenze e tavole rotonde. Un campionario di eventi acustici davvero molto eterogeneo. L esito di un questionario a cui risposero più di mille intervistati che avevano partecipato al festival, valutazioni di artisti che si e- rano esibiti ed articoli su giornali espressero giudizi positivi sull acustica [1]. Dopo questo evento l Auditorium fu chiuso per contrasti sulla gestione del complesso. Tuttavia, il DETEC riuscì ad effettuare misure acustiche in un tempo molto ristretto nella sala non occupata che si trovava nelle condizioni di allestimento identiche a quelle in cui era stata usata durante il breve festival. 2. Analisi con il calcolatore 2.1. Modello geometrico La Fig. 2 mostra una vista del modello geometrico dell Auditorium con la collocazione della sorgente all altezza di 1,3 m dal pavimento nonché con i nove punti riceventi nell area delle poltrone nelle posizioni simili a quelle utilizzate per le misure riportate in [1] Taratura acustica Il software utilizzato in questo lavoro è l Odeon Come è noto agli utenti, è basato sui principi dell acustica geometrica, in particolare su una tecnica ibrida del tracciamento dei raggi e delle sorgenti immagine. Nonostante la sua potenza di calcolo, come altri codici, richiede molta esperienza nella scelta di un insieme di parametri per ottenere risultati utili. Quando per una sala sono disponibili descrittori dell acustica derivanti da misure in una certa condizione è opportuna una taratura del modello per lo studio di altre condizioni della sala non note da misure. Idealmente il processo di taratura consiste nella minimizzazione delle differenze tra i parametri acustici misurati e quelli calcolati per tutte le coppie sorgente/ricevitore. 2

3 Chiaramente, se in teoria ciò è possibile, la numerosità dei parametri in gioco da assegnare al modello rende molto difficile l operazione nella pratica. Fig.2 Viste del modello geometrico dell Auditorium Niemeyer. L esperienza degli autori e quella di altri utenti di Odeon, nonché di software di natura simile, suggerisce che la taratura in base ai tempi di riverberazione T 30 o EDT produce risultati accettabili per questi due parametri ma altri parametri non sono sempre accettabili. La procedura adottata dagli autori di questo lavoro è l ottimizzazione per tentativi dell insieme dei coefficienti di assorbimento per ottenere un valore medio spaziale di T 30 che differisce non più del 10% dal corrispondente valore di T 30 misurato. Data la geometria impostata dell auditorium, è stato verificato che le variazioni di altri parametri necessari alla procedura di calcolo non avevano una forte influenza su T 30. Pertanto, la minimizzazione è stata effettuata sostanzialmente aggiustando i coefficienti di assorbimento delle superfici per ciascuna banda ottava. Fig.3 Risultati della taratura del modello acustico dell Auditorium Oscar Niemeyer : paragone tra i valori medi di T 30 (linee continue) e tra le rispettive deviazioni standard (linee a punti). 3

4 Usualmente, il grado di soddisfazione dell accordo è quantificato da differenze minori della differenza minima percepibile (JND). Anche se diversi autori, ad e- sempio [3], ritengono JND = 5%, il documento ISO 3382 [4] non riporta un valore di JND per T 30 esplicitamente. La Fig. 3 mostra il risultato della taratura. I dati nella Fig.3 e nella Tabella 1 mostrano che le differenze conseguite sono al di sotto del limite 5%, con un valore massimo a 1 khz minore del 4,3%. La deviazione standard, interpretabile come un indice sintetico della dispersione spaziale di T 30, alle frequenze basse presenta valori misurati più alti di quelli calcolati. Probabilmente, questo è imputabile al carattere ondoso del campo sonoro più marcato alle frequenze basse che il software non rende a sufficienza. La Tabella 1 riporta il valore assoluto delle differenze percentuali Δ % = 100 x (T 30, misurato T 30, calcolato )/ T 30, misurato tra i valori medi misurati ed i corrispondenti calcolati. Tabella 1. Differenza percentuale tra i valori medi spaziali di T 30 Δ % F (Hz) Δ % (%) 1,86 0,98 1,85 1,48 4,26 3,78 1,13 2, Confronto tra i valori misurati e calcolati per altri parametri La Fig. 4 mostra il paragone tra i valori medi spaziali misurati e quelli calcolati dei parametri EDT, C 80, D 50 e LF. Questo confronto evidenzia che pur con una soddisfacente taratura effettuata sul parametro fondamentale T 30 si riscontrano differenze tra i valori medi misurati e quelli derivanti dal modello tarato di entità maggiore in vario grado. Come era lecito attendere, i valori di EDT sono quelli più vicini a quelli misurati. L adattamento peggiore risulta per l efficienza laterale LF. Una quantificazione più precisa delle differenze riscontrate è riportata nella Tabella 2 in cui sono evidenziate in grigio le differenze maggiori del 10%. Il simbolo Δ% per questi parametri ha lo stesso significato di quello definito per la Tabella 1. In tutti casi si nota che il software, come utilizzato, calcola dispersioni spaziali minori di quelle valutate dai dati sperimentali Valutazione dell influenza dell occupazione del pubblico Per studiare l influenza dell occupazione del pubblico sui parametri acustici, in particolare su T 30 ed EDT, nel modello tarato sono stati sostituiti i coefficienti di assorbimento delle poltrone vuote nell area destinata al pubblico con quelli delle poltrone occupate (verde in Fig.2). I coefficienti di assorbimento utilizzati sono riportati nella Tabella 3. Quelli nella seconda riga si riferiscono all area a gradini con le poltrone non occupate e derivano dal processo di taratura (NO). Quelli nella terza riga attengono alla condizione di occupazione piena e sono tratti dalla biblioteca dei coefficienti di assorbimento inclusa nel software Odeon 10.1 (OP). Il risultato appare realistico per EDT e T 30 mentre per C 80 e D 50 si nota solo la tendenza attesa che alla modesta riduzione dei tempi di riverberazione corrisponde un incremento modesto degli indici della chiarezza ma l aderenza ai valori misurati non è soddisfacente. D altronde, queste discrepanze sono evidenziate già nella Fig. 4. Un ipotesi che può spiegare perché nelle bande ottave a 125, 250 e 500 Hz i due indici della chiarezza presentano una rilevante diminuzione rispetto ai loro valori nelle altre bande è legata ad un fenome- 4

5 no ondoso che il software ed il modello geometrico realizzato non portano in conto adeguatamente. Si tratta del noto seat dip effect che si manifesta come un attenuazione selettiva causata dalla propagazione delle onde sonore lungo direzioni prossime al piano che tocca la cima della distribuzione ordinata delle poltrone [5,6,7]. Date le dimensioni e la distribuzione più usuali delle poltrone, l attenuazione dell energia sonora coinvolge le bande ottave appena menzionate. Nella realtà l effetto si verifica anche se le poltrone sono occupate. Fig.4 Un ulteriore paragone tra parametri acustici misurati e calcolati. Tabella 2. Differenza percentuale tra i valori medi spaziali di altri parametri acustici. f (Hz) EDT 3,54 1,52 0,34 6,43 9,02 1,13 3,98 13,06 Δ% (%) C80 40,07 83,63 189,36 35,75 5,36 2,60 4,61 26,18 Δ% (%) D50 14,01 20,07 30,61 8,27 8,00 8,38 11,10 19,57 Δ% (%) LF Δ% (%) Tabella 3. Coefficienti di assorbimento dell area destinata al pubblico f (Hz) NO 0,35 0,45 0,35 0,40 0,50 0,50 0,50 0,50 OP 0,62 0,62 0,72 0,80 0,83 0,84 0,85 0,85 5

6 La Fig. 5 mostra i valori medi spaziali dei parametri misurati senza l occupazione del pubblico (tutte le poltrone sono vuote) a paragone con i valori corrispondenti ottenuti con la simulazione numerica nell ipotesi di occupazione completa. (tutte le poltrone sono occupate). Fig.5 Paragone tra i valori medi spaziali di parametri acustici misurati senza occupazione del pubblico ed i valori medi spaziali calcolati con la presenza del pubblico. 3. Conclusione L esperimento numerico descritto brevemente sopra consente le considerazioni seguenti. 1) Dal 1968, quando fu pubblicato un lavoro che può essere considerato il capostipite dei codici di calcolo per l analisi del suono negli auditori [8], sono stati commercializzati più di una dozzina di pacchetti di software per l analisi in parola. Due o tre hanno avuto sviluppi sofisticati in varie forme con aggiornamenti continui nel corso di decenni ma nessuno di essi consente ancora previsioni con la precisione del 100%. Una discussione riguardo è riportata in [9]. 2) I modelli dei processi fisici relativi alle interazioni del suono con i confini dell aria sono schematizzati in vari modi e richiedono scelte non sempre univoche di parametri necessari a ciascuna procedura di calcolo (numero di poligoni che rappresentano l interfaccia con l aria, coefficienti di assorbimento, coefficienti di 6

7 scattering, numero di raggi, ovvero di vettori di energia, ed altri ancora). Nonostante i più avanzati siano dotati di librerie di dati le scelte non sono sempre ovvie. 3) Quasi sempre è necessaria una taratura del modello in studio per applicarlo ed estenderne l uso. Nel riferimento [10] è proposta una procedura per questo scopo. 4) Nel riferimento [11] è discussa la necessità della valutazione dell incertezza dei risultati conseguiti con l uso di mezzi di previsione del suono negli ambienti confinati. Spesso i risultati sono ritenuti corretti arbitrariamente. L unico modo che può consolidare la fiducia in una previsione o in una procedura è la verifica con misure strumentali in un ambiente reale. È opinione degli autori che questi mezzi di previsione del suono in ambienti chiusi hanno un ruolo importante nella progettazione acustica di sale ed auditori ma è indispensabile la conoscenza delle basi teoriche della modellazione e dei limiti connessi a ciascuna assunzione circa la modellazione delle fenomenologie coinvolte ed all importanza della loro influenza sui risultati della simulazione. Anche i dati riportati nelle biblioteche a corredo devono essere considerati solo come utili indicazioni. Ad esempio, è nota la difficoltà della scelta dei coefficienti di assorbimento e le perplessità che sussistono sui valori di queste proprietà introdotte sin dai tempi di Sabine. È condivisibile l opinione di molti studiosi che ritengono che essi dipendono dal modello fisico teorico utilizzato per la loro determinazione. Paradossalmente, si giunge alla conclusione che la loro determinazione efficace diventa un problema inverso specifico del modello in corso di simulazione. 4. Bibliografia [1] Dragonetti, R., Ianniello, C., Romano, R., Preliminary acoustic measurements in the Auditorium Oscar Niemeyer in Ravello; invited paper in Proceedings INTERNOISE 2010, June 13-16, Lisbon, Portugal, paper 709. [2] AA:VV.; Fondazione Ravello, Auditorium Oscar Niemeyer Ravello; 2010 Fondazione Ravello. [3] Bork, I. Comparison of room simulation software-the 2nd round robin on room acoustical computer simulation, Acta Acustica united with Acustica, vol. 86, (2000) [4] ISO : 2009(E) Acoustics: Measurement of room acoustic parameters Part 1: Performance spaces. [5] Schultz T. J,. Watters G, Propagation of sound across audience seating, J. Acoust. Soc. Am., vol. 36 (1964) [6] Sessler G. M, West J. E., "Sound transmission over theater seats, J.Acoust. Soc. Am., vol.36 (1964) [7] Ando Y.A., Takaishi M.,.Tada K, Calculations of the sound transmission over theater seats and methods for its improvement in the low frequency range, J. Acoust. Soc. Am.. vol. 72 (1982) [8] Krokstad A., Strøm, S., Sørsdal, S., Calculating the acoustical room response by the use of a ray tracing technique, J.Sound Vib., vol.8 (1968) [9] Howarth M. J., Lam Y. W., An assessment of the accuracy of a hybrid room acoustics model with surface diffusion facility, Applied Acoustics, vol. 60, (2000)

8 [10] Dalenbäck B.I, Svensson U. P., A prediction software interface for room acoustic optimization, Proceedings of 19th International Congress on Acoustics ICA 2007, Madrid, 2-7 September 2007, 1-6. [11] Vorländer M., Performance of computer simulations for architectural acoustics, Proceedings of 20th International Congress on Acoustics, ICA August 2010, Sydney, Australia,