1. ACUSTICA DELLA CAMPANA e ANALISI TONALE

Matteo Padovani

La campana "Gloriosa" del Duomo di Erfurt, Germania (disegno di Matteo Padovani)

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Introduzione

Il presente elaborato intende fornire un insieme di fondamentali nozioni tecnico–scientifiche sull’acustica della campana. La letteratura campanaria italiana, a differenza di quella mitteleuropea e tedesca in particolare, non ha mai finora affrontato in modo esauriente questo importantissimo argomento, ma si è quasi sempre limitata a brevi cenni.
Le pagine che seguono, frutto di discussioni e confronti con vari esperti di campanologia e alcuni fonditori di campane italiani ed europei, fissano l'attenzione sui principali concetti della moderna scienza campanologica mitteleuropea.

Colonia (D), Cattedrale San Pietro, campana “Petersglocke”
DO2 Ø mm 3240 kg 24000
anno 1923 Heinrich Ulrich, Apolda

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Sommario

1. CARATTERISTICHE GENERALI DEL SUONO

    Altezza, intensità, timbro 

2. VIBRAZIONE DELLA CAMPANA 

3. STRUTTURA TONALE DELLA CAMPANA

   Nota nominale, toni parziali,  tipologia della campana

4. RILEVAZIONE TONALE

    Rilevazione tonale ad orecchio, rilevazione tonale strumentale

5. ACCORDATURA DELLE CAMPANE

    Storia e origini, rettifica tonale, frequenza convenzionale di riferimento

6. IL METALLO PER LA FUSIONE DELLE CAMPANE

7. FATTORI DI CONDIZIONAMENTO DELLA RESA DEL SUONO

    Sistema di montaggio, battaglio e punto di battuta, telaio e ceppi di sostegno, maturazione del suono di una campana nuova, risonanza della cella campanaria, quota della cella campanaria, distanza di ascolto

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1. CARATTERISTICHE GENERALI DEL SUONO

Il suono è prodotto da un corpo elastico il quale, sottoposto a una deformazione, tende a riprendere la sua forma primitiva, vibrando per un certo periodo di tempo e trasmettendo l’effetto acustico a ciò che lo circonda. Le vibrazioni della sorgente sonora, per essere trasmesse, hanno bisogno di un mezzo propagante, come ad esempio l’aria, attraverso la quale le onde si propagano ad una velocità di circa 340 metri per minuto secondo.

La campana è uno strumento musicale che emette il suono grazie alla percussione esercitata dal battaglio. La percussione causa nel vaso sonoro una deformazione (impercettibile alla vista) e una serie di vibrazioni prolungate nel tempo, più intense un istante dopo la percussione e progressivamente decrescenti fino al raggiungimento dello stato di quiete.

I suoni presentano tre importanti caratteristiche: ALTEZZA, INTENSITA', TIMBRO.

A) ALTEZZA: è in funzione del numero di oscillazioni compiute dalla sorgente acustica in una data porzione di tempo. Ogni suono ha un moto oscillatorio periodico, cioè mantiene costante il numero di oscillazioni nel tempo, tale moto viene misurato in frequenze. Più numerose sono le oscillazioni, più alta è la frequenza e il suono risulta più acuto. Al contrario, un numero minore di oscillazioni produce una frequenza più bassa e il suono risulta più grave. L’unità di misura della frequenza è l’Hertz, che indica il numero di oscillazioni nel periodo di tempo di un minuto secondo.

Il suono n.2 compie un maggior numero di oscillazioni rispetto al suono n.1 e risulta più acuto.

B) INTENSITA': quantifica l’energia di un suono in base all’ampiezza delle vibrazioni. L’energia effettiva e assoluta delle oscillazioni è misurata in Watt, mentre le sensazioni percepite dall’orecchio umano sono misurate in Decibel.

Il suono n.2 possiede la stessa altezza del suono n.1, ma possiede più energia ed è quindi più intenso.

C) TIMBRO: è dato dalla presenza di più suoni, generati contemporaneamente dalla medesima sorgente acustica. Il primo suono è detto principale o fondamentale, gli altri suoni sono detti armonici. Il timbro è dato dalla sovrapposizione delle diverse onde sonore; la forma dell’onda risultante determina la personalità e le caratteristiche del suono. 

Suono fondamentale, armonici, e onda risultante come sovrapposizione dei vari suoni singoli

L’armonico, per definizione, emette una frequenza multipla (doppia, quadrupla, ecc…) rispetto al suono fondamentale. Nel caso specifico delle campane, il termine armonico diviene improprio, poiché nella campana si generano suoni le cui frequenze non hanno fra loro legami matematici di tipo multiplo (eccetto il caso dell’esatta ottava superiore). Pertanto nelle campane non si parla di armonici, ma di Toni Parziali.

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2. VIBRAZIONE DELLA CAMPANA

La particolare forma della campana genera varie sorgenti sonore, diversamente posizionate, che interagiscono tra loro e determinano uno spettro sonoro molto complesso. Il punto di percussione determina lo sviluppo e la direzione delle diverse onde vibranti. La vibrazione della campana avviene simultaneamente in due direzioni: lungo la circonferenza e dall’alto verso il basso, formando zone Ventrali di massima energia e zone Nodali di energia nulla, variamente distribuite. L’ampiezza di vibrazione è massima al bordo, e diminuisce avvicinandosi al vertice.

Rappresentazione grafica della deformazione della campana, in varie posizioni del vaso sonoro ed in conformità alla localizzazione dei principali TONI PARZIALI. Si notano ZONE VENTRALI chiare di energia massima (V) e le ZONE NODALI scure di energia nulla (N). Le frecce indicano la direzione della battuta (d).

La durata di un suono viene convenzionalmente suddivisa in tre momenti:

Nella campana, analogamente a quanto avviene negli strumenti musicali a percussione, il momento transitorio di attacco coincide con il brevissimo istante del tocco di battuta. Il regime stazionario, ossia lo stato in cui la sorgente sonora rimane attivata per un certo periodo temporale (come negli strumenti a fiato e nella voce umana) nella campana viene considerato non rilevante. Assume invece particolare importanza il momento transitorio di estinzione, di durata considerevole, che inizia un istante la battuta e termina con il raggiungimento dello stato di quiete, nel quale si evidenziano le caratteristiche del suono e la composizione della struttura tonale. Il momento transitorio di estinzione è detto anche risonanza decrescente.

Vaso sonoro della campana con la localizzazione della NOTA NOMINALE e delle zone di maggiore influenza dei TONI PARZIALI PRINCIPALI Prime = PRIMA Quinte = QUINTA   Unteroktave = OTTAVA INFERIORE   Terz = TERZA   Oberoktave = OTTAVA SUPERIORE   Schlagton = NOMINALE o NOTA DI BATTUTA o FONDAMENTALE

L’Analisi della struttura tonale della campana prevede le seguenti rilevazioni:

NOTA NOMINALE

La NOTA NOMINALE, detta anche NOTA DI BATTUTA, NOTA FONDAMENTALE o semplicemente NOMINALE, è localizzata sul bordo di percussione, dove lo spessore del vaso sonoro è massimo. Essa viene comunemente identificata con il colpo di percussione provocato dal battaglio.

La NOMINALE è data dalla temporanea sovrapposizione dei vari toni parziali; la sua definizione appropriata è possibile solamente nel brevissimo intervallo temporale successivo alla percussione, prima cioè che il suono inizi a scomporsi in modo differenziato e progressivo nei vari toni parziali. Nell’analisi tonale la determinazione della NOMINALE è un’operazione di primaria importanza. Essa infatti identifica il nome musicale da assegnare alla campana e costituisce la base di riferimento per determinare gli intervalli con i vari toni parziali.

TONI PARZIALI

La struttura tonale della campana è costituita dall’insieme di tutti i Toni parziali, originati dalle varie sorgenti sonore. I Toni Parziali vengono anche detti Toni Superiori, poiché la loro localizzazione lungo il profilo del vaso sonoro è più elevata rispetto alla NOMINALE. Il numero dei toni parziali è considerevole: in una campana di grandi dimensioni, tramite analisi strumentale, se ne possono individuare circa cinquanta.

I cinque toni parziali più intensi e più facilmente individuabili, che concorrono in modo diretto alla definizione della struttura tonale, vengono detti Toni Parziali Principali ed assumono le seguenti denominazioni: PRIMA, TERZA, QUINTA, OTTAVA SUPERIORE, OTTAVA INFERIORE. Le denominazioni dei toni parziali, come si può facilmente intuire, sono state assegnate in base all’intervallo musicale che, per convenzione, li separa dalla NOTA DI BATTUTA. Nella campana ideale i toni parziali rispettano con precisione i rispettivi intervalli della scala musicale.

Lo schema del vaso sonoro della campana permette di localizzare le diverse sorgenti che originano i toni parziali principali. Tali sorgenti, anche se originano frequenze e toni diversi, sono collocate fisicamente sul medesimo corpo vibrante ed interagiscono reciprocamente. Ogni singolo tono parziale, essendo originato da una sola frequenza, viene definito come tono puro. La sovrapposizione di più toni puri determina la formazione di fenomeni risultanti, detti anche toni misti, che non devono essere confusi con i toni parziali propriamente detti.

La presenza di toni con frequenza similare può generare battimenti, effetti ondulatori che in genere influenzano negativamente la resa del suono.

Definizioni dei Toni Parziali Principali della campana

PRIMA

Tono particolarmente intenso, la cui sorgente è localizzata nella parte alta del vaso sonoro, immediatamente sotto la calotta. Pur essendo di breve durata, rafforza la nominale e presenta la massima intensità pochi istanti dopo la battuta. Nella campana ideale la sua altezza musicale coincide con la nominale, ma possono esservi differenze anche di notevole entità; i margini di tolleranza verso il basso risultano più ampi, in quanto l’estetica sonora tollera maggiormente il calo tonale rispetto alla crescita.

TERZA

Tono particolarmente intenso, la cui sorgente è localizzata nella parte bassa del vaso sonoro, un poco più in alto rispetto al bordo di battuta. Compare insieme alla nominale e la sua durata è abbastanza prolungata. Il tono è detto anche TERZA MINORE poiché la sua distanza ideale dalla nota nominale è pari ad un tono e mezzo, con variazioni generalmente comprese entro intervalli minimi. Alcune campane moderne, appositamente progettate, generano un parziale di TERZA MAGGIORE.

QUINTA

La sorgente è collocata a circa metà altezza del vaso sonoro e la distanza ideale dalla nominale corrisponde ad un intervallo musicale di quinta. Le divergenze possono essere di notevole entità; nella maggior parte dei casi il tono risulta crescente. Nella zona di influenza della QUINTA si genera un particolare fenomeno risultante, individuabile tramite percussione. Se il tono parziale di quinta è di altezza ideale, il fenomeno risultante presenta un intervallo musicale di terza maggiore rispetto alla nota nominale. Ad una crescita (o calo) della quinta, corrisponde una crescita (o calo) del fenomeno risultante.

OTTAVA SUPERIORE

La sorgente è collocata sul bordo di percussione. Come dice il nome stesso, questo parziale si colloca un’ottava più in alto rispetto alla Nominale, rispettando con notevole precisione l’intervallo musicale ideale. Pur essendo di breve durata e di limitata intensità, il tono sostiene e rafforza la nominale.

OTTAVA INFERIORE

Si tratta del più importante fra tutti i toni parziali della campana. Esso si colloca musicalmente un'ottava più in basso rispetto alla nominale e la sua sorgente è collocata poco al di sotto della metà altezza del vaso sonoo. Si tratta di un tono particolarmente intenso, che si origina con la battuta e accompagna il suono in modo duraturo, caratterizzando l'intera vibrazione della campana fino alla completa estinzione del suono. L’intervallo musicale fra la NOMINALE e l’OTTAVA INFERIORE definisce la Tipologia della campana, di cui tratteremo nel prossimo paragrafo.

TIPOLOGIA DELLA CAMPANA

La campanologia classifica la Tipologia della campana in base all’intervallo musicale esistente fra la NOMINALE ed il tono parziale OTTAVA INFERIORE. Le tipologie sono riconducibili a quattro:

TIPOLOGIA OTTAVA

Il tono parziale ottava inferiore si colloca esattamente un’ottava sotto la nominale, determinando un intervallo musicale esatto [esempio: nominale DO3, ottava inferiore DO2]. La tipologia Ottava costituisce il modello di riferimento ideale e identifica le campane di migliore qualità appartenenti ad ogni epoca storica. Nelle campane moderne costituisce un requisito obbligatorio. La tipologia Ottava prevede le seguenti tolleranze tonali: da + 3 a – 10/16° (da + 19 a – 63/100°) di semitono rispetto al valore ideale. Le tolleranze sono ristrette in quanto il tono ottava inferiore – per meglio interagire fisicamente con la nominale – deve risultare il più possibile preciso. I margini di tolleranza verso il basso risultano più ampi, in quanto l’estetica sonora tollera maggiormente il calo tonale rispetto alla crescita. Se il tono ottava inferiore cresce oltre i + 3/16°  (+ 19/100°) la tipologia della campana diviene Settima; se invece cala oltre i – 10/16°  (– 63/100°) la tipologia diviene Nona.

TIPOLOGIA NONA

Il tono parziale ottava inferiore risulta calante rispetto all’altezza ideale. La tipologia Nona è una caratteristica riscontrabile soprattutto nelle sagome pesanti di epoca medievale e rinascimentale. Il calo tonale del tono ottava inferiore può generare un effetto avvolgente e in grado di apportare benefici all’estetica sonora; non a caso il margine inferiore di tolleranza è abbastanza ampio. Essa viene identificata dal seguente calo tonale: – 10,5/16° e oltre (– 64/100° e oltre) di semitono rispetto al valore ideale. La tipologia Nona è da considerarsi un difetto nelle campane moderne, anche se di entità inferiore rispetto alla tipologia settima.

TIPOLOGIA SETTIMA

Il tono parziale ottava inferiore risulta crescente rispetto all’altezza ideale. La tipologia Settima, caratteristica comunemente riscontrabile nelle campane di epoca barocca e nelle sagome leggere in genere, è normalmente sinonimo di campana difettosa. L’intervallo tonale di definizione della Settima è molto ampio: da + 3,5 a + 40/16° (+ 20 / + 250/100°) di semitono rispetto al valore ideale. Vi sono alcune campane storiche, di tipologia Settima, in grado di esprimere una certa estetica sonora; si tratta però di campane rare, comunque supportate da requisiti timbrici particolari e con una crescita dell’ottava inferiore in ogni caso contenuta. Nelle campane moderne la tipologia Settima è da considerarsi un difetto di grave entità.

TIPOLOGIA SESTA

Il tono parziale Ottava inferiore risulta crescente di circa un tono e mezzo rispetto all’altezza ideale. La tipologia Sesta, riscontrabile in alcune campane di epoca barocca, è stata espressamente studiata in alcune campane moderne (realizzate perlopiù in acciaio) per farla corrispondere al tono parziale di terza minore anziché alla nominale [esempio: nominale DO3, terza minore MIb3, ottava inferiore “sesta” MIb2]. La tipologia Sesta non è espressamente regolata da strumenti normativi; tuttavia, rispetto al valore di riferimento collocato un tono e mezzo sopra l’Ottava inferiore ideale (+ 48/16°; + 300/100° di semitono) possiamo considerare una tolleranza di ± 8/16° (± 50/100°) di semitono.

Quando si effettua un’analisi tonale, è opportuno indicare il differenziale tra il valore ideale ed il valore reale dell’ottava inferiore; tale differenziale può essere indicato con il simbolo “Δ”.

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4. RILEVAZIONE TONALE 

La Rilevazione Tonale consente di effettuare una completa e precisa analisi delle caratteristiche musicali della campana. La rilevazione può essere effettuata in cella campanaria sulle campane ferme, oppure in fonderia nel caso di campane di nuova realizzazione. Le modalità di rilevazione tonale sono riconducibili a due:

RILEVAZIONE TONALE STRUMENTALE La rilevazione strumentale consente una precisione superiore rispetto a quanto possibile con l’orecchio umano, dato che gli strumenti di rilevazione sono in grado di misurare l’esatta frequenza corrispondente alla nota musicale. Il diapason a cursori regolabili (figura a destra) normalmente tarato sul LA3 di 435 Hertz o vibrazioni doppie per secondo (Corista di Vienna 1885 e Normative Campanologiche di Limburg 1951) consente una precisione di 1/16° di semitono (1/32° di tono). Il diapason è un apparecchio acustico costituito da una forchetta di acciaio con due branche o rebbi fissati ad un manico, sui rebbi sono posti due cursori regolabili in altezza. La percussione sull’estremità dei rebbi provoca la vibrazione del diapason; la frequenza di vibrazione è variabile e dipende dalla posizione dei due cursori. Il rilievo musicale con il diapason richiede un orecchio esperto ed allenato. L’operazione avviene per tentativi, spostando lievemente i cursori finchè l’apparecchio, appoggiato alla campana, entra in vibrazione con essa. Osservando infine la scala graduata impressa sui rebbi del diapason, si effettua la lettura ottica in frazioni di tono della nota musicale rilevata.  La rilevazione della Nominale non avviene in modo diretto, in quanto la Nominale stessa non è una nota pura ma è data dalla sovrapposizione di più frequenze di diversa altezza. Con il diapason si effettua il rilievo del tono parziale Ottava Superiore (presente sul bordo di percussione) la cui frequenza, per comodità convenzionale, viene considerata doppia rispetto alla Nominale (le divergenze sono di minima entità, inferiori a 1/32° di tono). Analogamente alla Nominale / Ottava Superiore, il diapason consente di rilevare anche gli altri toni parziali. Una rilevazione appropriata richiede non solo la corretta localizzazione dei parziali sul vaso sonoro, ma anche la capacità di riconoscere ad orecchio i singoli suoni prima ancora di stabilirne la valenza numerica strumentale.

Analogamente al diapason, anche i programmi computerizzati devono essere sempre utilizzati da persone dotate di orecchio esperto e competenza campanologica. Qualunque apparecchio di rilevazione, sia esso un diapason o un programma computerizzato, può solamente affiancare l’orecchio umano ma non può in alcun modo avere la pretesa di sostituirlo totalmente. Inoltre, un impiego errato del computer o l’utilizzo di programmi inadeguati, possono facilmente portare a risultati fuorvianti. Una quantificazione numerica di alta precisione diviene inefficace se, prima ancora delle apparecchiature di rilievo, mancano persone competenti in grado di comprendere con cognizione di causa il significato delle cifre. 

Il sistema di divisione dell’ottava musicale in 12 semitoni di uguale intervallo prende il nome di sistema temperato, teorizzato verso la fine del secolo XVII, che costituisce la base del sistema musicale moderno. Ogni nota emette una frequenza doppia rispetto alla corrispondente nota dell’ottava musicale più bassa, e dimezzata rispetto alla corrispondente nota dell’ottava musicale più alta: per esempio il LA 3 di 435 (440) Hz ha frequenza doppia rispetto al LA 2 di 217,5 (220) Hz, e dimezzata rispetto al LA 4 di 870 (880) Hz. Il rapporto che regola le frequenze di ciascun semitono è di tipo logaritmico: la frequenza di ogni semitono successivo viene calcolata moltiplicando il valore numerico per la radice dodicesima di 2, ovvero 1,059463094.

Esempio di analisi tonale e compilazione della tabella con i dati rilevati

VERONA, Chiesa di SAN GIORGIO IN BRAIDA

*             Analisi tonale:     1/16° di semitono  ÷  1/32° di tono;  LA3 435 Hz

**           Δ = differenziale tra il valore ideale ed il valore reale del tono Ottava inferiore

                Rilevazioni tecniche ed analisi tonale: Matteo Padovani, Flavio Zambotto        Verona, Luglio 2008

Gli Hemony inventarono anche il primo tornio per la rettifica tonale delle campane. Lo strumento prevedeva il posizionamento capovolto della campana e la sua rotazione sull’asse verticale ad opera di cinque o sei uomini, mentre la tornitura avveniva tramite una colonna fissa dotata di punte in acciaio che veniva inserita all’interno del vaso sonoro. Quasi contemporaneamente agli Hemony, la pratica della rettifica tonale venne avviata anche in Inghilterra in seguito allo sviluppo della tradizione di suono a rotazione completa detta Change Ringing. L’adozione del tornio in Inghilterra (chiamato propria-mente tuning machine, ovvero macchina per accordare) avvenne però a partire dal 1790, quando venne costruito il primo apparecchio che prevedeva il capovolgimento della campana e la rotazione della colonna tramite la forza trainante di un asino (figura a sinistra). Dalla metà del secolo XIX furono adottati i primi torni funzionanti a motore.

I primi impieghi delle campane per scopi musicali, come abbiamo visto nel caso dei carillon e del Change Ringing inglese, avviarono quindi la pratica della rettifica tonale in fase di rifinitura del prodotto. In Italia Settentrionale, nei secoli XVIII e XIX, con lo sviluppo delle tradizioni di suono a rotazione completa, iniziarono ad essere eseguiti i primi interventi di ritocco musicale sulle campane, interventi la cui precisione, anche se lontana da quella raggiunta in altri paesi, poteva comunque considerarsi apprezzabile. Le rettifiche tonali eseguite in Italia non prevedevano l’utilizzo del tornio ma di strumenti artigianali come lime e scalpelli, e ciò ne rendeva alquanto laboriosa l’esecuzione. In Inghilterra, già dal secolo XVIII, venivano eseguiti anche interventi di rettifica tonale su concerti di campane già posti in opera sulle torri, interventi che talvolta potevano interessare anche campane storiche allo scopo di adeguarle alle nuove esigenze musicali; le rettifiche su torre prevedevano l’impiego di un particolare martello con le estremità a forma di scalpello. Fra i primi interventi di rettifica tonale su torre eseguiti in Italia, fece notizia quello eseguito nel 1818 dal fonditore Gaetano Brighenti sulle campane della Basilica di San Petronio a Bologna.

Le metodologie di rilievo delle note musicali non erano inizialmente supportate da strumenti appropriati, e se si eccettua il metodo artigianale dello xilofono utilizzato dagli Hemony nel secolo XVII, ogni valutazione veniva fatta esclusivamente ad orecchio. Il diapason o corista, apparecchio acustico vibrante a nota fissa inventato nel 1711, serviva ad uniformare l’accordatura degli strumenti musicali o a dare l’intonazione alle voci; l’emissione di una nota fissa, però, rese inizialmente difficile l’utilizzazione pratica del diapason per l’accordatura delle campane. Nel secolo XIX i fonditori utilizzavano insiemi di diapason a nota fissa con differenze di un semitono fra i vari apparecchi, ma la vera svolta avvenne alla fine del secolo XIX con l’adozione del diapason a cursori regolabili, il quale rendeva possibile la misurazione della nota musicale in frazioni di tono fino a 1/32°.

Fra il secolo XIX e l’inizio del secolo XX molte fonderie mitteleuropee si dotarono di moderni torni, divenuti oggi strumenti indispensabili per l’esecuzione di rettifiche tonali corrette e appropriate sulle campane di nuova produzione. L’unica fonderia italiana ad avere utilizzato un tornio per la rettifica tonale delle campane è stata la ditta Cavadini di Verona, a partire dal 1920 circa.
I moderni strumenti di rilevazione musicale, come il diapason a cursori regolabili ed i programmi computerizzati di analisi tonale spettrografica, rendono possibile l’analisi del suono e l’accordatura delle campane con la massima precisione (La trattazione dei moderni strumenti di rilevazione tonale è stata affrontata nel Capitolo 4, RILEVAZIONE TONALE).

RETTIFICA TONALE 

La Rettifica tonale è l’operazione di modifica e correzione delle caratteristiche tonali della campana, tramite asportazione meccanica di materiale nella parte interna del vaso sonoro.

La rettifica tonale prevede due categorie fondamentali di intervento:

RETTIFICA TONALE SU CAMPANE NUOVE

Il requisito primario per una buona accordatura è la struttura tonale della campana singola. La nota di battuta deve risultare pulita e definita, mentre i toni parziali devono rispettare i corretti intervalli tonali e permettere uno sviluppo del suono sostenuto ed equilibrato, senza suoni irregolari o battimenti troppo marcati. Lo studio appropriato della sagoma o profilo della campana consente il controllo completo del suono, e i fonditori mitteleuropei più preparati sono attualmente in grado di progettare e realizzare campane dotate di notevole precisione ed equilibrio tonale, garantendo minimi margini di incertezza sul risultato finale.

Ammettendo la possibilità di eventuali perfezionamenti sul prodotto finito, una campana può essere progettata leggermente crescente rispetto alla tonalità desiderata. L’eventuale rettifica tonale, che può interessare sia la nota di battuta che i toni parziali, viene eseguita in fonderia utilizzando un apposito tornio, e consiste in una lievissima asportazione di materiale da fasce orizzontali interne, ad una quota più o meno elevata. Se la campana risulta invece calante, si può intervenire facendo crescere la sola nota Nominale, asportando materiale in corrispondenza del bordo interno inferiore, ma in questo caso i margini di intervento sono alquanto ridotti pena la compromissione della resa del suono.

La rettifica tonale di una campana nuova in fonderia avviene durante la fase del primo controllo del suono ed è parte integrante della fabbricazione. Un caso particolare è rappresentato dai fonditori inglesi, che dapprima fondono le campane con sagome standard di spessore maggiorato e successivamente ottengono il tono desiderato mediante la tornitura di tutto il profilo interno del vaso sonoro; tale tipologia di lavorazione costituisce di fatto una costruzione meccanica integrale del profilo della campana. I fonditori continentali invece, più fedeli alla tradizione fusoria storica, stabiliscono le caratteristiche tonali della campana nella fase di studio e di disegno della sagoma, mentre la rettifica tonale viene eseguita per il perfezionamento finale del prodotto.

I requisiti tonali delle campane moderne sono disciplinati dalle “Normative campanologiche mitteleuropee” (Documento N.6, "Il convegno di Limburg e le normative campanologihe mitteleuropee).

RETTIFICA TONALE SU CAMPANE IN ESERCIZIO

La rettifica tonale delle campane può essere eseguita anche in un contesto storicizzato, ovvero su campane in esercizio. Questo tipo di rettifica viene effettuato in seguito alla constatazione di difetti tonali, dovuti non all’usura o al tempo, ma alla fabbricazione delle campane. Gli strumenti musicali in genere (pensiamo ad esempio all’organo o al pianoforte) modificano lo stato dell’accordatura e necessitano di interventi periodici per il ripristino delle condizioni musicali iniziali. Nelle campane questo non accade, in quanto il vaso sonoro non subisce nel tempo modifiche della forma (come invece succede nelle canne dell’organo o negli strumenti a corda); di conseguenza l’accordatura non subisce variazioni ed ogni intervento correttivo diviene storico poiché i suoi effetti hanno carattere permanente.

La rettifica tonale in un contesto storico implica attente riflessioni e può essere oggetto di dibattiti, similmente a quanto avviene per i restauri delle opere d’arte. E’ indiscutibile che un intervento eseguito in modo professionale migliori la resa di un concerto di campane e possa quindi corrispondere più adeguatamente alle esigenze di ascoltatori esperti, ma le motivazioni sull’opportunità di esecuzione devono essere valutate anche in funzione del contesto storico e culturale in cui le campane sono collocate. L’intervento di rettifica tonale deve essere sempre preceduto da una precisa e completa analisi dello stato di fatto dell’accordatura.

Le casistiche nelle quali può essere effettuato un intervento specializzato di rettifica tonale sono le seguenti:

La rettifica tonale può portare ad un risultato ottimale a condizione che le divergenze tonali – misurate prima dell’intervento – non siano eccessive. Nel caso di divergenze troppo marcate, l’intervento potrà avere carattere migliorativo, ma non sarà possibile ottenere un risultato perfetto.

Le campane in sagoma leggera presentano margini di intervento più limitati rispetto alle sagome pesanti, a causa dei ridotti spessori della parete del vaso sonoro e dell’espressività timbrica più limitata.

Le campane già oggetto in passato di interventi correttivi presentano margini di intervento più limitati rispetto alle campane integre.

Nel caso di un restauro generale del campanile o della cella, in cui è prevista la rimozione delle campane ed il loro abbassamento a terra, è raccomandabile il trasporto in una fonderia dotata di apposito tornio, per poter eseguire l’intervento di rettifica con la massima precisione meccanica.

In mancanza di tale possibilità, la rettifica può essere eseguita in cella campanaria tramite smerigliatura. Tale operazione richiede la presenza di campanologi di affermata competenza, supportati da strumentazioni di rilievo professionali e da una mano d’opera qualificata per le delicate operazioni di smerigliatura.

FREQUENZA CONVENZIONALE DI RIFERIMENTO

Per frequenza convenzionale di riferimento si intende la frequenza della nota musicale di base per la misurazione dell’accordatura.

Fino ai secoli XVIII e XIX la determinazione del suono di base era assai problematica. Il riferimento variava da paese a paese; in genere quello usato per l’accordatura dell’organo e della musica vocale da chiesa differiva da quello per la musica strumentale. In Italia esistevano il corista Lombardo (il più alto), il Romano (il più basso) e il Veneziano (intermedio tra i due); vari singoli teatri adottavano un loro diapason particolare.

Oltre alle differenti frequenze di riferimento, vi erano vari temperamenti che davano le indicazioni per fissare le altezze delle note all’interno delle scale musicali. Verso la fine del secolo XVII fu teorizzato il sistema temperato, che prevedeva la divisione dell’ottava musicale in 12 semitoni di uguale intervallo e che costituisce la base del sistema musicale moderno.

Il diapason, apparecchio acustico vibrante a nota fissa, fu inventato nel 1711 dal maestro inglese John Shore e perfezionato a Parigi intorno alla metà del secolo XIX; esso serviva ad uniformare l’accordatura degli strumenti musicali e a dare l’intonazione alle voci. I motivi che portarono alla scelta di utilizzare il LA3 (a1) come nota di base non sono noti.

I primi studi sulle frequenze furono avviati nel secolo XVII, ma le misurazioni divennero scientificamente accurate solamente nel secolo XIX. La prima catalogazione storica dei diversi diapason risale al 1880.

Riportiamo di seguito i valori adottati per la frequenza convenzionale di riferimento dal secolo XVI alla seconda metà del secolo XIX, prima dell’adozione delle normalizzazioni. I valori storici della frequenza del LA3 sono riferiti a misurazioni moderne, sconosciute ai musicisti fino al secolo XIX.

Nella seconda metà del secolo XIX si sentì l’esigenza di stabilire un suono campione di valenza internazionale e allo scopo furono tenute varie conferenze. Nel 1858 l’Accademia delle scienze di Parigi stabilì un diapason di 435 Hz, confermato ufficialmente in un congresso internazionale a Vienna nel 1885. In Italia nel 1884, con il decisivo contributo di Giuseppe Verdi, fu stabilita l’adozione di un diapason nazionale fissato sul LA3 di 432 Hz. In seguito la frequenza andò gradualmente crescendo, finchè nel 1939 in un congresso internazionale a Londra fu fissato un nuovo diapason di 440 Hz (440 vibrazioni doppie per secondo, 880 vibrazioni semplici).

Il Convegno di Limburg del 1951, in cui vennero ufficializzate le attuali normative di valenza mitteleuropea per le campane moderne di buona qualità (Documenti di Campanologia 7. IL CONVEGNO DI LIMBURG E LE NORMATIVE CAMPANOLOGICHE MITTELEUROPEE) stabilì il riferimento musicale convenzionale con il Corista di Vienna del 1885 a 435 Hz, usando anche la definizione di Frequenza di Parigi. I diapason a cursori regolabili sono normalmente tarati sul LA3 di 435 Hz.

Nel 1954 a Londra durante un congresso dell’ISO (organismo che si occupa dell’unificazione tecnica e scientifica in campo internazionale) venne stabilito il diapason di 440 Hz alla temperatura di 20°C. Tale frequenza costituisce il riferimento attualmente adottato per gli strumenti musicali in genere.

Valori della frequenza convenzionale di riferimento conseguenti alle normalizzazioni

Attualmente le misurazioni sulle campane sono convenzionalmente basate sul LA3 di 440 Hz, ma viene ancora accettato il LA3 di 435 Hz. In ogni caso, quando si effettua un’analisi tonale, è obbligatorio indicare la frequenza di base adottata. Per le campane storiche può essere interessante un’analisi comparativa con il diapason in uso al loro tempo.

Duomo di Costanza (D), campana “Ursula”

SI2, Ø mm 2065, kg 6900, 1584 Hans Christof Löffler

CAMPANE IN BRONZO

Le campane sono normalmente realizzate in bronzo, una lega i cui elementi chimici sono i metalli rame e stagno. Il rame (Cu), di colore rosso chiaro, duttile e malleabile, ha peso specifico pari a 8920 kg/m3 e fonde alla temperatura di 1083°C. Lo stagno (Sn), grigio argenteo, a sua volta duttile e malleabile, ha peso specifico pari a 7310 kg/m3 e fonde alla temperatura di 232°C. La quantità di stagno influisce in modo diretto sulla durezza della lega. Per gli impieghi artistici (fusioni di statue, sculture, monete) si impiega una lega abbastanza tenera con percentuale di stagno variabile tra il 3% e il 10%, mentre per gli usi industriali (organi di trasmissione e scorrimento in cui è richiesto un attrito minimale) si adottano percentuali più elevate per ottenere una durezza superiore.

Il bronzo per campane deve essere caratterizzato da un elevato grado di durezza per favorire una vibrazione prolungata nel tempo, ma allo stesso è richiesta un’elevata resilienza, cioè la capacità di resistere agli urti. Come confermato da recenti studi, il rapporto migliore durezza/resilienza si ottiene impiegando rame e stagno nelle rispettive quantità del 78% e 22% (78,22 e 21,78). Con percentuali di stagno inferiori diminuiscono la durezza e la durata delle vibrazioni; al contrario con percentuali superiori aumenta la durezza, ma anche la fragilità.

In una campana moderna è fondamentale l’utilizzo di materiali della migliore qualità. Le impurità, ovvero i metalli estranei al rame e allo stagno, non devono essere superiori all’1%. Le analisi del materiale effettuate su campane storiche hanno rilevato la presenza di piombo (che un tempo veniva aggiunto alla lega in quantità sensibile), antimonio (che veniva aggiunto in forma complementare allo stagno), zinco, nichel, ferro. Altri elementi chimici rilevabili in percentuale trascurabile, come ad esempio zolfo e fosforo, derivano dall’estrazione mineraria dei metalli. Le impurità determinano un peggioramento qualitativo del materiale, tuttavia la resa sonora della campana rimane dignitosa se le impurità incidono sulla percentuale del rame anziché su quella dello stagno. Un tempo vi era la diffusa convinzione che la presenza di metalli preziosi nella lega potesse migliorare il suono; inoltre l’usanza di gettare piccoli oggetti in argento e oro costituiva un rito propiziatorio. In realtà, anche i metalli preziosi vanno classificati come impuri, ma le loro percentuali risultano talmente trascurabili da non influire comunque sulla resa sonora.

La composizione della lega non è un elemento esclusivo per la buona qualità di una campana: recenti studi hanno dimostrato l’importanza del processo di raffreddamento, per la corretta formazione dei legami tra le particelle ed il conseguente comportamento alla vibrazione. Il bronzo per campane presenta una struttura cristallina similare a quella degli altri metalli: il rame e lo stagno, colati nella lega, si uniscono indissolubilmente e formano cristalli di tipo misto che l’analisi al microscopio permette di distinguere. La fusione avviene ad una temperatura di circa 1100°C; con la successiva procedura di raffreddamento e di solidificazione si stabiliscono i legami finali tra le particelle di materiale. Una prima importante fase avviene alla temperatura di 865°C, con la formazione di cristalli misti alfa aventi un contenuto di stagno pari al 15,8%. Una seconda fase avviene alla temperatura di 350°C, in cui si definisce una struttura formata da cristalli misti alfa (che appaiono sotto forma di zone chiare) e da cristalli misti alfa e delta che costituiscono una struttura reticolare (zone scure nell’immagine seguente). La purezza del suono e l’uniformità della vibrazione dipendono in buona parte dai legami che si instaurano tra le particelle di materiale; è perciò fondamentale che il processo di raffreddamento avvenga in modo controllato.

Campione di bronzo per campana ingrandito 200 volte: le zone chiare rappresentano i cristalli misti alfa, le zone scure sono i reticoli formati dai cristalli misti alfa e delta

LEGHE ALTERNATIVE AL BRONZO

Il bronzo, per le particolari caratteristiche ed il comportamento alla vibrazione che ne favoriscono la resa sonora, è il materiale migliore per la fabbricazione delle campane, ma il suo utilizzo non è stato esclusivo. Dalla metà del secolo XIX e fino a poco oltre la metà del secolo XX, soprattutto in area germanica, furono sperimentate ed impiegate alcune leghe sostitutive, non solo per ridurre i costi del materiale, ma anche per impedire la requisizione delle campane per scopi bellici, dato che un tempo il bronzo era un materiale indispensabile per la fabbricazione di armi.

La tabella che segue riassume le caratteristiche delle principali leghe, comparate con il bronzo:

Rispetto al bronzo, le leghe alternative presentano proprietà che influenzano negativamente la resa del suono, con penalizzazioni modeste nei bronzi e ottoni speciali come Briloner Sonderbronze ed Euphon, ma più accentuate nei materiali acciaiosi. Per esempio, la densità più bassa determina una velocità di propagazione acustica più elevata e tempi di vibrazione ridotti. A parità di nota musicale, le campane in Briloner Sonderbronze ed Euphon si presentano dimensionalmente simili a quelle in bronzo, mentre quelle in acciaio richiedono un diametro maggiore e un profilo più sottile, a causa delle differenti caratteristiche del materiale e del diverso comportamento alla vibrazione.

Su tutte le leghe furono compiuti studi per il perfezionamento delle sagome e la ricerca della migliore precisione tonale, con risultati in molti casi apprezzabili.

Lega “Briloner Sonderbronze”

Prodotta dal 1930 al 1955 dalla fonderia Albert Junker di Brilon (D). La lega è costituita dal 92% di rame (Cu), dal 7% di silicio (Si) e una minima quantità di zinco (Zn). Furono fuse circa 3000 campane in Briloner Sonderbronze, alcune delle quali comparabili, per qualità di suono, con quelle di bronzo di medio livello.

Lega “Euphon”

Prodotta dal 1950 al 1971 dalla fonderia Karl Czudnochowsky di Erding (D). La lega è costituita dall’81% di rame (Cu), dal 14% di zinco (Zn) e una minima parte di silicio (Si), anche se nel tempo le percentuali subirono modifiche. Le campane fuse in Euphon, di discreta qualità sonora, trovarono diffusione in non solo in Germania ma anche in alcune località della Svizzera, Spagna, Sud Tirolo.

Acciaio (Stahl)

Le prime campane in acciaio furono prodotte intorno alla metà del secolo XIX, ma fu soprattutto dopo le due guerre mondiali che l’industria ebbe sviluppi notevoli. La più importante fonderia di campane in acciaio fu la Bochumer Verein di Bochum (D) che realizzò su scala industriale oltre 18.000 campane da torre. Fino agli anni ’40 del secolo XX risultava difficile produrre campane di buona qualità; le tipologie più ricorrenti erano la “sesta” e la “settima”, con sensibili dissonanze tonali che riguardavano l’intera struttura tonale; gli studi sull’acustica e l’evoluzione delle sagome portarono al corretto sviluppo della tipologia “ottava” nella seconda metà degli anni ‘50. La durata delle campane in acciaio è da considerarsi limitata a causa della corrosione del metallo; inoltre la ruggine penetrando in profondità altera le caratteristiche acustiche. Molte di queste campane, risalenti soprattutto agli anni immediatamente successivi alle due guerre mondiali, sono state in seguito sostituite con nuove fusioni in bronzo. La più grande campana fusa in acciaio si trova a Neustadt an der Weinstrasse (D), in tono mib2 con diametro cm 321 e peso kg 14.000, fusa a Bochum nel 1949.

Ghisa (Eisenhart)

Le campane in ghisa furono prodotte negli anni compresi tra le due guerre mondiali; fra i principali produttori vi fu la fonderia Schilling & Lattermann di Apolda (D). La ghisa, a causa dell’elevato contenuto di carbonio (fino al 3% o 4%) e delle porosità presenti nel materiale, presenta un decadimento del suono ancora più accentuato rispetto all’acciaio, inoltre le campane sono fortemente sottoposte alla corrosione e risultano piuttosto fragili. Per questo motivo molte campane in ghisa sono state successivamente sostituite con nuove fusioni in bronzo.

Berlino (D), “Olympiaglocke”, acciaio, MIb2, Ø mm 2780, kg 9635, 1935 Bochumer Verein (esposizione museale)

SALDATURA DELLE CAMPANE

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