ONDE SONORE

Studiamo ora nei dettagli le onde sonore, cominciando dai suonisemplici.Saranno quindi studiati i principali fenomeni legati al suono, cioè l'eco, la risonanza e l'interferenza.

Onde elastiche

Consideriamo un volume V che sia sede di un mezzo continuo, sia essoun gas, liquido o solido, in stato di quiete.

Vi sono varie grandezze e proprietà del mezzo, quali la temperatura, la pressione, la densità, che possono avere valori diversi in diversipunti del mezzo.

Supponiamo che, pur variando da punto a punto, tali valori rimangano immutati nel tempo.

Ora, se in qualche modo introduciamo unaperturbazione della pressione o della densità (o di entrambi: ad esempio nei gas queste due grandezze sono legate, pertanto variando l'una si varia anche l'altra), se il mezzo possiede una certa elasticità, la perturbazione si propaga nel mezzo.

In altre parole,i valori della pressione (e/o della densità), oltre a variare dapunto a punto, cambieranno anche nel tempo.

Una perturbazione che si propaga in un mezzo per effetto della elasticità dello stesso si chiama onda elastica.

Il suono

Un corpo vibrante immerso nell'aria produce in essa delle ondeelastiche, dando luogo a quel fenomeno che viene chiamato suono. Per questo le onde elastiche vengono chiamate onde acustiche o onde sonore.

L'acustica è la parte della Fisica che studia le onde acustiche.

Il modo più semplice di produrre un suono è quello di porre in vibrazione un corpo, quale, ad esempio, la corda di una chitarra o una membrana di un tamburo.

Cominciamo lo studio dei suoni con i suoni semplici.

Consideriamo un tubo cilindrico immerso nell'aria, con una estremità libera, mentre nell'altra è inserito un pistone che vibri con moto sinusoidale; cioè, se x(t) indica la profondità del pistone dentro il cilindro all'istante t, si ha

dove indica la frequenza di vibrazione del pistone. Questo, nel suo moto,comprime l'aria del cilindro nei pressi del pistone,cioè aumenta la sua densità; quando il pistone va indietro produce rarefazione su essa, cioè ne diminuisce la densità; per effetto dell'elasticità dell'aria le variazioni di densità si propagheranno nel cilindro come un'onda sinusoidale avente la stessa frequenza della vibrazione che la produce. La velocità di propagazione dipende dal mezzo e dalla sua temperatura.Nel nostro caso, in cui il mezzo è l'aria, tale velocità è di 331,4 metri al secondo a 0 gradi °C.

La tabella seguente fornisce i valori della velocità del suono nei varimezzi.

Quello che abbiamo appena considerato è un esempio di suono semplice.

Un suono è detto semplice se è di tipo sinusoidale.

Esaminiamo ora le caratteristiche di un suono semplice.

Altezza di un suono

Abbiamo già parlato della frequenza. Essa è definita come il numero di oscillazioni nell'unità di tempo in un punto fissato. Se come unità del tempo di misura si usa il secondo, allora la frequenza si misura in Hz.

L'orecchio umano medio riesce a percepire i suoni che hanno una frequenza compresa tra 16 e 20.000 Hz. I suoni alti o acuti, sono quelli la cui frequenza è prossima a 16.000 Hz, quelli bassi sono quelli con frequenza più vicina ai 16 Hz. Quando si parla dell' altezza di un suono, ci si riferisce appunto alla frequenza di un suono udibile.

Gli infrasuoni sono i suoni con frequenza inferiore a 16 Hz; gli quelli con frequenza superiore ai 20.000; ultrasuoni e infrasuoni sono entrambi oltre la soglia dell'udibilità.

Lunghezza d'onda

Come per ogni onda, il periodo di un suono semplice è il tempo impiegato per compiere un'intera oscillazione. Naturalmente, il periodo non è altro che l'inverso della frequenza

L'onda che si propaga nel tempo può essere descritta come onda di densità, o meglio di variazione di densità rispetto alla densità media. La legge di una tale onda sarà

dove rappresenta la lunghezza d'onda . Se indichiamo con la velocità di propagazione del suono nell'aria avremo

Intensità del suono

L'intensità di un suono in un punto P è la quantità di energia sonora che attraversa una superficie unitaria posta nel punto P perpendicolarmente alla direzione di propagazione del suono. Naturalmente, un suono sarà tanto più energico quanto più grande sarà la differenza di densità da esso provocato; cioè essa èlegata all' ampiezza. Volgarmente, un suono intenso è detto un suono forte; un suono pocointenso è detto suono debole.

Nell'esempio del tubo che abbiamo considerato, l'intensità non cambia lungo il tubo. In genere, comunque, l'intensità diminuisce allontanandosi dalla sorgente; ciò accade quando il suono può diffondersi nello spazio circostante la sorgente, cosicchè l'energia da essa trasmessa attraverso il suono deve distribuirsi su una superficie sempre maggiore man mano che ci si allontana dalla sorgente.

Timbro

Finora abbiamo considerato suoni semplici, quelli, cioè, la cui forma d'onda è di tipo sinusoidale. In realtà, il profilo di un'onda sonora può assumere diverseforme.

Il carattere del suono che dipende dalle forme dell'onda si chiama timbro. Pertanto, suoni con la stessa frequenza e la stessa intensità possono presentarsi differenti perchè hanno timbro diverso.

Riflessioni del suono. Eco

Quando un suono incontra una parete che non lo assorbe, esso viene riflesso. Un ascoltatore posto nei pressi della sorgente riuscirà a distinguere i suoni riflessi, e a riconoscerne i suoni emessi, se il tempo impiegato dal suono per arrivare allaparete e tornare è abbastanza lungo.Se la distanza dalla sorgente alla parete è d, tale tempo è

Questo fenomeno è la eco del suono.

Se i suoni sono delle parole, il tempo necessario per distinguerle sarà di qualche frazione di secondo.

Pertanto la distanza necessaria affinchè si verifichi l'eco sarà di alcune decine di metri.

Le riflessioni del suono hanno molte applicazioni. Esse possono essere usate per risalire al profilo della barriera riflettente. Ciò è quanto fa il sonar.

Un suono emesso verso il fondo da un'imbarcazione, viene riflesso dal fondo. L'onda riflessa viene rivelata ed elaborata da opportune apparecchiature per trovare la profondità ed altre caratteristiche del fondo.

Risonanza

Abbiamo visto che un corpo vibrante può produrre un suono. Può naturalmente, accadere anche il contrario, cioè, un suono può indurre vibrazioni su un corpo; ciò accade quando la frequenza delsuono è molto vicina, meglio se uguale, alla frequenza propria di vibrazione del corpo.

Uno strumento che mette in evidenza tale fenomeno è il diapason. Il diapason è uno strumento, generalmente in metallo, costituito da una U sostenuta da un manico.

I due rami della U sono detti rebbi. Se uno dei rebbi vienecolpito, il diapason comincia a vibrare producendo un suono difrequenza ben determinato .

Se invece il diapason si trova in una regione sede di un suono con frequenza , il diapason , sollecitato dal suono, incomincia a vibrare. Questo fenomeno viene detto risonanza.

L'ampiezza delle vibrazioni del diapason cresce perchè l'onda sonora che lo investe è in fase con esso. Essa crescerebbe indefinitamente se non vi fossero degli impedimenti oggettivi, quali il materiale con il quale è costituito il diapason, che oltre una certa soglia non risponde in maniera elastica alle sollecitazioni.

Interferenza

Quando due onde sonore si incontrano, esse si sovrappongono in maniera tale che l'onda sonora risultante è la somma delle due onde. Questo fenomeno si chiama interferenza.

Se le onde hanno la stessa frequenza e sono in fase, l'ampiezza dell'onda risultante è la sommadelle ampiezze, dando luogo all' interferenza costruttiva.

Quando invece le due onde sono sfasate di mezzo periodo, le ampiezze sisottraggono; abbiamo così l' interferenza distruttiva.

Battimenti

Quando le due onde che interferiscono hanno la stessa ampiezza e frequenza molto vicine, l'onda risultante da unafrequenza che è la media delle due ; invece l'ampiezza oscilla con una frequenza che è la differenza tra le due

Questo fenomeno si chiama battimento .

Fonografo

Uno dei primi strumenti usati per la registrazione e la riproduzione dei suoni è il fonografo di Edison.

Esso è costituito da un cilindro che ruota con velocità angolare costante. I suoni che si vogliono registrare fanno vibrare una membrana che trasmette la vibrazione ad un ago che incide dei solchi sul cilindro che riproducono le vibrazioni sonore. Affinchè i solchi non si sovrappongano il cilindro si sposta lentamente in avanti man mano che ruota.

Per riprodurre il suono così registrato basterà far ruotare il cilindro. L'ago, seguendo il solco, vibrerà allo stesso modoche all'atto della registrazione, ponendo in vibrazione la membrana che trasmetterà il suono nell'ambiente circostante.In realtà, affinchè il fonografo funzioni, occorre che il cilindro sia incidibile all'atto della registrazione e duro all'atto della riproduzione.

Oggi esistono mezzi più sofisticati per la registrazione e la riproduzione dei suoni, quali dischi e grammofoni, che usano lo stesso principio del fonografo, nastri magnetici, video-dischi. Essi permettono una grande qualità e fedeltà dei suoni riprodotti.