Appunti di Fisica tecnica ambientale sull'acustica

Fenomeno ondoso

L’acustica è lo studio delle onde sonore in mezzi elastici. Un’onda è una perturbazione che si propaga nello spazio trasportando energia senza spostamento di materia.

Le onde meccaniche viaggiano attraverso un mezzo elastico. Ogni particella subisce uno spostamento momentaneo per poi tornare alla posizione di equilibrio. Le onde sonore sono un tipo di onde meccaniche longitudinali. La perturbazione del corpo è generata da una sorgente sonora.

Grandezze

All’onda acustica sono associate grandezze che descrivono la perturbazione dello stato di quiete del mezzo di propagazione:

Propagazione sonora

• Nei fluidi lo spostamento delle particelle indotto dal segnale acustico è associato a una piccola variazione di pressione e di densità.
• Nell’aria queste variazioni rimangono in maniera stazionaria alla pressione atmosferica pari a
• L’ampiezza delle fluttuazioni è molto piccola se paragonata al valore della pressione atmosferica.

Le onde

Le onde sono costituite da parametri principali quali:

Frequenza

Frequenza: oscillazioni per secondo (Hz). Rappresenta il numero di oscillazioni complete ed è legata alla rapidità di oscillazione delle particelle.

Lunghezza d’onda

Lunghezza d’onda: distanza percorsa in un periodo durante un’oscillazione completa.

Velocità

Velocità: dipende dal mezzo ed è la velocità con cui la propagazione avanza nel mezzo.

Periodo

Periodo: tempo impiegato per compiere un’oscillazione completa.

Fronti d’onda e raggi

Nell’aria si formano onde di pressione longitudinali. Si definisce fronte d’onda una superficie immaginaria in cui la fase dell’onda è costante ad un dato istante; il fronte d’onda si sposta con la velocità di propagazione e intensità.

La direzione di propagazione dell’onda in quel punto si chiama raggio dell’onda. Se si studia un oggetto puntiforme come origine le onde si propagano in tutte le direzioni.

Onde piane

Nel caso di onde piane progressive con sorgente animata di un moto armonico semplice (suono puro) si avrà pressione acustica costante su ogni punto e su ciascun piano:

Onde sferiche

Nel caso di onde sferiche progressive prodotte da sfera pulsante animata di moto armonico semplice si avrà la seguente situazione (o pressione acustica) dove la pressione sonora decresce in modo inversamente proporzionale alla distanza dalla sorgente.

Velocità del suono nell’aria

La velocità del suono nell’aria è data dalla relazione termodinamica:

Velocità del suono nei solidi

Nei solidi i suoni si propagano sia per onde longitudinali che per onde trasversali. La velocità dipende dalla densità e parametri elastici del mezzo come il modulo di Young (E) e il rapporto di Poisson.

Nei solidi di dimensioni finite le onde elastiche di maggiore importanza sono le onde flessionali poiché hanno un ruolo importante nei processi di radiazione acustica, la loro velocità non dipende solo dalle proprietà fisiche del mezzo ma anche dalla radice quadrata della frequenza.

Onde nei solidi

Onde quasi longitudinali su un piano: piccoli spostamenti laterali con una radiazione del suono insignificante comparata con quella delle onde flessionali. Hanno un ruolo importante nella trasmissione di vibrazioni di pareti connesse.

Onde di taglio trasversali su piano: solo il movimento della parete è tangente all’aria adiacente. Queste onde non possono irradiare suono ma giocano un ruolo importante nella trasmissione di suono per via strutturale fra pareti connesse.

Onde flessionali su un piano: produce sia la rotazione che lo spostamento laterale degli elementi del piano. Giocano un ruolo importante nella radiazione del suono.

Valore efficace della pressione sonora

Si definisce valore efficace o valore quadratico medio della pressione sonora.

È una variazione media poiché le onde del suono, essendo oscillanti, variano fra valori positivi e negativi. È un valore medio che conta la variazione nel tempo.

Radice quadrata della media dei quadrati.

Intensità sonora

L’intensità sonora (W/m²) rappresenta la quantità di energia che fluisce nell’unità di tempo attraverso una superficie di area unitaria perpendicolare alla direzione di propagazione dell’onda.

L’intensità sonora è legata alla pressione sonora secondo la relazione:

La relazione lega il fenomeno fisico di intensità del suono con la pressione generata da questo.

La relazione indica che per un mezzo l’intensità è proporzionale al quadrato della pressione sonora. Di conseguenza anche piccole variazioni di pressione sonora possono avere grande impatto sull’intensità.

Livelli pressione sonora

L’udito umano a livello di sensazione sonora non risponde in modo lineare alla variazione di intensità sonora. Nella pressione come in altre grandezze acustiche variano su scale molto ampie e usiamo la legge logaritmica per conformare e compattare in scala questi valori.

Anche per rumori forti le fluttuazioni di pressione indotte hanno un’ampiezza così piccola da non poter essere rilevata. Un microfono tramite oscilloscopio rende osservabili le variazioni di pressione nel tempo anche in caso di suoni così deboli:

Livello di intensità sonora e potenza sonora

Nelle operazioni di somma si somma l’energia non i decibel, arrivando quindi a convertire le potenze in livello e sommarli nel seguente modo:

Analisi spettrali

Processo di scomposizione del suono nel dominio del tempo nelle sue componenti di frequenza.