Suono: spiegazione dei caratteri principali

In questo appunto di fisica verrà trattato il suono. In particolare, ci soffermeremo sulle proprietà che caratterizzano un'onda sonora e vedremo quali sono le unità di misure adatte a dimensionare le proprietà di cui appena accennato sopra. In generale, possiamo dire che il suono ha tre caratteristiche: altezza, intensità e timbro, che vedremo meglio nei paragrafi successivi.

Definizione di suono

Un suono è associato alle vibrazioni di un corpo, ovvero rapidi movimenti oscillatori intorno a una posizione di equilibrio.
Possono produrre vibrazioni i corpi elastici, i quali sono, per definizione, corpi in grado di subire una deformazione e poi ritornare alla condizione iniziale. Il suono può essere prodotto da vibrazioni di corde, di colonne d’aria o di membrane.
Il meccanismo con cui il suono arriva all’orecchio consiste in una successione di compressioni e di espansioni delle molecole d’aria; l’effetto viene denominato onda acustica.

Nel vuoto, in assenza di aria, però, le vibrazioni della sorgente sonora non possono propagarsi e quindi noi non percepiamo alcun rumore.
Ciò che si propaga non è la materia, ma la perturbazione, o meglio, l’energia associata all’onda.
Per rappresentare graficamente quest’ultima, si usa una particolare curva, chiamata sinusoide, dove le parti più alte sono dette creste, e le più basse, ventri.
La lunghezza d’onda è la distanza orizzontale tra due creste o ventri consecutivi; la metà della distanza verticale è invece detta ampiezza. Il tempo utilizzato per compiere un’oscillazione completa è il periodo

. Il numero di oscillazioni in un secondo è la frequenza, che si misura in hertz (

) (dal nome del fisico Heinrich Hertz che si dedicò allo studio delle onde). Dimensionalmente, si ha che:

Vedremo tali elementi nei paragrafi successivi

Per approfondimenti sulla sinusoide, vedi anche qua

Caratteristiche del suono: l'altezza

L’altezza dipende dalla frequenza delle onde sonore e distingue i suoni gravi da quelli acuti.
Più alta è la frequenza, più alto sarà il suono. Più bassa è la frequenza, più basso sarà il suono.
L’orecchio umano percepisce solo determinati suoni, in particolare percepisce solamente i suoni con frequenze comprese tra

e

; questi suoni sono dunque detti "suoni percettibili" e l’intervallo tra

e

viene chiamato "campo di udibilità".
Al di sotto dei

si hanno invece degli infrasuoni, e al di sopra dei

gli ultrasuoni, avvertiti solo da alcuni animali, quali il cane, il delfino e il pipistrello.

Caratteristiche del suono: l'intensità sonora e formula

Un’altra caratteristica del suono è l’intensità, o volume, dovuta all’ampiezza dell’onda sonora, e legata alla forza con cui il suono è stato prodotto, al tipo di vibrazione e alla distanza tra sorgente sonora e orecchio.
Per misurare l’intensità di una vibrazione si usa l’unità di misura decibel (db). Oltre i 130 db si avverte una sensazione di dolore, perciò questo valore è detto soglia di dolore.
L'intensità sonora si esprime in

; difatti essa è il rapporto tra la potenza dell'onda e il valore della superficie da essa attraversata. In formule:

Caratteristiche del suono: il timbro

Infine il timbro dipende dalla natura della sorgente sonora e dal modo in cui essa vibra. Il fenomeno è dovuto alle diverse forme che hanno le onde sonore che comportano due sinusoidi differenti. Ciò avviene perché un corpo, oltre alle vibrazioni fondamentali, emette altre vibrazioni, secondarie, dette armoniche.
Il suono impiega un certo tempo per percorrere la distanza tra la sorgente sonora e l’orecchio. In presenza di materiali fonoassorbenti si assiste ad isolamenti acustici, in cui il suono non si propaga.
Quando un’onda sonora incontra un ostacolo “rimbalza” e torna indietro producendo il fenomeno della riflessione. L’onda in arrivo è l’onda incidente, quella che torna indietro, l’onda riflessa. La riflessione è l’origine dell’eco e del rimbombo. Se la distanza dell’ostacolo è:

• Maggiore o uguale a 17 metri: la riflessione produce il suono primitivo e si ha l’eco.
• Minore di 17 metri: la riflessione produce il fenomeno del rimbombo. In altre parole le onde sonore tornano indietro così rapidamente che l’orecchio non è capace di distinguere il suono primitivo da quello riflesso.

La trasmissione delle vibrazioni da una sorgente a un corpo vicino, che inizia a vibrare con la stessa frequenza, è detto risonanza. Essa permette di rinforzare la vibrazioni tramite la cassa di risonanza, o cassa armonica, che ne aumenta l’intensità.
Infine particolare è l’effetto Doppler, che si verifica quando una sorgente sonora si avvicina o si allontana dall’ascoltatore; per esempio, quando la sirena di un’ambulanza si avvicina, l’ascoltatore riceverà un suono con frequenza maggiore, se si allontana, un suono con frequenza minore.

Per approfondimenti sull'effetto Doppler, vedi anche qua