Che cos’è il suono?
Immaginiamo di fare una scampagnata e di sederci intorno a un fuoco. Se siamo fortunati, uno dei nostri amici avrà portato una chitarra, la prenderà tra le braccia e comincerà a toccarne le corde producendo una dolce melodia.
Noi potremo accompagnare la sua musica intonando un canto con le nostre voci.
Ma cosa abbiamo fatto con la chitarra e con la voce? Abbiamo prodotto dei suoni. E come?
Sommario
Che cos’è il suono?
Riflettiamo un attimo su quello che è successo: il nostro compagno ha toccato le corde della chitarra e le ha fatte vibrare, così come noi, cantando, abbiamo fatto vibrare le nostre corde vocali all’interno della gola.
Possiamo dire quindi che per produrre un suono abbiamo bisogno prima di tutto di qualcosa che possa vibrare.
Immaginiamo per esempio di colpire una pentola con un cucchiaio: questo gesto produrrà un rumore, un suono, perché sarà la pentola a vibrare; ma se tocchiamo la pentola con le mani, smetteranno le vibrazioni e non sentiremo più alcun suono.
La stessa cosa avviene con le membrane di pelle dei tamburi per citare un altro strumento musicale. Ogni cosa che vibra produce un suono che siamo in grado di sentire ad una certa distanza.
Questo vuol dire che possiamo sentire i suoni solo se c’è un mezzo attraverso il quale questi possono viaggiare.
Il suono infatti è un’onda che si propaga in un mezzo (per esempio l’aria o l’acqua o un tavolo). E da qui possiamo trarre un altro importante spunto per capire meglio tutta la questione.
Come si propaga il suono?
Cerchiamo di capire meglio come avviene la propagazione del suono.
Prendiamo in considerazione un altoparlante. Quando la sua membrana vibra verso l’esterno genera una compressione dello strato di aria vicino ad essa. Le molecole di aria continueranno a spostarsi lungo la stessa direzione, spingendo le altre molecole che troveranno sul loro cammino.
Quando invece la membrana si muove verso l’interno produce una dilatazione delle molecole di aria nello strato subito vicino ad essa. Queste molecole di aria ora saranno più rarefatte mentre continueranno il loro cammino nella direzione presa in precedenza, la stessa causata dalla spinta che avevano subito poco prima.
Nell’aria si produce una perturbazione simile a quella di una molla che viene spinta e poi tirata. Alcune delle spire della molla saranno compresse, mentre altre saranno più distanti tra loro, e il loro moto avverrà sempre lungo la stessa direzione.
Le molecole che compongono l’aria davanti all’altoparlante quindi oscillano avanti e indietro nella stessa direzione in cui si muove il suono, propagandolo fino a noi.
Si dice quindi che il suono è un’onda di tipo longitudinale; ha bisogno di un mezzo nel quale propagarsi e tale mezzo può trovarsi allo stato solido (p.e. tavolo), liquido (p.e. acqua) o gassoso (p.e. aria). È questo il motivo per cui il suono non può propagarsi nel vuoto!
Ma a che velocità viaggia un’onda sonora?
In realtà un’onda sonora ha diverse velocità: queste dipendono dal tipo di mezzo materiale in cui avviene la propagazione e da altre caratteristiche come la temperatura e la pressione.
Per esempio alla normale pressione atmosferica di 1,01 · 105 Pa e alla temperatura di 0 °C, il suono si propaga nell’aria con una velocità di 331,45 m/s, che equivale (giusto per avere un termine di paragone con la velocità di un’automobile) a 1.193,22 Km/h; invece ad una temperatura di 20 °C la sua velocità è 343,85 m/s, cioè 1.237,86 Km/h.
Possiamo quindi affermare che la velocità del suono v varia con la temperatura T del mezzo in cui si propaga seguendo un andamento lineare ed in particolare:
v(T) = [331,45 + (0.62 ∗ T)] m/s
Dove la temperatura viene misurata in °C.
La velocità del suono varia molto nelle diverse sostanze, tanto che nei liquidi e nei solidi è decisamente maggiore rispetto ai gas.
Basti guardare per esempio la velocità del suono nell’acqua rispetto a quella nell’aria, sempre a temperatura ambiente, che risulta essere di circa 4 volte maggiore. Invece se prendiamo in considerazione per esempio l’acciaio, vediamo che la velocità di propagazione è circa 17 volte quella relativa all’aria, ancora a temperatura ambiente.
Caratteristiche del suono
Il suono ha 3 aspetti fondamentali:
1. L’altezza
L’altezza è quella caratteristica che ci fa percepire un suono acuto o grave. Dipende dalla frequenza dell’onda, cioè dal numero di oscillazioni complete dell’onda in un secondo.
Maggiore è il numero di oscillazioni nell’unità di tempo e più alto è il suono che sentiamo; se invece la frequenza è minore, sentiamo un suono più basso, più grave.
Torniamo un momento attorno al nostro falò e a alla chitarra del nostro amico: guardandola attentamente noteremo che le corde hanno diversi spessori.
Quindi la corda più spessa e più pesante, se pizzicata, genera un suono più grave, proprio perché vibra con una frequenza minore; al contrario la corda più sottile e leggera oscilla con frequenza maggiore, dando origine ad un suono più acuto.
Questo significa che ogni nota musicale corrisponde ad una precisa frequenza: per esempio il DO centrale ha una frequenza di 262 Hz, mentre il LA prodotto dal diapason ha una frequenza di 440 Hz.
2. Il timbro
Il timbro è quella proprietà che ci permette di distinguere diversi strumenti o diverse voci, cioè di distinguere la sorgente del suono. Questo dipende dalla legge matematica (di tipo sinusoidale) che regola la periodicità dell’onda sonora e descrive quindi il moto di oscillazione delle particelle del mezzo quando vengono compresse o rarefatte dal suono.
3. L’intensità
L’intensità è la caratteristica che ci permette di distinguere il volume di un suono e dipende dall’ampiezza dell’onda. Onde sonore con ampiezza maggiore comprimono o dilatano il mezzo in modo più netto, quindi il suono si sente meglio.
L’intensità indica in fisica quanta energia E arriva in un intervallo di tempo t di un secondo su una superficie A di un metro quadro posta perpendicolarmente alla direzione di propagazione dell’onda sonora:
I = EA tWm2
Il decibel
Se alla sorgente aumenta l’intensità sonora, il nostro udito non avverte il cambiamento in modo direttamente proporzionale: per esempio se si ha un aumento alla sorgente di 10, 100 o 1.000 volte, in realtà noi percepiamo un suono di sole 2, 3 o 4 volte più forte.
Per questo motivo è stata inventata la scala dei decibel (dB), proprio per quantificare il livello di intensità sonora percepito dal nostro udito.
Quando l’intensità sonora aumenta di 10 dB, noi percepiamo un suono con un volume che sembra raddoppiato.
Il valore minimo della scala, cioè 0 dB, rappresenta la soglia di udibilità, cioè l’intensità minima normalmente percepita dall’uomo.
I suoni o i rumori che superano i 100 dB possono danneggiare l’udito in modo permanente; per un valore di 130 dB si fa corrispondere la soglia del dolore, che è quella di massima sopportazione.
Quanto è possibile sentire un suono?
Come abbiamo visto, il nostro udito non è in grado di percepire tutte le onde sonore.
Affinché sia udibile, un’onda sonora deve avere una frequenza compresa tra 20 Hz e 10.000-20.000 Hz, in base a chi la ascolta.
Le onde sonore con frequenze più basse vengono dette infrasuoni, mentre a frequenza maggiori di 20.000 Hz si definiscono ultrasuoni.
Molti animali sanno percepire ed emettere suoni diversamente dall’uomo. Alcuni utilizzano gli infrasuoni, come per esempio i rinoceronti che interagiscono tramite frequenze di circa 5 Hz, o gli elefanti che comunicano con infrasuoni a 15 Hz.
Altri animali usano gli ultrasuoni per orientarsi o individuare possibili prede; i pipistrelli per esempio producono ultrasuoni tra i 10.000 e i 120.000 Hz. Lo stesso comportamento viene riscontrato nelle balene e nei delfini, per esplorare il territorio che li circonda, sfruttando il fenomeno dell’eco.
E che cos’è l’eco?
Immaginiamo di aver compiuto la nostra scampagnata in una grande gola in mezzo alle montagne; se cominciamo a parlare o a gridare qualcosa, può capitare di sentire la nostra voce ripetersi come se provenisse da lontano.
Questo avviene perché il suono si comporta come se rimbalzasse contro le pareti rocciose che fanno da ostacolo alla sua propagazione.
L’eco infatti è un fenomeno dovuto alla riflessione delle onde sonore.
Se tra la persona che emette il suono e l’ostacolo c’è una distanza d, l’onda sonora percorre in andata e ritorno un tragitto lungo 2d, impiegando un tempo pari a:
t = 2dv
Dove v è la velocità del suono.
Ora, il nostro orecchio riesce a distinguere due suoni separati da un intervallo di tempo di almeno un decimo di secondo, quindi per udire l’eco l’ostacolo dovrà trovarsi almeno ad una ventina di metri (sempre considerando l’aria come mezzo di propagazione e quindi v = 343 m/s).
Invece se la distanza è minore si ha la sensazione che il suono rimbombi.
L’eco viene utilizzato dall’uomo in diverse apparecchiature per identificare oggetti altrimenti invisibili. Per esempio l’ecografia in medicina o anche il sonar presente sulle imbarcazioni o sui sottomarini, che permette di determinare la distanza di oggetti presenti sulla superficie marina, misurando l’intervallo di tempo intercorso tra andata e ritorno degli ultrasuoni che si riflettono su quegli oggetti.
Romana Dimaggio
