Il suono
Ogni onda sonora ha come sorgente un corpo che vibra.
Per esempio, le sorgenti della voce sono le corde vocali, che mettono in vibrazione l’aria che esce dai polmoni
Il suono è un’onda meccanica longitudinale, che consiste
nell’alternarsi di compressioni e
rarefazioni del mezzo attraverso cui si propaga.
In un’onda sonora periodica la
grandezza oscillante è la pressione dell’aria o, in modo equivalente, la sua densità.
Quando l’onda giunge alle nostre
orecchie, la membrana che costituisce il timpano entra in vibrazione.
Il suono non si propaga nel vuoto
Finché nella campana c’è aria udiamo il suono del
campanello; quando c’è il vuoto non sentiamo più nulla, anche se vediamo il batacchio che continua a colpire la calotta metallica.
La velocità del suono
In aria secca, alla pressione atmosferica normale di 1,01 × 105 Pa e alla
temperatura di 0 °C, il suono si propaga con una velocità di 332 m/s;
A temperatura ambiente, invece, si
propaga con una velocità circa uguale a 340 m/s.
Per gli esercizi…
La velocità di propagazione v di qualunque onda periodica (anche sonora) è definita dal rapporto tra la lunghezza d’onda λ e il periodo T, o, in modo equivalente, dal
prodotto tra λ e la frequenza f = 1
𝑇
Si ha, cioè, v = λ/ T, o v = λf
Tale velocità dipende dal mezzo attraverso cui si propaga l’onda
La velocità del suono
Quanto è lontano il temporale?
Se vediamo un fulmine e dopo 3 s
sentiamo il tuono, quanto dista da noi, all’incirca, il temporale?
I limiti di udibilità
Non tutte le onde sonore sono percepite come suono dal nostro sistema orecchio- cervello.
Per essere udibile, un’onda sonora deve avere una frequenza compresa tra 20 Hz e 20 000 Hz.
A frequenze inferiori corrispondono gli infrasuoni e a frequenze superiori
corrispondono gli ultrasuoni. A queste onde l’orecchio umano è sordo.
I limiti di udibilità
Gli intervalli di frequenza dei suoni emessi (in rosso) e percepiti (in blu) da diversi esseri viventi.
Il pipistrello e la rana
Può un pipistrello localizzare una rana senza farsi notare?
Le caratteristiche del suono
Le vibrazioni di un diapason producono nell’aria zone di compressione e zone di rarefazione che si alternano
con regolarità e presentano un profilo sinusoidale.
Definizione di suono
Un suono, propriamente detto, è un’onda sonora periodica; un rumore è un’onda sonora non periodica, cioè che varia in modo irregolare.
Le caratteristiche del suono
Ogni suono ha tre caratteristiche:
l’altezza;
l’intensità;
il timbro.
L’altezza distingue un suono più acuto da uno più grave ed è determinata dalla
frequenza dell’onda.
Un suono è tanto più alto quanto
maggiore è la sua frequenza, che coincide con la frequenza di vibrazione della
sorgente.
L’intensità distingue un suono forte, o ad alto volume, da uno debole, o a basso
volume.
L’intensità cresce con l’ampiezza dell’onda. Infatti, un’onda sonora di
ampiezza maggiore crea compressioni e rarefazioni dell’aria più marcate; quindi costituisce un suono che si ode meglio.
Il timbro differenzia le onde sonore in
base alla particolare forma del loro profilo o, in modo equivalente, della legge
periodica con cui, in un dato punto, esse oscillano nel tempo.
Intensità di un’onda sonora
Per definire con precisione questa grandezza, consideriamo una superficie di area A,
perpendicolare alla direzione di propagazione dell’onda sonora.
In un intervallo di tempo ∆t la superficie è attraversata da un’energia E. L’intensità
sonora I è allora data dall’equazione
Il rapporto tra la quantità di energia E e il tempo ∆t che essa impiega per
attraversare la superficie considerata costituisce la potenza P trasportata dall’onda sulla superficie. Pertanto la
formula per l’intensità può essere anche espressa, in modo equivalente, nella forma
L’unità di misura dell’intensità I è il joule al secondo al metro quadrato, cioè il watt al metro quadrato:
L’eco
In condizioni particolari, per esempio davanti a una parete lontana, possiamo udire l’eco della nostra voce.
Il fenomeno dell’eco è dovuto alla riflessione del suono.
Per compiere questo cammino l’onda impiega un tempo:
dove v è la velocità del suono nell’aria.
Per d = 20 m, l’eco viene udita dopo poco più di 1/10 di secondo.
Come sentire l’eco
L’orecchio umano percepisce in modo
distinto due suoni se essi sono intervallati da almeno 1/10 di secondo.
Poiché in tale intervallo di tempo un’onda
sonora percorre 34 m, per sentire l’eco della propria voce la persona deve trovarsi a più di 17 m (la metà di 34 m) dalla parete
riflettente.
Se la distanza è minore, l’orecchio non distingue i suoni e avverte solo un
rimbombo.
Applicazioni
Con il sonar,
misurando il tempo di andata e ritorno degli ultrasuoni che si riflettono su un corpo sommerso, si calcola la distanza del corpo dalla superficie del mare.
Applicazioni
Con l’ecografia si ottiene
l’immagine di un feto nel ventre della madre,
misurando i tempi di riflessione degli ultrasuoni che
vengono inviati sulle sue diverse parti.
Applicazioni
La «vista» a ultrasuoni non è un’invenzione umana.
Il pipistrello, per esempio, si orienta nel buio emettendo ultrasuoni e ricevendone l’eco. Le sue grandi orecchie captano le
onde riflesse dagli ostacoli e dalle prede e le trasformano in impulsi nervosi, dai quali il cervello elabora una mappa dello spazio esplorato.
A seconda della specie, i pipistrelli producono ultrasuoni dalle narici o dalla bocca, con
frequenze che vanno da 10 000 Hz fino a circa 200 000 Hz. A questi valori di frequenza
corrispondono, rispettivamente, lunghezze d’onda dell’ordine del centimetro e del millimetro.
Più alta è la frequenza, più piccola è la lunghezza d’onda e maggiori, di conseguenza, sono i dettagli dell’ambiente che l’animale riesce a percepire.
Ostacoli di dimensioni molto più piccole della lunghezza d’onda, infatti, non deviano l’onda sonora e la lasciano imperturbata.
Anche il delfino esplora l’ambiente grazie all’eco degli ultrasuoni.
In base alla relazione v = λ f, visto che la velocità del suono è maggiore nell’acqua che nell’aria, per ottenere lunghezze
d’onda altrettanto piccole i delfini devono emettere ultrasuoni di frequenza più alta rispetto ai pipistrelli. Gli ultrasuoni dei
delfini, in effetti, raggiungono la frequenza di 400 000 Hz.
