Suono

Da Wikipedia, l'enciclopedia libera.

Il suono (dal latino sonum) è la sensazione data dalla vibrazione di un corpo in oscillazione. Tale vibrazione, che si propaga nell'aria o in un altro mezzo elastico, raggiunge l'apparato uditivo dell'orecchio che, tramite un complesso meccanismo interno, crea una sensazione "uditiva" correlata alla natura della vibrazione; in particolar modo la membrana timpanica subendo variazioni di pressione entra in vibrazione.

Descrizione[modifica | modifica wikitesto]

Le oscillazioni sono spostamenti delle particelle intorno alla posizione di riposo e lungo la direzione di propagazione dell'onda; gli spostamenti sono provocati da movimenti vibratori, provenienti da un determinato oggetto, chiamato sorgente del suono, il quale trasmette il proprio movimento alle particelle adiacenti grazie alle proprietà meccaniche del mezzo; le particelle a loro volta, iniziando ad oscillare, trasmettono il movimento alle altre particelle vicine e queste a loro volta ad altre ancora, provocando una variazione locale della pressione; in questo modo, un semplice movimento vibratorio si propaga meccanicamente originando un'onda sonora (o onda acustica), che è pertanto onda longitudinale. Si ha un'onda longitudinale quando le particelle del mezzo in cui si propaga l'onda, oscillano lungo la direzione di propagazione. Le onde meccaniche longitudinali sono anche denominate onde di pressione. Il suono è un'onda che gode delle seguenti proprietà: riflessione, rifrazione e diffrazione, ma non della polarizzazione (a differenza della luce che è un'onda elettromagnetica). Un'onda ha la frequenza e lunghezza d'onda che possono essere messe in relazione con la formula:

y(x,t) = y_0 \sin\Bigg( \omega \left(t-\frac{x}{c} \right) \Bigg)

dove:

  • y è lo spostamento di un punto lungo l'onda sonora;
  • x è la distanza che il punto ha percorso dalla sorgente dell'onda;
  • t è il tempo trascorso;
  • y0 è l'ampiezza delle oscillazioni,
  • c è la velocità dell'onda;
  • ω è la frequenza angolare dell'onda.

La quantità x/c è il tempo necessario all'onda per percorrere la distanza x.

La frequenza f, in hertz, dell'onda è data da:

 f = \frac{\omega}{2 \pi}.

Per le onde sonore, l'ampiezza dell'onda è la differenza tra la pressione del mezzo non perturbato e la pressione massima causata dall'onda.

La velocità di propagazione delle onde sonore dipende dalla temperatura e pressione del mezzo attraverso il quale si propagano.

Come tutte le onde, anche quelle sonore sono caratterizzate da una frequenza (che nel caso del suono è in diretta, ma non esclusiva, relazione con la percezione dell'altezza) e un'intensità (che è in diretta, ma non esclusiva, relazione con il cosiddetto "volume" del suono). Inoltre, caratteristica saliente delle onde sonore è la forma d'onda stessa, che rende in gran parte ragione delle differenze cosiddette di timbro che si percepiscono tra diverse tipologie di suono.

Il campo uditivo dell'uomo si estende da una frequenza di circa 20 Hz fino a 20.000 Hz (ossia 20 kHz). La lunghezza d'onda rappresenta lo spazio percorso dall'onda sonora in un periodo completo di oscillazione. Le relazioni tra periodo T (tempo necessario perché si compia un'oscillazione completa), frequenza f, e lunghezza d'onda L sono date da:

f = c/L; f = 1 /T; c = L/T; c = Lf

dove c è la velocità del suono nell'aria (344 m/s; nell'aria, alla temperatura di 20 °C ed alla pressione atmosferica del livello del mare).

La velocità del suono dipende molto dalla densità del mezzo: è circa 1.500 m/s nell'acqua e circa 5.000 m/s nel ferro. Essendo un movimento di materia, nel vuoto non si trasmette, poiché non c'è materia da far oscillare.

Conoscendo la velocità e la frequenza di un suono, possiamo dunque calcolare la sua lunghezza d'onda; alla frequenza di 20 Hz, la lunghezza d'onda è pari a 17 metri, mentre a 20 kHz è pari a soltanto 17 mm.

La velocità di propagazione del suono dipende dalle caratteristiche del mezzo, in particolare l'elasticità e la densità. È direttamente proporzionale all'elasticità ed inversamente proporzionale alla densità, secondo la relazione: dove:

c = velocità del suono nel mezzo considerato
k = costante
E = modulo di elasticità di Young (N/m2)
\rho = densità del mezzo (kg/m3)

Spesso materiali di elevata densità presentano anche moduli di elasticità elevati e questo ha contribuito al diffondersi della convinzione che la velocità del suono sia più elevata in un mezzo ad alta densità rispetto ad un altro di densità più ridotta.

Altezza[modifica | modifica wikitesto]

L'altezza è la qualità che fa distinguere un suono acuto da uno grave. Dipende in massima parte dalla frequenza ma anche dalla intensità. L'orecchio umano percepisce solo i suoni che vanno da 16 a 20.000 oscillazioni al secondo. Al di sotto abbiamo gli infrasuoni, al di sopra gli ultrasuoni. Il sonar, ma anche i delfini ed i pipistrelli percepiscono gli ultrasuoni mentre gli elefanti, i pesci ed i cetacei percepiscono gli infrasuoni.

La pratica musicale copre una gamma di suoni, le cui fondamentali vanno dal do grave che ha circa 65 oscillazioni semplici al secondo al do acuto che ha 8276 oscillazioni semplici. La voce umana ha un registro ancora più limitato. Per calcolare l'altezza dei suoni, è stato scelto come punto di riferimento il La4 (= ottava centrale del pianoforte) che chiamiamo diapason o corista. La frequenza del diapason, che fino al XIX secolo variava di Paese in Paese e anche a seconda del tipo di musica da eseguire (sacra, da camera etc.) è stata determinata da diversi congressi: nel 1885, il governo austriaco stabilì che il La4 corrispondesse a 870 oscillazioni semplici che, a loro volta, corrispondevano a 435 oscillazioni doppie. Ora invece il valore di riferimento, stabilito dalla Conferenza di Londra del 1939, è 440 vibrazioni doppie, quindi 880 semplici.

Volume e pressione[modifica | modifica wikitesto]

Il volume[1] che viene spesso anche chiamato - colloquialmente ed erroneamente - pressione, è la qualità sonora associata alla percezione della forza di un suono, ed è determinato dalla pressione[2] che l'onda sonora esercita sul timpano: quest'ultima è a sua volta determinata dall'ampiezza della vibrazione e dalla distanza del punto di percezione da quello di emissione del suono.[3] In particolare, la pressione di un'onda sonora sferica emessa da una sorgente puntiforme risulta essere proporzionale al reciproco della distanza:


\tilde{p} \sim \frac{1}{r}

\frac{\tilde{p}_1} {\tilde{p}_2} = \frac{r_2}{r_1}

\tilde{p}_1 = \tilde{p}_{2} \frac{r_2}{r_1}

p = pressione

Per misurare il volume percepito di un suono si fa spesso riferimento al livello sonoro, che viene calcolato in decibel,[4] come segue: 
L_\mathrm{p}=10\, \log_{10}\left(\frac{{p}^2}{{p_0}^2}\right) =20\, \log_{10}\left(\frac{p}{p_0}\right)\mbox{ dB}

nella formula, p indica la pressione quadratica media, mentre p0 è una pressione sonora di riferimento (soglia del silenzio o udibile. È la più piccola variazione di pressione che l'orecchio umano è in grado di percepire[5]) comunemente posta 20 µPa (2 10−5 N/m²) in aria e a 1 µPa in acqua. La misura in decibel risulta più appropriata per indicare il livello sonoro percepito, perché la risposta dell'orecchio umano è all'incirca logaritmica.[6]

L'intensità di un'onda sonora è invece definita come la quantità di energia che passa attraverso l'unità di area nell'intervallo di tempo unitario. Quindi se l'energia E passa attraverso l'area A nel tempo t, l'intensità I dell'onda è I=E/At=P_{ac}/A, dove si è tenuto conto della definizione di potenza Pac come rapporto fra l'energia e il tempo in cui viene sviluppata (P_{ac}=E/t).[7]

L'intensità si può esprimere anche a partire dalla pressione e dalla velocità dell'onda (indicando con T il periodo dell'onda): 
I = \frac{1}{T} \int_{0}^{T}p(t) \cdot v(t)\,dt

Nel caso di un'onda sferica (sorgente puntiforme), l'intensità, in funzione della distanza è data da


I_r = \frac{P_{ac}}{A} = \frac{P_{ac}}{4 \pi r^2} \,
.

Come si può vedere l'intensità decresce come il reciproco del quadrato della distanza:
I \sim {p^2} \sim \dfrac{1}{r^2} \,
e quindi molto più rapidamente della pressione p \sim \frac{1}{r}[8]

Anche per l'intensità si dà una definizione di livello in unità logaritmiche (decibel[9]):


L_I = 10 \log_{10} \frac {I}{I_o} \,

In questo caso l'intensità di riferimento Io vale 10−12W/m².

Timbro[modifica | modifica wikitesto]

Il timbro, è la qualità che, a parità di frequenza, distingue un suono da un altro. Il timbro dipende dalla forma dell'onda sonora, determinata dalla sovrapposizione delle onde sinusoidali caratterizzate dai suoni fondamentali e dai loro armonici. Dal punto di vista della produzione del suono, il timbro è determinato dalla natura (forma e composizione) della sorgente del suono e dalla maniera in cui questa viene posta in oscillazione.

La scomposizione di un suono nelle proprie componenti sinusoidali fondamentali è detta analisi in frequenza. Le frequenze vengono misurate in Hz, ovvero oscillazioni al secondo. Le armoniche di un suono sono suoni con frequenze che sono multipli interi del suono principale. Nella musica, tanto più un suono è composto da diverse componenti, tanto più esso risulta complesso: si va dal suono di un flauto dolce, composto dalla fondamentale e da pochissime armoniche, al suono degli strumenti ad arco, composto da moltissime frequenze armoniche secondarie.

Tanto più le frequenze secondarie che si sovrappongono alla principale non sono armoniche (ovvero hanno frequenze che non sono multipli interi della fondamentale), tanto più ci si avvicina al rumore.

Suoni e rumori[modifica | modifica wikitesto]

Si può distinguere il concetto di suono da quello di rumore. Il suono è in generale una sensazione che nasce nell'uomo quando una perturbazione meccanica si propaga in un mezzo elastico facendolo vibrare. Per questa ragione molto spesso abbiamo a che fare con suoni i cui stimoli acustici hanno le componenti in frequenza multipli della frequenza fondamentale. Il rumore è comunemente identificato come una sensazione uditiva sgradevole e fastidiosa o intollerabile. Tuttavia alcuni studiosi ritengono che la differenza di significato tra "suono" e "rumore" sia legata alla controllabilità dell'emissione acustica, e non alla sua gradevolezza. L'orecchio umano non è ugualmente sensibile a tutte le frequenze, ma è più sensibile nel campo compreso fra 2 kHz e 5 kHz, ed è molto meno sensibile alle frequenze estremamente elevate o estremamente basse. Questo fenomeno è molto più pronunciato ai bassi livelli di pressione sonora che non agli alti livelli. Ad esempio, un segnale a 50 Hz con un livello di pressione sonora di 85 dB dà luogo alla stessa intensità soggettiva di un segnale di 70 dB a 1.000 Hz. Pertanto affinché uno strumento per la misura del rumore reagisca nella stessa maniera dell'orecchio umano, si deve dotarlo di un filtro di ponderazione che ne simuli la risposta. Questo filtro, definito dalla norma CEI è denominato "A".

Note[modifica | modifica wikitesto]

  1. ^ Vedi anche:
  2. ^ Cioè forza per unità di area: nel Sistema Internazionale di unità di misura, la pressione è espressa in pascal (simbolo Pa) cioè Newton su metro quadro.
  3. ^ Si tratta in effetti di una sovrapressione, cioè della variazione di pressione determinata dal suono.
  4. ^ A volte indicati come dBspl (dB sound pressure level - livello di pressione sonora) per distinguerli dall'analoga misura di livello d'intensità.
  5. ^ Oltre alla soglia del silenzio, si trovano anche riferimenti alla cosiddetta soglia del dolore, che però ha una definizione assi più soggettiva. I valori riportati variano tra i 120 e i 140 dB, corrispondenti a pressioni comprese tra 20 e 200 pascal.
  6. ^ In realtà bisognerebbe anche tenere conto del fatto che la risposta dell'orecchio umano dipende anche dalla frequenza del suono.
  7. ^ Nel Sistema Internazionale di unità di misura, l'intensità è quindi espressa in watt su metri quadri (W/m^2)
  8. ^ Valgono anche le relazioni (analogamente al caso della pressione)
    
I \propto \frac{1}{r^2} \frac{I_1}{I_2} = \frac{{r_2}^2}{{r_1}^2} I_1 = I_{2} \cdot {r_{2}^2} \cdot \frac{1}{{r_1}^2} \,
  9. ^ A volte indicati come dB-SIL (dB sound intensity level - livello di intensità sonora) per distinguerli dall'analoga misura di livello di pressione.

Voci correlate[modifica | modifica wikitesto]

Altri progetti[modifica | modifica wikitesto]

Collegamenti esterni[modifica | modifica wikitesto]