Quali sono le caratteristiche di un suono? Qui troverai la spiegazione dei tutor di fisica

Argomenti trattati: Velocità del suono - Caratteristiche di un suono semplice - Altezza - Intensità - Il timbro


Velocità del suono

La velocità con cui si propaga un suono dipende dalle caratteristiche fisiche del mezzo di propagazione.
Queste caratterisitiche sono:

  • la rigidità
  • la densità
  • la temperatura

La velocità aumenta all’aumentare della rigidità e delle temperatura e diminuisce all’umentare della densità.
La perturbazione che viaggia sul mezzo consiste, fisicamente, in un susseguirsi di pressioni e depressioni e, quindi, in un’oscillazione di ogni particella in vibrazione attorno ad una sua posizione media fissa.
E’ quindi evidente che questi spostamenti risentono fortemente della rigidità, della densità e della temperatura di un materiale.
La velocità di propagazione dello stimolo acustico è di circa 344 m/s ad una temperatura di 20 °C e pressione atmosferica standard.
Possiamo sentire stimoli acustici le cui frequenze sono comprese fra i 30 Hz e i 18 KHz.
Nella tabella si riportano alcuni valori di "v" per alcune sostanze a temperatura ambiente:

Sostanza        

v(m/s )

Aria    

344

Anidride Carbonica

259

Alcool Etilico

1207

Acqua

1498

Ferro

5120

Vetro

5170




Altezza e intensità di un suono semplice

Nei precedenti paragrafi abbiamo introdotto le principali caratteristiche delle onde e in particolare delle onde sonore. Verso la fine del precedente paragrafo abbiamo accennato alla desciplina chiamata “acustica”.
E' noto che una parte degli studi di acustica si è incentrata sullo studio degli strumenti misucali; meno conosciuto  è il fatto che, ad essere studiati, sono i fenomeni denominati come “inquinamento acustico” che, oramai sopratutto nelle città, fanno parte della più ampia serie di fenomeni di inquinamento ambientale.
Sia per chi è interessato alla musica, sia chi studia i problemi relativi alla presenza di rumori molesti o eccessivi per l'orecchio umano, utilizza due grandezze per meglio studiare i fenomeni in quesitone:

Il suono che noi percepiamo è la sensazione che nasce per mezzo dell'orecchio umano quando viene  stimolato da un'onda acustica.
La frequenza (che nel caso del suono è in diretta relazione con la percezione dell'altezza) e l'intensità (che è in diretta relazione con il cosiddetto "volume" del suono) sono delle caratteristiche dell'onda sonora particolarmente collegate alle sensazioni uditive.

- Altezza

L'altezza è quella caratteristica del suono che permette di  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 20 a 20.000 vibrazioni 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 percepiscono gli infrasuoni.
In musica, la gamma dei i suoni spaziono, all0incirca,  dal do grave che ha circa 65 vibrazioni semplici al secondo al do acuto che ha 8276 vibrazioni semplici.
La voce umana ha un registro (detto anche spettro)  più limitato.
Per calcolare l'altezza dei suoni, è stato scelto come punto di riferimento il La3 che si  può ottenere per esempio attaverso un  diapason.
La frequenza del diapason è stata determinata da diversi congressi: nel 1885, al Congresso di Vienna, si stabilì che il La3 corrispondesse a 870 vibrazioni semplici che, a loro volta, corrispondevano a 435 vibrazioni doppie. Ora invece il valore di riferimento è 440 vibrazioni doppie, quindi 880 semplici.



- Intensità

Il rumore fatto da un martello pneumatico è molto più forte del canto di una colomba. L'intensità è quella grandezza che ci permette di distinguere fisicamente questa osservazione. Questa grandezza fisica determina quello che viene comunemente chiamato “volume” di un suono.
Se l'energia E passa attraverso l'area A nel tempo t, si definisce intensità I di un onda che trasporta energia la quantità:
I =E/At
Ricordando che la potenza è data dal rapporto fra una Energia ed un tempo la precedente relazione può essere così riscritta:
I=P/A
dove con P è indicata la potenza.
Inoltre è un comune osservare che, quando ascoltiamo una persona che parla notiamo che il volume diminuisce mano a mano che ci si allontana dalla sorgente. Questo sta a significare che l'intensità diminuisce all'aumentare della distanza.
Se la sorgente è ad una certa distanza r si ha che:
I=P/4πr2
Nello studio del suono il volume è misurato anche attraverso il livello di intensità di una onda. Indicato con il simbolo β, il livello di intesità è definito nel seguente modo:
β=10 log (I/I0)
dove con log si indica il logaritmo in base 10 e con I0  la più debole intensità di suono che si possa udire.
Anche se il valore che si ottiene è un numero si usa, per motivi storici, chiamare questa grandezza bel.
Il realtà l'unità utilizzato a parti ad 1/10 di bel e viene abbreviata con dB (decibel).


Il timbro

Il timbro  è una caratteristica del suono che permettere di distinguere un suono da un altro suono e dipende dalla natura del corpo che emette il suono e dalla forma delle vibrazioni che, a sua volta, dipende dalla sovrapposizione delle onde sinusoidali caratterizzate dai suoni fondamentali e dai loro armonici.
La scomposizione di un suono nelle proprie componenti sinusoidali fondamentali è detta analisi in frequenza.
La 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.
Si può dire che  il timbro rappresenta la carta di identità del suono. Per convincersene facciamo suonare, per esempio, ad un violino e a un pianoforte la stessa nota alla stessa ampiezza. Questi due suoni quindi avranno la stessa altezza, la stessa intensità ma un timbro, e quindi un identità, differente. In figura riportiamo un esempio di onda di uno strumento musicale. E' interessante notare le varie componenti dell'onda.
Nel 1701 il francese Sauveur, studiando le vibrazioni di una corda, intuì che qualsiasi suono in realtà è formato da una somma di onde elementari chiamate sinusoidi o armoniche. E questa scoperta venne formalizzata, verso la fine del '700, dal matematico J. B. Fourier che ne ricavò un celebre teorema che porta il suo nome.
In base a questo teorema si vede che il timbro di un suono in effetti dipende dalla quantità e dall'ampiezza delle sinusoidi che contiene così come il sapore di una pietanza dipende dagli ingredienti che usiamo per prepararla.