Vibrazioni sonore e loro propagazione

Di Micaela Bonito.

Spiegazione di argomenti di acustica molto importanti: l'onda, il suono, le caratteristiche...

Argomenti trattati: Cosa è una “onda”? - Alcune onde caratteristiche - Cosa è il suono? - Suoni e rumori e il funzionamento dell’orecchio

Nella vita di tutti i giorni sono parole di uso comune: suono, rumore, volume, frequenza, periodo, intensità della musica.
Tutte questi termini, come sempre accade per molti termini del linguaggio, hanno un significato in fisica diverso da quello che abitualmente gli si attribuisce.
Oltre a questo problema di linguaggio, c’è inoltre un altro problema, forse ancora più pratico: perché quando qualcuno parla io lo sento? Da che cosa è generato un suono ? Come fa la nostra bocca o una chitarre ad emettere quelli che, comunemente, chiamiamo suoni?
Prima di rispondere a questa domanda è necessario introdurre un argomento più ampio, che non riguarda solo il suono e la sua propagazione, necessario per una comprensione più approfondita dell’argomento in analisi.

Cosa è una “onda”?

Quando si parla di onda, il pensiero va, probabilmente, alle onde del mare o alle onde provocate, in uno stagno, dal lancio di un sasso.
Queste immagini possono fare da guida per introdurre questo argomento.
Quando lanciamo un sasso in uno stagno, si originano una serie di figure concentriche, onde appunto, che partono dal punto in cui il sasso ha impattato con la superficie dell’acqua e si spostano, più tecnicamente si propagano, nello spazio.
Questo semplicissimo modello basta per descrivere le principali caratteristiche che definiscono una “onda”.
Un'onda è una perturbazione (nel nostro caso provocata da un sasso) che si propaga attraverso lo spazio.
Ad eccezione della radiazione elettromagnetica, che possono propagarsi nel vuoto, le onde esistono in un mezzo (nel nostra caso l’acqua che deformandosi innesca una serie di forze che portano alla propagazione della perturbazione).
E’ importante sottolineare che, nel caso delle onde, a propagarsi è la perturbazione ovvero, attraverso un mezzo, le onde possono viaggiare e trasferire energia da un punto all'altro, senza che alcuna particella del mezzo venga spostata permanentemente: non esiste, quindi, un trasporto di massa associato, ogni punto oscilla attorno a una posizione fissa.
Nel caso dell’acqua dello stagno essa si ogni elemento di acqua si muove solo di poco, sia orizzontalmente che verticalmente, rispetto alla posizione iniziale.
A propagarsi nell’acqua dello stagno è l’onda. Le onde si posso suddividere in base alle loro caratteristiche:
dal punto di vista della propagazione ci sono:
- onde piane
- onde sferiche
- onde cilindriche
Un esempio di u onda è, per esempio, il movimento la vibrazione che si ottiene da una corda, fissata ad una estremità e agitata, nell’altra estremità, attraverso una mano.
Si definisce lunghezza d’onda l la minima distanza tra due punti che vibrano in concordanza di fase.
Il periodo impiegato dall’onda per percorrere un tratto pari alla lunghezza d’onda è chiamato periodo T dell’onda.
La relazione fra T e l è, per ogni onda, la seguente:
l= vT
Un'altra grandezza utilizzata è la frequenza, legata al periodo dalla seguente relazione: f=1/T.

Alcune onde caratteristiche sono:

- Onde sonore, una onda meccanica che si propaga attraverso gas (in genere aria), liquidi o solidi, la cui frequenza puo' essere percepita dall'apparato uditivo. Dello stesso tipo sono le onde sismiche create dai terremoti
- Onde oceaniche di superficie sono perturbazioni che si propagano nell'acqua
- Onde gravitazionali sono fluttazioni del Campo gravitazionale. La loro esistenza è stata prevista dalla Relativita generale.

Dopo questa introduzione sulle onde è ora possibile introdurre, sfruttando le nuove conoscenze acquisite, il suono ed una sua descrizione.

Cosa è il suono?
Si è già visto che il suono è una particolare onde.
Per la fisica, il suono è un' oscillazione ( che altro non è che un movimento nello spazio) compiuta dalle particelle (atomi e molecole) in un mezzo come per esempio l’aria.
Le oscillazioni sono spostamenti delle particelle 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. Queste, a loro volta, iniziando ad oscillare trasmettono il movimento alle altre particelle vicine e queste a loro volta ad altre ancora. Il movimento vibratorio si propaga, così, meccanicamente dando vita all'onda sonora ( o onda acustica).

Basandosi sul precedente grafico (il tempo (t) è riportato sull'asse delle ascisse mentre gli spostamenti delle particelle (s) sull’asse delle ordinate) si possono descrivere le caratteristiche del onde sonore (in maniera del tutto analoga alle generiche onde).
L’andamento della funzione descrive gli spostamenti delle particelle: all'inizio, la particella si sposta dal suo punto di riposo fino al massimo del movimento oscillatorio, rappresentato dal ramo crescente di parabola che giunge al punto di massimo parabolico. Poi la particella inizia un nuovo spostamento in direzione opposta, passando per il punto di riposo e continuando per inerzia fino ad un nuovo culmine simmetrico al precedente, questo movimento è rappresentato dal ramo decrescente che, intersecando l'asse delle ascisse, prosegue in fase negativa fino al minimo parabolico. In fine, la particella ritorna in dietro e ripete nuovamente la sequenza di spostamenti, così come fa il tracciato del grafico.
Il periodo T (ovvero la distanza tra due punti in fase del grafico, come, per esempio, due creste) è il tempo impiegato dalla particella per tornare nello stesso punto dopo aver cominciato lo spostamento, ed indica la durata complessiva dell'oscillazione.
La distanza dalla cresta all'asse delle ascisse indica, invece, l'ampiezza del movimento, in altre parole la distanza massima percorsa dalla particella dalla sua posizione di riposo durante l'oscillazione. Tuttavia, nonostante che il periodo e l'ampiezza sono due grandezze che da sole sarebbero sufficienti per descrivere le caratteristiche di un'onda, non sono frequentemente utilizzate. Si preferisce, infatti, usare altre grandezze da queste derivate.
Dal numero di periodi fatti in un secondo si ottiene la frequenza, misurata in Hertz, che indica il numero d'oscillazioni compiute dalla particella in un secondo. Dall'ampiezza dell'onda, invece, otteniamo l'intensità, che nel caso dell'onda sonora è intesa come pressione esercitata dalla stessa su una superficie, se, infatti, l'ampiezza è misura lo spazio, tanto più sarà estesa, tanto maggiore sarà la pressione esercitata sulle particelle vicine e dunque pure la forza esercitata contro un ostacolo.
Esistono tre diverse tipologie di onde sonore e ognuna è identificabile da un particolare andamento grafico
- onde semplici: onde dal tracciato regolare: i picchi sono speculari alle valli e assume la caratteristica forma di sinusoide. Le principali caratteristiche sono appunto il grafico regolare e la periodicità.
- onde complesse: sono sempre onde dal tracciato regolare, in quanto i picchi sono speculari alle valli, ma la loro forma risulta più complessa della precedente, perché presenta diverse anomalie nelle curve. Le caratteristiche sono: la periodicità e la non regolarità del grafico.
- onde aperiodiche: sono onde non regolari: il tracciato ha forma caotica e zizzagante. Sono caratterizzate dall'assoluta irregolarità del grafico e dall'aperiodicità; sono tracciati caratteristici dei rumori.
Per una descrizione delle onde semplici i parametri di frequenza e d'ampiezza sono sufficienti, mentre le onde aperiodiche, a causa della loro aperiodicità, non possono essere descritte da alcun parametro.

L’acustica… ovvero lo studio del suono
L'acustica (dal verbo grec ακουειν che significa ascoltare ascoltare) è quella branca della fisica che si occupa di studiare il suono e la sua propagazione.
Le prime informazioni sul suono e l’acustica risalgono all’antichità classica. Il primo a trattare questi argomenti fu, probabilmente, Pitagora nel VI secolo a.C che studiò molto la relazione tra i numeri, le note e le corde di uno strumento.
Una prima intuizione relativa al fatto che il suono fosse un fenomeno di natura ondulatoria è attribuita a Crisippo.
Le conoscenze degli antichi greci erano comunque alquanto raffinate, come dimostrano le numerose costruzioni pubbliche (come per esempio i teatri) in cui un ruolo fondamentale era riservato all’acustica (anche per l’assenza di altre forme di amplificazione)-
L'acustica come scienza si sviluppa a partire al 1600. Tra i principali protagonisti si ricordano Mersenne, che compie la prima misura della velocità del suono.
Ad oggi l'acustica si rivolge a vari settori:
l'acustica architettonica, che si occupa della qualità acustica degli edifici e delle sale dei teatri, l'acustica musicale, che si occupa degli strumenti musicali e delle loro proprietà, l'acustica ambientale, che si occupa dei problemi collegati al rumore, l'acustica fisiologica e psicologica, che si occupa dei problemi di percezione dei suoni e della parola, l'acustica subacquea, che tratta della propagazione del suono negli ambienti marini.

Suoni e rumori e il funzionamento dell’orecchio:
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.
Il rumore è, invece, comunemente identificato come una sensazione uditiva sgradevole e fastidiosa o intollerabile.
In sostanza l’orecchio umano è un analizzatore di suoni (più precisamente un analizzatore armonico). All’interno della chiocciola sono situati i risuonatori composti di più di 20000 fibre, tese come le corde di un pianoforte che reagiscono alla vibrazione dell’aria e la trasformano, attraverso le fibre nervose, in un segnale per il sistema nervoso.