L’acustica è la scienza che studia il suono, le sue proprietà, il suo meccanismo di formazione, propagazione e ricezione. Oggi estende il suo campo di interesse a tutti i fenomeni vibratori della materia e a tutte le frequenze.

Produzione dei suoni

Se colpiamo un bicchiere con un coltello, il bicchiere emette un suono. Se appoggiamo leggermente i polpastrelli sull’orlo del bicchiere percepiamo un tremito. Premendo un poco, cessa il tremito. E con esso si estingue il suono.

Questa semplice esperienza ci dice che un bicchiere emette un suono quando si trova in vibrazione. Un suono, dunque, è sempre prodotto dalle vibrazioni di un corpo. Il corpo vibrante può essere un solido, come nel nostro esempio, oppure può essere un liquido o un gas.
Il suono di un violino è dato dalla vibrazione delle sue corde, il suono delle canne da organo è prodotto dalle vibrazioni dell’aria contenuta in esse; il suono delle parole ha origine dalla vibrazione delle corde vocali.

Si chiama sorgente sonora qualunque corpo che emette un suono.

Ma non tutti i corpi in vibrazione emettono suono. Le vibrazioni di un pendolo ad esempio sono del tutto silenziose. Perché si percepisca un suono occorre che le vibrazioni del corpo siano abbastanza rapide. Precisamente il numero di vibrazioni al secondo non deve essere minore di 16 mila e non maggiore di circa 10 mila vibrazioni al secondo. Quest’ultimo limite varia molto da persona a persona e può giungere sino ai 18.000 / 20.000.

I suoni che ci sono più familiari, come il parlare comune, costano di qualche centinaio di vibrazioni al secondo

Propaganda del suono

Perché un suono sia da noi percepito è necessario che tra noi e la sorgente sonora vi sia interposto un corpo elastico, sia esso solido, liquido, o aeriforme.

Nel vuoto il suono non si propaga.

Ciò si dimostra facilmente mettendo sotto la campana pneumatica un campanello a mano a mano. Se si toglie l’aria dalla campana il suono del campanello si va sempre più affievolendo. E si spegnerebbe completamente se si potesse fare il vuoto perfetto nella Campana.

Il suono si propaga anche attraverso i liquidi e i solidi.

Al mare se sott’acqua si fanno battere assieme due pietre immergendo un orecchio nell’acqua si sente distintamente il suono anche se si è molto lontani.

Per i corpi solidi la prova ci è data da semplici esperimenti appoggiando l’orecchio ad una lunga tavola sentiamo il più piccolo rumore per esempio il tic tac di un orologio posto all’altro estremo. Appoggiando l’orecchio per terra sentiamo lontano il calpestìo di un cavallo prima che il rumore giunga attraverso l’aria.

Velocità del suono

Il suono richiede un tempo finito per propagarsi da un punto ad un altro. Che il suono impieghi un tempo per propagarsi può essere determinato dalla nostra esperienza. E’ noto a tutti l’esperienza del ritardo del suono rispetto alla luce. Vediamo prima il lampo e poi sentiamo il rumore del tuono.

Tale velocità però può essere influenzata anche dalle condizioni in cui si trova l’aria, o comunque il corpo sul quale si propaga il suono.
Infatti, la velocità del suono dipende anche dalla temperatura e cresce col crescere di questa temperatura. Varia anche al variare della pressione.

A zero gradi centigradi, in condizioni normali, si è trovata che la velocità del suono sia di 331,60 metri al secondo. Arrotondando possiamo dire che nell’aria il suono si propaga con una velocità di un terzo di 1 chilometro. Cioè un chilometro ogni tre secondi. Nei liquidi la velocità di propagazione del suono è maggiore che nei gas. Per l’acqua pura a 0 gradi centigradi essa è circa 1410 metri al secondo. Nei solidi dipende dalla natura del solido ed è molto più grande della velocità che nei liquidi e nei gas. Per l’acciaio, ad esempio pare, si aggiri sui 4800 metri al secondo.

Onde sonore

Un corpo in rapida vibrazione emette un suono. Le vibrazioni si propagano attraverso l’aria e dopo un certo tempo arrivano al nostro orecchio e noi sentiamo il suono emesso dalla sorgente sonora.

Come si propagano le vibrazioni nell’aria

L’onda di compressione e l’onda di rarefazione si propagano entrambe nello stesso senso inseguendosi. Le due onde nel loro complesso si chiamano onda sonora.
Riprendendo l’esempio del bicchiere, colpendo i bordi del bicchiere, le pareti del bicchiere continuano a vibrare. Alla prima onda sonora segue una seconda e poi una terza quindi una quarta e così via. Cioè ad ogni vibrazione della sorgente corrisponde un’onda che si propaga nell’aria con la velocità di 340 metri al secondo.

In conclusione ogni particella d’aria di un’onda sonora oscilla nella direzione di propaganda dell’onda con ampiezza via via decrescente con la distanza della particella dalla sorgente sonora. Perché un suono si propaghi è necessario che le onde si formino o nell’aria, come abbiamo supposto finora, o in un liquido. In un solido è necessario cioè che le particelle dei corpi in cui il suono si propaga possano vibrare.

Ma soltanto i corpi elastici hanno questa proprietà quindi il suono non si propaga nei corpi non elastici detti anelastici. Per per questo motivo per isolare una stanza dai rumori esterni si rivestono le sue pareti con corpi anelastici. O come si dice comunemente soffici quali drappeggi di feltro,  spugna di gomma, eccetera.

Frequenza e lunghezza d’onda

Il moto della sorgente sonora è un moto vibratorio. Chiameremo periodo il tempo che la sorgente sonora impiega per compiere una vibrazione completa; frequenza il numero di vibrazioni per secondo.

Si chiama lunghezza d’onda e si suole indicare con la lettera greca lambda lo spazio percorso dal suono in un periodo.

La lunghezza d’onda è la distanza alla quale si propaga il suono in un periodo ma risulta che essa rappresenta anche lo spazio occupato in un certo istante da uno strato compresso e dal successivo rarefatto.

Per esempio quando Nell’aria si propaga un suono con frequenza 10000 vibrazioni al secondo la lunghezza d’onda è circa 3 cm cioè ogni onda sonora si compone di uno strato d’aria compressa e uno grave fatto ciascuno di spessore 1,5 cm.

Il Diapason

Il diapason è uno strumento semplice spesso adoperato per la produzione dei suoni perché da suoni di una determinata frequenza. Il diapason è una sbarra d’acciaio a forma di U con un prolungamento che serve da manico nella sua parte inferiore le gambe del diapason si chiamano rubbi.

I musicisti usano frequentemente il diapason normale che emette un suono con 435 vibrazioni al secondo una nota che essi chiamano il la della terza ottava. Rifacendosi a questa nota, si accordano i loro strumenti.

Riflessione del suono

Quando si produce un suono davanti ad un ostacolo avvengono diversi fenomeni. Una parte dell’energia sonora attraversa l’ostacolo e il suono si percepisce quindi anche al di là di esso. E’ noto a tutti che si percepiscono i suoni anche attraverso muri spessi da una camera all’altra.

Una parte del suono e assorbita dall’ ostacolo. La percentuale di energia sonora assorbita dipende dalle dimensioni geometriche dell’ostacolo e dalla sua natura. Sono molto assorbenti i corpi soffici come le stoffe, tessuti, eccetera per le ragioni dette precedentemente.

Eco e rimbombo

La parte rimanente dell’energia sonora si riflette, ossia ritorna indietro. Le leggi della riflessione del suono sono identiche alla leggi della riflessione della luce.

Il notissimo fenomeno dell’eco trova la sua spiegazione nella riflessione del suono.

Se l’intervallo di tempo tra le due percezioni è maggiore di un decimo di secondo l’Osservatore percepisce due suoni distinti. Siccome la velocità del suono e di 340 metri al secondo ne risulta che per avere due percezioni distinte occorre che il suono percorre almeno 34 metri cioè l’ostacolo deve distare dall’ osservatore almeno 17 metri.

Quando si tratta della parola siccome un uomo non riesce a pronunciare una sillaba in meno di un quinto di secondo per ottenere L’Eco di una sillaba la distanza tra chi parla e la parete che produce l’eco non deve essere minore di 34 m in modo che il tempo impiegato dal suono per l’andata e il ritorno sia appunto un quinto di secondo.

Si chiama rimbombo il prolungamento e il rinforzamento del suono prodotto dal suono riflesso che si aggiunge al suono diretto essendo l’intervallo che li separa minore di un decimo di secondo.

Talvolta il rimbombo è eccessivo e perciò sgradevole. perché chi lo percepisce sente un suono confuso. In tal caso si rimedia al difetto acustico dell’ambiente ricoprendo le pareti di materiale assorbente il suono, come drappeggi, tappeti, ed arredi vari.

Caratteri dei suoni

Ognuno di noi conosce una varietà grandissima di suoni. Alcuni assordanti come il fischio di una locomotiva, altri fastidiosi come il ronzio di una mosca, alcuni gravi come il suono di un contrabbasso, altri più piacevoli come una nota di violino. Avvertiamo suoni stridenti come il cigolio di un carro e altri dolci come il suono di un flauto.

Distinguiamo tutti questi suoni come se avessero delle personalità così come distinguiamo le persone dalla loro voce.

Eppure tre solamente sono i caratteri che distinguono i suoni tra di loro. Intensità, altezza e timbro.

Intensità

L’intensità è quel carattere per cui noi diciamo che un suono è fievole, un altro forte, un terzo assordante, eccetera.

Per esempio, se una sveglia squilla vicino, percepiamo un suono più intenso che se suonasse lontano.

L’intensità con cui noi percepiamo un suono dipende dalla quantità di energia sonora che nell’unità di tempo arriva al timpano del nostro orecchio. E questa quantità di energia dipende dall’ampiezza di migrazione delle particelle d’aria a contatto col nostro orecchio.

Più ampie sono queste vibrazioni e maggiore è l’intensità del suono percepito. E siccome l’ampiezza di vibrazione va diminuendo con la distanza, anche l’intensità del suono diminuisce con la distanza dell’osservatore della sorgente.

Altezza

L’altezza è quel carattere per cui diciamo che un suono è grave, un altro acuto, un terzo acutissimo. Per esempio la voce di un uomo normalmente è più grave di quella di una donna ed è questa la caratteristica per cui noi distinguiamo le voci maschili dalle femminili.

L’altezza di un suono dipende dalla frequenza, corrispondendo, a suoni più alti, frequenze maggiori.

L’altezza di un suono dipende dalla sua lunghezza d’onda corrispondendo ai suoi bassi lunghezze d’onda grandi. I suoni più bassi da noi abitualmente percepiti hanno lunghezza d’onda di una decina di metri e i suoni più acuti di una decina di centimetri.

Timbro

Il timbro è quel carattere speciale per cui distinguiamo due suoni aventi uguale intensità ed altezza, emessi da due sorgenti diverse.

Così noi distinguiamo le voci di due persone diverse, anche se sono di eguale altezza e intensità. Il motivo di questa diversità è dovuta appunto da ciò che chiamiamo timbro.

A causa del timbro diverso distinguiamo note uguali in altezza di intensità emesse una da un violino e l’altra da un pianoforte.

Il timbro dipende dalle caratteristiche della sorgente. Cioè dalla forma e dalle dimensioni dal materiale di cui è costituita e dipende, ancora in modo non del tutto noto, dalle modalità con cui avvengono le vibrazioni.

Risonanza

Le oscillazioni o vibrazioni che avvengono per una perturbazione momentanea si dicono libere. Tali sono ad esempio le oscillazioni di un pendolo che rimosso dalla posizione di equilibrio e abbandonato a se stesso. Le vibrazioni di una corda momentaneamente eccitata sono anche loro vibrazioni libere.

Quando  invece si fornisce periodicamente al corpo filante o vibrante l’energia che esso va gradatamente perdendo si ottengono le oscillazioni o vibrazioni forzate.

Si ha il fenomeno detto di risonanza quando nelle vibrazioni forzate c’è uguaglianza tra i periodi della causa eccitatrice e le oscillazioni del corpo.

Per capire bene questo concetto si pensi ad un ragazzo che si diverta su un’altalena.

L’altalena è un pendolo che ha un periodo proprio di oscillazione. Se il ragazzo vuole via via aumentare l’ampiezza di oscillazione dell’altalena, egli la deve spingere ad ogni periodo. Cioè il suo sforzo deve essere in risonanza con il periodo dell’ altalena.

I fenomeni di risonanza sono molto importanti nella meccanica pratica. Talvolta la risonanza è dannosa e pericoloso. Per esempio la risonanza dei ponti al passo cadenzato delle truppe potrebbe causare la rottura del ponte. infatti, sui ponti, i militari procedono a passo libero. 

Molti strumenti musicali come il pianoforte, il violino, la chitarra, hanno una cassa di risonanza che ha lo scopo di rinforzare i suoni emessi dalle corde. Le casse di risonanza di questi strumenti per la loro ampiezza e forma riescono a rinforzare questi suoni.

Fonti

La fonte di questa pagina è Mario Gliozzi – ELEMENTI DI FISICA Per gli istituti commerciali.

Altri libri di Fisica

Abbiamo Elementi di Fisica. Elettromagnetismo e Onde – Paolo Mazzoldi , Elementi di fisica tecnica per l’ingegneria – M. A. Corticelli e Elementi di fisica. Per le Scuole superiori. John D. Cutnell.

Termodinamica applicata Yunus A. Çengel , Elementi di fisica – Bersani – Bettati – Biagi , Elementi di fisica tecnica – Giulio Lorenzini  e Elementi di fisica. Tecnica ambientale di Piercarlo Romagnoni.

 

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