Acustica di base

Dispense del corso di Fonia e Tecnico del Suono
anno accademico 2013/2014
Quarta lezione
Acustica di base
Acustica
L'acustica è quella branca della fisica che studia il suono, le cause che lo hanno generato
e la sua propagazione attraverso un mezzo materiale.
Lo studio dell'acustica può essere molto complesso, da un punto di vista fisico. Un
determinato fenomeno può essere il risultato di molteplici cause, non tutte facilmente
individuabili. Ad esempio, un gradiente di temperatura non considerato può causare una
deviazione non prevista di un suono, dando un risultato totalmente inaspettato.
Suono in campo libero
In un campo libero il suono si propaga secondo linee rette, se non viene deviato,
assorbito, diffratto, rifratto, diffuso e non è soggetto a effetti di risonanza.
L'intensità diminuisce all'aumentare della distanza dalla sorgente sonora, poiché la
superficie sulla quale insiste il suono è progressivamente maggiore.
Ad ogni dimezzamento o raddoppio della distanza da una sorgente sonora si ha,
rispettivamente, un aumento o una perdita di 6 dBSPL.
Riflessione del suono
Se nel suo percorso il suono incontra una superficie, come ad esempio una parete, la sua
direzione di propagazione viene riflessa.
Riflessione da superfici piane
I fronti d'onda sferici colpiscono la parete e, riflessi, tornano verso la sorgente come se
provenissero da una sorgente-immagine collocata alla stessa distanza da quella reale, ma
dietro la parete.
Se l'angolo d'incidenza è diverso da 90°, l'angolo di riflessione è uguale all'angolo
d'incidenza.
Nel caso di una stanza abbiamo ben 6 superfici riflettenti, con altrettante
sorgenti-immagine.
Il suono viene riflesso da oggetti che sono grandi rispetto alla sua lunghezza d'onda.
In una stanza di medie dimensioni, tutte le frequenze del parlato vengono riflesse, ma non
vengono riflesse le basse frequenze (i 20Hz hanno lunghezza d'onda di 17mt).
Questo crea un ascolto alterato di ciò che è stato emesso, perché vengono enfatizzate
solo alcune frequenze ed in maniera disuguale.
Riflessione da superfici convesse
La riflessione su superfici convesse tende a disperdere l'energia sonora in molte direzioni,
dando luogo alla diffusione del suono incidente.
Riflessione da superfici concave
Il suono che colpisce una superficie concava tende a concentrarsi in un punto, il fuoco.
Le superfici concave sferiche vengono usate per rendere fortemente direzionale un
microfono, posizionandolo nel punto focale.
L'efficacia dei riflettori dipende dal rapporto tra le loro dimensioni e la lunghezza d'onda del
suono. Un riflettore del diametro di 1 metro fornisce buona direzionalità a 1kHz (lunghezza
d'onda circa 34cm), ma non ha alcun effetto a 200Hz (lunghezza d'onda di circa 1,70mt).
Onde stazionarie
Supponiamo di avere due pareti parallele, solide e piane, poste a una certa distanza tra
loro. Una sorgente sonora che si trova in mezzo emette un suono ad una determinata
frequenza. Il fronte d'onda che investe una parete viene riflesso verso la sorgente, va a
colpire l'altra parete dove viene ancora riflesso verso la prima parete, e così via.
Si crea così un'onda stazionaria la cui frequenza dipende dalla distanza tra le due pareti.
Il riflettore angolare
Il riflettore angolare riceve il suono dalla sorgente e lo rinvia direttamente alla sorgente
stessa. In una stanza abbiamo 4 angoli tridimensionali, formati da due pareti e dal soffitto,
e questi creano molti problemi negli ascolti.
In generale, in uno studio o in un ambiente acusticamente trattato, gli angoli formati tra le
pareti e tra le pareti e il soffitto andrebbero eliminati.
Diffrazione del suono
Il suono si propaga in linea retta fino a quando non incontra un ostacolo che gli può far
cambiare direzione. Il processo attraverso il quale avviene questo cambio di direzione
prende il nome di diffrazione.
Più è corta la lunghezza d'onda (cioè più alta è la frequenza), meno è rilevante il
fenomeno della diffrazione. Gli ostacoli in grado di diffrangere (piegare) il suono devono
essere grandi rispetto alla sua lunghezza d'onda.
Nella figura seguente, in A, le onde sonore incontrano un muro pesante, una parte viene
riflessa, come ci si aspetterebbe, mentre la parte che incontra lo spigolo superiore viene
diffratta, piegata, e lo spigolo stesso funge da nuova sorgente virtuale, inviando per
diffrazione energia sonora nella “zona d'ombra” del lato posteriore alla parete.
In B, il suono incontra una barriera solida che presenta un piccolo foro. Gran parte
dell'energia viene riflessa dalla parete, ma una piccola parte che passa attraverso il foro
dà luogo ad una sorgente virtuale puntiforme.
Rifrazione del suono
Abbiamo detto che la velocità del suono dipende dalla densità del mezzo in cui si propaga:
maggiore la densità, maggiore la velocità. Quindi, se il suono nel suo percorso incontra
mezzi con densità diverse, procederà attraverso questi con velocità diverse.
La rifrazione modifica la direzione del suono a causa della differenza di velocità di
propagazione in mezzi diversi.
Diffrazione e rifrazione sono due fenomeni diversi, da non confondere.
Si ha rifrazione anche quando il suono si propaga nello stesso mezzo, ad esempio l'aria,
ma nel suo procedere incontra un gradiente termico.
Risonanza
Consideriamo una lamina bloccata a una sua estremità. Se questa lamina è in quiete e noi
la sollecitiamo con una forza, ad esempio con un colpo, questa si metterà ad oscillare. Si
può osservare che tale oscillazione sarà tanto più ampia quanto maggiore è la forza
agente, ma la frequenza di tale oscillazione sarà sempre la stessa, indipendente dal tipo di
sollecitazione che abbiamo fornito.
Consideriamo una corda di chitarra. Se fatta vibrare, questa vibrerà con una sua
frequenza caratteristica ed emetterà un certo suono. La frequenza a cui vibrerà la corda,
cioè la sua frequenza naturale, dipende da molti fattori, come la lunghezza della corda, la
sua tensione, il suo diametro, ecc..
Se avviciniamo alla corda ferma uno speaker che emette un suono, le vibrazioni emesse
metteranno in movimento la corda.
La corda inizierà a vibrare, e a produrre un suono, secondo la sua frequenza naturale (non
secondo la frequenza del suono che la mette in movimento). Si dice in questo caso che la
corda è stata messa in risonanza, o risuona per risonanza.
La frequenza alla quale il nostro speaker fa vibrare la corda alla sua massima ampiezza è
la frequenza di risonanza caratteristica della corda.
Quanto più il suono emesso dallo speaker si avvicina alla frequenza di risonanza della
corda, tanto più questa vibrerà con oscillazioni sempre più ampie.
La risonanza è alla base del funzionamento di molti strumenti musicali, nei quali un corpo
vibrante fa entrare in risonanza altre parti dello strumento studiate per amplificare il suono.
Nella chitarra acustica, le vibrazioni prodotte dalle corde fanno entrare in risonanza la
cassa acustica, amplificando il suono. In genere, le chitarre con la cassa più grande
amplificano di più il suono, suonano di più, ed emettono bassi migliori, perché risuonano
meglio anche alle frequenze più basse.
Nell'organo a canne, abbiamo una canna per ogni nota che l'organo è in grado di
emettere. Per ogni canna c'è un corpo vibrante che mette in risonanza l'aria contenuta
all'interno della canna stessa, al fine di amplificarne il suono. Più le canne sono lunghe e
di grande diametro, più bassi sono i suoni che l'organo può emettere.
La risonanza è un fenomeno che interessa quasi tutti i corpi in grado di vibrare, non solo
gli strumenti musicali.