Suoni e amplificazione

INFORMATICA – ESERCITAZIONE DI LABORATORIO – SUONI E
AMPLIFICAZIONE
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Data: _______________________________________________________________
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l’esercitazione, ignora questo messaggio.
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A) OPERAZIONI PRELIMINARI
All’interno del disco di rete, nella vostra cartella personale o di gruppo, create una sottocartella di
nome Informatica.
Dentro la cartella Informatica\Esercitazioni, create una sottocartella Es24.
All’interno della sottocartella Es24 salvate questo file Word e compilate l’intestazione.
B) COME VIENE GENERATO UN SUONO
B1) Parliamo (finalmente!) di suoni. Prima di cominciare, rispondetemi subito
sinceramente. Secondo voi i suoni sono segnali?
Uhm, se avete risposto di no alla domanda precedente, significa che:
1) o non avete capito cosa sono i segnali (nel qual caso date di nuovo un’occhiata alla definizione
all’inizio dell’esercitazione 23)
2) oppure mi state prendendo in giro (nel qual caso state attenti, perché i prof sono molto permalosi
e io in particolare sono cattivissimo)
Se invece avete risposto di sì, possiamo andare avanti.
I libri definiscono il suono come un’onda di pressione indotta da un corpo vibrante che si propaga
nell’aria. Come definizione è molto poetica, immagino sarete d’accordo con me.
Jim Morrison diceva “Un giorno anche la guerra si inchinerà al suono di una chitarra.” … che,
tradotto nel nostro linguaggio, diventa “Un giorno anche la guerra si inchinerà all’onda di pressione
(indotta da una chitarra) che si propaga nell’aria”.
Non è esattamente la stessa cosa, vi pare?
Per chiarire meglio il concetto, partiamo dall’inizio: il corpo vibrante.
Il suono ha origine da una vibrazione. Le corde della chitarra vibrano, un diapason vibra, la
membrana di un tamburo vibra, le nostre corde vocali vibrano, un bicchiere colpito con un
cucchiaino vibra…
B2) Date un’occhiata a questo video (https://www.youtube.com/watch?v=r41bs0endYo )
che vi mostra in azione (al rallentatore) diverse sorgenti di suono. Cos’hanno in comune tutti gli
esempi? C’è sempre un corpo che…. (aggiungi il verbo per completare la frase)
B3) Ora supponiamo che state ascoltando la musica sul vostro stereo o al computer. Cos’è
che vibra in questo caso?
B4) Mi soffio (rumorosamente) il naso. Cosa vibra?
C) COME SI PROPAGA UN SUONO
Bene. A questo punto entra in gioco il secondo attore: l’aria. Infatti le vibrazioni (della corda, della
membrana, della cassa di risonanza, delle nostre corde vocali…) si trasmettono alle molecole
dell’aria.
Noi siamo immersi nell’aria. Possiamo visualizzare le molecole dell’aria come tante palline (molto
piccole):
Quando qualcosa vibra, anche le palline (pardon, molecole) vibrano e, vibrando, comunicano la
vibrazione una all’altra.
Date un po’ un’occhiata a questa immagine http://www.dosits.org/images/dosits/drumset.gif e
anche a questa http://www.physicsclassroom.com/mmedia/waves/tfl.gif
C1) Nessuna delle due immagini precedenti è molto realistica nel rappresentare le onde di
pressione sonora. Sai spiegarmi perché? Ti aiuto… ha a che fare con la rappresentazione spaziale.
Questa vibrazione è quella che i fisici chiamano onda di pressione. Praticamente le molecole
dell’aria si spingono e si tirano l’una con l’altra seguendo le vibrazioni della sorgente sonora. Tutta
l’aria si mette a vibrare intorno alla sorgente del suono.
C2) Spiegami perché il giochino delle sferette che oscillano (figura precedente) potrebbe
rappresentare la propagazione del suono nell’aria:
Un’altra analogia esiste fra un’onda di pressione sonora e quello che accade quando picchiettate col
dito sulla superficie di una pozza d’acqua.
C3) Attenzione: anche quest’ultima analogia è imperfetta. Dove sta la grossa differenza
fra la propagazione del suono nell’aria e le onde sull’acqua? Domandate pure al prof se non lo
sapete!
L’acqua nella pozza non di sposta quando muovete ritmicamente il dito. Non si crea una corrente di
acqua! Nell’acqua le singole molecole vibrano intorno alla loro posizione di equilibrio e vibrando
fanno vibrare quelle accanto e così via. La stessa cosa succede col suono…
C4) Se non ci credete provate a mettere una barchetta di carta e a creare piccole onde con
la mano. Secondo voi cosa fa la barchetta? Come si muove? Si sposta?
Un’ultima analogia. Abbiamo una folla molto compatta di persone (=molecole), per esempio su un
autobus. L’autobus frena bruscamente e poi si rimette in moto.
Ogni persona spinge quella accanto, la quale a sua volta spinge quella accanto e così via. Ogni
persona oscilla spingendo quella vicina, ma poi ritorna in equilibrio in piedi nella posizione di
partenza.
C5) Le persone si sono spostate dalla loro posizione iniziale? Si è generata un’onda?
Quando un suono si propaga, non c’è il movimento di qualcosa dalla sorgente fino all’ascoltatore.
Non ci sono molecole d’aria che partono dalla mia bocca e arrivano fino al tuo orecchio. E’ chiaro
questo punto?
Il suono si propaga nell’aria in modo simile alla propagazione di una ola allo stadio.
C6) Perché la ola allo stadio è una buona metafora della propagazione del suono
nell’aria? Le persone cosa rappresentano?
C7) E invece per quanto riguarda l’odore? Se senti un odore (un bel fiore profumato in un
vaso in mezzo a una stanza) c’è la propagazione di qualcosa? Oppure il meccanismo è simile a
quello del suono?
D) LE VIBRAZIONI DIVENTANO SUONO
Adesso ci siamo quasi. Queste vibrazioni dell’aria diventano “suono” solo in presenza di un altro
attore, fondamentale.
D1) Cosa manca alla nostra descrizione perché le vibrazioni possano definirsi suono?
Dunque abbiamo capito che le vibrazioni dell’aria devono alla fine arrivare all’orecchio di un
ascoltatore (va bene anche un cane o un gatto o una rana). Senza qualcuno che ascolti, non ha molto
senso parlare di suono.
E cosa c’è dentro l’orecchio? Una membrana, detta timpano.
D2) Secondo voi cosa fa il timpano che sta dentro il nostro orecchio quando arriva l’onda
di pressione sonora? Il timpano si mette a… 7 lettere!
D3) E se il suonatore e l’ascoltatore fossero entrambi sott’acqua? Il suono ci sarebbe lo
stesso? Spiegate?
D4) Per vedere se avete risposto giusto alla domanda precedente, date un’occhiata a
questo video (e poi, se è il caso, correggete la risposta che avevate dato):
https://www.youtube.com/watch?v=hJizT_-W_AA
D5) Cosa c’è di sbagliato nella scena di questo video
(https://www.youtube.com/watch?v=tquaim7OMaQ )? Spiegate!!!
D6) Ok, riepiloghiamo per essere sicuri di aver capito tutto. Il suono è prodotto dalle ….
(10 lettere) di qualcosa (corda, membrana, naso) che si trasmettono all’…. (4 lettere) o all’… (5
lettere) (o al vino o a qualsiasi altro mezzo) e in questo modo arrivano fino al …. (7 lettere) che sta
dentro il nostro …. (8 lettere) e lo fanno vibrare.
D7) Per concludere la nostra discussione sui suoni, dai un’occhiata a questo video
https://www.youtube.com/watch?v=K_ab2cOQQ1Y e poi spiegami che cosa dimostra...
E) UN SISTEMA DI AMPLIFICAZIONE
Immaginiamo questa scena. Un cantante (scegliete voi quale) sale sul palco in mezzo al tripudio
generale, afferra il microfono e si mette a cantare. Dalle casse (o altoparlanti) esce il suono della sua
voce.
Riassumendo: nel microfono entra suono (la voce del cantante) e dalle casse esce suono (la voce del
cantante). Semplice?
In realtà non proprio. Fra microfono e casse c’è un dispositivo detto amplificatore, il cui scopo è
quello di amplificare l’intensità del suono (aumentandone la potenza, come vedremo meglio più
avanti).
Dunque possiamo definire l’amplificatore come un dispositivo per aumentare la potenza dei suoni.
Giusto? Siete proprio sicuri?
Sbagliato.
Se volete vedere un dispositivo che amplifica i suoni, eccolo qui:
E1) In realtà l’amplificatore non amplifica affatto i suoni. Che cosa amplifica per
davvero? Provate a rispondere prima di leggere il seguito…
Per capire come funziona il sistema di amplificazione, diamo dapprima un’occhiata a come
funziona un microfono.
Ecco uno schema di come è fatto dentro un microfono:
In poche parole le onde sonore mettono in vibrazione una membrana (tanto per cambiare!), la quale
è collegata con un magnete che oscilla dentro degli avvolgimenti elettrici. Per farla breve, il suono
fa vibrare la membrana del microfono, il quale fa vibrare il magnete, il quale produce un segnale di
tipo elettrico (corrente).
E2) In pratica il microfono trasforma il suono in…?
Niente di nuovo, direte voi. Ora però vi dico qualcosa che forse non sapete. Questa corrente
prodotta dal microfono è un segnale, giusto? Un segnale di tipo elettrico, ma pur sempre un segnale.
Anche il suono è un segnale, siamo d’accordo fin qui?
La domanda da un milione di dollari (si fa per dire… non venite poi a chiedermi soldi) è: come
sono legati fra loro la corrente prodotta e il suono che agisce sul microfono? Se il suono aumenta,
aumenta anche la corrente, siete d’accordo? Se diminuisce il suono, si riduce pure l’intensità di
corrente prodotta dal microfono. Senza suono, nel silenzio completo, non c’è corrente prodotta.
Fin qui è tutto chiaro, spero. Ma le cose non sono mai così semplici come sembrano…
Supponiamo che vi dica che il grafico del segnale sonoro in ingresso all’amplificatore è questo:
Come vi immaginate che sia il grafico del segnale in corrente?
SUGGERIMENTO:
Copia il grafico precedente e incollalo in Paint. Poi, usando un altro colore, sugli stessi assi x e y
disegna (anche in modo approssimativo) il grafico della corrente, tenendo conto che fra suono e
corrente c’è una relazione di proporzionalità diretta. ATTENTO ai punti in cui il grafico passa per il
valore zero (incroci con l’asse x).
E3) Provate a disegnare qui sotto come vi aspettate che sia il segnale di corrente
amplificata:
Se chiamiamo S il suono e I la corrente (di solito si usa la lettera I per le correnti), fra i due segnali
deve esserci una relazione di proporzionalità diretta e cioè:
I=KxS
K si chiama coefficiente del microfono. In buona sostanza K è un numero che misura quanto è
sensibile il microfono. Facciamo finta che valga 3. La formula precedente ci dice che, con K = 3, la
corrente prodotta dal microfono è il triplo del segnale sonoro applicato. Mi seguite fin qui?
Se io prendo tutti i punti del grafico del suono e li moltiplico per tre (o per K qualsiasi) cosa
succede? Succede che ottengo un grafico identico, solo tre volte (K volte) più grande! Allo stesso
modo, se prendo tutti i punti di un cane e li moltiplico per tre, ottengo lo stesso cane, tre volte più
grande.
Ok, lasciamo perdere l’esempio del cane e concentriamoci sul concetto di proporzionalità diretta.
E4) Quando domando agli studenti di definirmi cosa vuol dire che due grandezze sono fra
loro direttamente proporzionali, la risposta che ottengo quasi sempre è: “vuol dire che se aumenta
l’una, aumenta anche l’altra”. Si tratta di una risposta molto imprecisa! Riuscite a spiegarmelo
meglio voi?
Per capire bene questo punto (fondamentale) date un’occhiata a questi due cani:
E5) Vi sembrano direttamente proporzionali? Eppure il secondo è più grande del primo,
no? Perché non sono direttamente proporzionali? Spiegamelo!
Torniamo ai suoni e lasciamo stare i cani (stavolta per sempre, prometto!). La corrente prodotta dal
microfono è direttamente proporzionale all’intensità del suono che agisce sul microfono. Questo
non vuol dire semplicemente che se aumenta il suono aumenta anche la corrente, ma che la corrente
segue il suono, ne ha la stessa identica forma. Ci siete su questo punto? È importante, perciò se non
ci siamo chiariti, domandate…
E6) Quando vi ho detto che il coefficiente K del microfono è un numero (es. 3) ho detto
una cosa imprecisa. In realtà non si tratta di un numero, cioè non si tratta di un numero puro. Sapete
dirmi perché?
Perché è così importante che un buon microfono sia il più possibile direttamente proporzionale?
Perché, in caso contrario, la corrente prodotta sarebbe distorta, non assomiglierebbe più al suono
che l’ha generata! E la distorsione, negli amplificatori, è da evitare come la peste, perché produce
un suono sgradevole, diverso da quello originale… in altre parole, produce un suono distorto.
E7) Dunque, riassumendo, si verifica distorsione quando…?
OK, ci sono alcuni chitarristi (e altri musicisti) che usano la distorsione in modo creativo, ma non è
il caso di un amplificatore. L’amplificatore non deve creare musica. Deve amplificarla e basta.
Senza distorsione. Punto.
Ora passiamo dall’altro lato del nostro impianto di amplificazione e consideriamo come funzionano
gli altoparlanti. Un altoparlante è un dispositivo che riceve in ingresso una corrente e la trasforma
in un suono. Il contrario di un microfono!
Ecco nella prossima figura come è fatto dentro un altoparlante (o cassa o speaker che dir si voglia):
Come vedete c’è una membrana (che novità) e un magnete. La corrente che passa nei fili produce
un campo magnetico, il quale fa vibrare la membrana, la quale a sua volta produce il suono.
Davvero il contrario di un microfono!!!
Riassumendo: il microfono trasforma il suono in una corrente I1 direttamente proporzionale al
suono stesso. Questa corrente va all’amplificatore, il quale la trasforma in un’altra corrente I2 che
viene mandata all’altoparlante, il quale finalmente la trasforma di nuovo in suono.
E8) Affinché tutto funzioni correttamente e alla fine il suono prodotto in uscita
all’altoparlante sia uguale (senza distorsione, solo con volume maggiore) al suono in ingresso al
microfono, tutti i componenti dell’impianto (microfono, amplificatore e altoparlante) devono
funzionare in modo…? Quale caratteristica fondamentale devono avere, per non produrre
distorsione?
E9) Anche l’amplificatore ha un proprio coefficiente K (detto coefficiente di
amplificazione) e così pure l’altoparlante. Fra tutti questi K ce n’è uno che è certamente un numero
puro e che assume valori maggiori di 1. Di chi si tratta e perché è maggiore di uno? Spiegate!
Questa nostra breve chiacchierata sui sistemi di amplificazione per suoni ci ha fatto capire (spero)
l’importanza della proporzionalità diretta.
E10) Giusto per chiudere in bellezza, finiamo con un’analogia. Se ho una foto e la
ingrandisco, produco distorsione se…
F) SISTEMI DI RIPRODUZIONE SONORA ELETTRICI E NON
Abbiamo detto che il suono viene convertito dal microfono in una grandezza elettrica (corrente o
tensione, per noi è lo stesso… ma non andate a dirlo a un elettronico, altrimenti vi folgora!).
I primi sistemi di riproduzione sonora (i fonografi) funzionavano senza corrente. In figura potete
vedere lo schema di funzionamento dei primissimi fonografi inventati da Thomas Alva Edison (lo
stesso delle lampadine!) nel 1877:
Nel fonografo di Edison il suono veniva inciso (da cui il termine "incisione" usato ancora oggi per
le registrazioni musicali) tramite una puntina su un cilindro ruotante ricoperto dapprima di stagnola
e poi di cera: la profondità dei solchi era proporzionale all'intensità del suono registrato.
Vedete dal disegno: il cantante canta (o meglio “urla!) dentro la tromba (o imbuto). In fondo a tale
tromba c’è una membrana (toh!) collegata a una puntina che vibra e scava dei piccoli solchi sul
cilindro mentre questo ruota.
Qui sopra vedete la foto di un cilindro. In controluce si vedono le minuscole incisioni prodotte dalla
testina durante la registrazione.
Per riprodurre il suono col fonografo bastava farlo funzionare al contrario, cioè si girava la
manopola, la testina vibrava a contatto con i solchi sul cilindro e dalla tromba usciva il suono
inciso. Niente elettricità come vedete!
F1) Date un’occhiata a questo video per vedere come viene registrato e riprodotto il
suono su un fonografo: https://www.youtube.com/watch?v=BTM3qzD3Zuw
Perché vi ho fatto questa digressione sul fonografo? Nel fonografo il suono non veniva convertito in
un segnale elettrico. Invece, veniva convertito in…
F2) In cosa veniva convertito il suono nel fonografo? Ditemelo voi.
F3) E ora ascolta questa registrazione. Si tratta del primo suono mai registrato da Thomas
Alva Edison, la filastrocca “Mary had a little lamb”:
https://www.youtube.com/watch?v=1q036qGIdVM
Un voto pari a 10 di laboratorio verrà attribuito a chiunque sia in grado di
realizzare e di portare a scuola un fonografo funzionante, simile a quello
mostrato dal video precedente. In teoria non dovrebbe essere troppo difficile da
fare, purché si abbia un po’ di pratica con i lavori manuali. Se ti piace fare
piccoli lavori con attrezzi e materiale vario, questa è la tua occasione!
Ma convertire un suono in corrente e tensione è molto più vantaggioso! Vediamo perché:
1) un segnale elettrico (es. una corrente) è facile da amplificare
2) un segnale elettrico è facile da trasmettere a distanza
3) un segnale elettrico può facilmente essere manipolato, filtrato e trasformato
4) un segnale elettrico si può trasformare in numeri binari (di questo parleremo ancora).
Infatti nel giradischi (il nipote del fonografo e il padre del lettore CD), il suono viene prima
convertito in corrente.
F4) Siete in grado (se occorre cercando su internet o domandando all’insegnante) di
spiegare attraverso quali passaggi e trasformazioni viene riprodotto il suono inciso su un disco in
vinile da un giradischi? Siate brevi e precisi, partendo dai solchi sul vinile, passando alla testina,
all’amplificatore e infine all’altoparlante:
ATTENZIONE: spiegazioni copiate e incollate integralmente da Wikipedia o da qualche altro sito
NON verranno valutate.
G) INVIARE L’ESERCITAZIONE ALL’INSEGNANTE
Creare una cartella compressa col contenuto dell’esercitazione (Es24) e inviarla all’insegnante su
Classiperlo. Prima di inviare l’esercitazione, chiedere all’insegnante di verificare che tutti gli
esercizi siano stati svolti correttamente (ATTENZIONE: inviate tutta la cartella compressa, non
solo questo file con le spiegazioni!).
FINAL CHECK
Prima di terminare l’esercitazione accertatevi di aver capito bene e di sapere fare ognuna delle cose
qui indicate. Ogni membro del gruppo deve conoscere e saper fare ognuna delle cose in lista (perciò
fate un po’ di prove, ciascuno per proprio conto). Se c’è qualcosa di poco chiaro, domandate
all’insegnante.
DA SAPERE
Che cos’è un suono
Come viene prodotto e propagato un suono
Cos’è e come funziona un sistema di
amplificazione
Cosa vuol dire proporzionalità diretta
Come funzionano microfono e altoparlante
Come funzionava il fonografo
Vantaggi della conversione dei suoni in correnti
elettriche
DA SAPER FARE
Scrivere una formula di proporzionalità diretta