Nozioni di Acustica semplice

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Nozioni di Acustica semplice
Introduzione
Il suono
Le caratteristiche di un suono
Il timbro
La percezione del suono
Dal suono all'elettricità
Introduzione
Un corpo che vibra genera compressione e decompressione dell’aria, che si trasmette in tutte le
direzione sotto forma di onde. Le onde che raggiungono un orecchio animale o umano, vengono
raccolte dal padiglione auricolare e convogliate sulla membrana del timpano. Questo è collegato con
una catena di ossicini che trasferiscono le vibrazioni ad un liquido presente nell’orecchio interno. I
movimenti del liquido stimolano i filamenti delle cellule ciliate, che generano gli impulsi nervosi.
Ogni onda sonora ha caratteristiche proprie come l'intensità o la lunghezza. Non si può sentire un
suono se non ha una intensità sufficiente a far vibrare il timpano e lo stesso avviene se non ha la
giusta lunghezza d’onda (l).
Il numero di volte che una sorgente sonora vibra in un secondo viene chiamata frequenza e viene
espressa in Hertz, quindi se un suono ha frequenza 100 significa che la sua sorgente vibra 100 volte in
un secondo. L’orecchio umano è sensibile a frequenze da 20 a 20.000 Hertz.
Il suono
Generalmente, nel linguaggio comune, quando si parla di suono si intende la sensazione psicologica
legata all'ascolto. Per descrivere un suono, in effetti, spesso usiamo aggettivi, come ad esempio
gradevole oppure fastidioso, che sono legati alla sfera delle nostre emozioni. Ma come possiamo
definire in modo più esatto e oggettivo un suono? Per rispondere a questa domanda ci conviene partire
dalle origini e quindi, per prima cosa, cercare di capire da dove nasce un suono. Se facciamo un
piccolo esperimento e pizzichiamo la corda di una chitarra ci accorgiamo che, in questo caso, il suono è
prodotto e nasce proprio dalla vibrazione della corda.
Vibrazione di una corda pizzicata
Per essere più precisi possiamo dire che per vibrazione si intende un movimento oscillatorio di un
corpo attorno alla sua posizione di equilibrio come quello mostrato dalla figura precedente. La cosa
interessante è che qualsiasi tipo di suono, non solo quello di una corda di chitarra, è prodotto proprio
da un fenomeno di questo tipo in cui c'è un corpo, chiamato sorgente del suono, che vibra. Ma come
riesce questa vibrazione ad arrivare fino al nostro orecchio per essere percepita? Quello che accade è
che, quando un corpo vibra, la sua vibrazione si propaga nell'ambiente circostante sotto forma di un
onda di pressione, ed è proprio quest'onda che viene chiamata suono. Per visualizzare questo
fenomeno possiamo pensare all'onda che si genera sulla superfice dell'acqua quando agitiamo una
mano nel liquido: più la vibrazione della mano è ampia e più sarà alta l'onda che si propaga nell'acqua.
Allo stesso modo più è ampia l'oscillazione della corda e più sarà forte il suono che ascolteremo.
Onda di pressione generata nell'aria dalla corda
Da quello che abbiamo appena detto ne deriva che noi possiamo ascoltare un suono solo se esiste un
mezzo attraverso il quale la vibrazione del corpo si può propagare e generalmente questo mezzo di
propagazione è proprio l'aria che ci circonda. In realtà, però, il suono si propaga in qualsiasi tipo di
mezzo, solido liquido o gassoso anche se con velocità diverse, come possiamo vedere nella tabella che
segue, da dove si deduce che la velocità del suono cresce con la densità del mezzo in cui si propaga.
MEZZO
VELOCITÀ
(metri al secondo)
Aria
331
Aria
331
Acqua
1450
Piombo
1230
Ferro
5130
Granito
6000
La velocità del suono in alcuni materiali
Anche l'attenuazione che subisce il suono ­ ovvero la diminuzione del suo volume mentre viaggia ­
dipende dalla densità del mezzo di propagazione e infatti per esempio, nell'acqua un suono si può
percepire ad una distanza molto maggiore che nell'aria. Le caratteristiche di un suono
Se andate a guardare su un qualsiasi libro di musica vedrete che il suono si definisce usando tre
proprietà: altezza, intensità e timbro. Ma cosa rappresentano questi nomi? Per capire come si
collegano queste grandezze al suono ci conviene osservare la forma dell'onda di pressione che nasce
da un corpo che oscilla e si propaga nel mezzo circostante. Possiamo rappresentare quest'onda su di
un grafico come quello che segue.
Grafico di un onda sonora
Se osservate la figura vi accorgete che un onda sonora è caratterizzata dal fatto che una stessa forma
si ripete periodicamente. L'altezza di un suono, chiamata più comunemente frequenza, è proprio
l'inverso del tempo che dura ogni ripetizione, che, a sua volta, viene chiamato il periodo dell'onda.
L'onda sonora in figura, per esempio, ha un periodo che dura 1/100 di secondo e quindi una frequenza
pari a 100 oscillazioni al secondo. L'unità di misura della frequenza si chiama Hertz, o in breve Hz, e
quindi questa frequenza vale 100 Hz. Ma come possiamo sentire la frequenza di un suono? Niente di
più facile! Più un suono è acuto e più la sua frequenza cresce. Per dare un po' di numeri considerate
che una frequenza minore di 200 Hz è un suono basso mentre una frequenza maggiore di 800 Hz è un
suono acuto.
Passiamo ora alla seconda proprietà di un suono, l'intensità. Come potete immaginare con questo
nome si intende l'ampiezza di un suono, il suo volume. Ma come si misura questa volume? Così come
per la frequenza esiste un'unità di misura ad hoc, gli Hertz, anche in questo caso per misurare
l'ampiezza di un suono si usa un unità particolare chiamata Decibel, e quando usiamo questa unità
facciamo riferimento proprio alla sensibilità dell'udito: un suono appena percepibile infatti ha un
ampiezza di 0 decibel ­ abbreviato in Db ­ mentre un suono spacca timpani ha un ampiezza di 120 Db.
Ma diamo qualche altro esempio tra questi due estremi:
Decibel
Condizione ambientale
140
Soglia del dolore
120
Clacson potente, a un metro
100
Interno della metropolitana
80
Strada a circolazione media
70
Conversazione normale, a un metro
60
Ufficio commerciale
40 Biblioteca
20
Studio di radiodiffusione
0
Soglia di udibilità
Ampiezza sonora (Decibel)
Ed ora vediamo qualche sito su cui possiamo trovare qualche informazione in più su quanto abbiamo
detto:
http://www.racine.ra.it/ungaretti/labscie/acustica.htm a questo indirizzo, per esempio, la scuola
media statale "Ungaretti" di Solarolo (RA) descrive, in un percorso a esperimenti, le basi dell'acustica;
http://www.atnet.it/lstron/fisica/oscill/sim01.htm qui, invece, possiamo trovare un laboratorio di fisica
virtuale con delle ottime animazioni che descrivono il comportamento di un onda sonora e anche, per i
più volenterosi, le equazioni matematiche che la descrivono. Il timbro
L'ultima, e più complessa, caratteristica di un suono è chiamata timbro. Possiamo 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.
Grafico dell'onda di pressione generata
da un piano e da un violino
Come vedete la forma dell'onda è molto diversa nei due casi e si sarebbe tentati di affermare che è
proprio lei la responsabile del timbro. Ma purtroppo questo non è del tutto esatto. In effetti ci possono
essere delle forme d'onda che appaiono differenti ma hanno lo stesso suono. A prima vista potrebbe
sembrare di essere arrivati in un vicolo cieco, ma in realtà una via di uscita esiste e la scoprì nel 1701
il francese Sauveur. Questo scienziato, 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. Usando 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. Quindi, così come possiamo descrivere una pietanza attraverso la lista dei
suoi ingredienti, allo stesso modo possiamo caratterizzare un suono specificando le sinusoidi che lo
formano. Questa lista degli ingredienti di un suono ovvero delle sinusoidi che lo compongono, si
chiama spettro. Ma come si legge lo spettro di un suono? Se osservate la figura seguente, che
rappresenta uno spettro, potete osservare che sull'asse orizzontale sono rappresentate, in ordine
crescente, le frequenze delle armoniche che compongono il suono, mentre, l'ampiezza di ognuna di
queste armoniche è rappresentata dall'altezza della riga che la rappresenta.
Lo spettro
Se volete saperne di più sullo spettro e sull'importanza che riveste nel mondo della musica e dei suoni
potete recarvi sul sito http://nts.csrf.pd.cnr.it/biblos/spettro­sonoro.htm della "Biblioteca Umanistica
Virtuale degli Organi di Ricerca del CNR" dove troverete tutte le informazioni che vi possono servire su
questo argomento.
Alla pagina http://www­groups.dcs.st­and.ac.uk/~history/Mathematicians/Fourier.html invece potrete
trovare una breve biografia di Fourier (in inglese). La percezione del suono
Un suono, come abbiamo visto nel caso della corda di una chitarra, è un'onda di pressione che parte
da un oggetto che vibra e si propaga nell'aria circostante. Per poter percepire quest'onda sonora
l'uomo utilizza l'orecchio, un organo complesso ed estremamente sensibile. Ma non tutte le vibrazioni
possono essere percepite dal nostro orecchio e infatti, per esempio, noi non riusciamo a sentire il
suono di un fischietto per cani perché la sua onda sonora ha una frequenza maggiore dell'intervallo in
cui l'orecchio è sensibile.
Teoricamente, infatti, il nostro orecchio è in grado di ascoltare un suono solo se la sua frequenza è
compresa tra i 20 e i 20.000 Hertz. Ma perché diciamo teoricamente? In realtà, in effetti pochissimi
individui sono in grado di ascoltare in un intervallo così ampio. Molto più spesso la massima frequenza
che riusciamo ad ascoltare non è maggiore di 16.000 Hz. E = orecchio esterno, M = orecchio medio, I = orecchio interno
Ora che abbiamo stabilito l'intervallo di frequenze che possiamo ascoltare, può essere interessante
cercare di capire come funziona il nostro orecchio. Per vederlo partiamo dalla porta di ingresso, una
membrana elastica e sensibile che viene chiamata timpano. Il suono, o meglio l'onda di pressione che
penetra nel condotto, si infrange contro il timpano che oscilla impercettibilmente ­ qualche decimo di
millimetro ­ seguendo le variazioni di pressione dell'onda sonora. Il movimento del timpano viene poi
amplificato e trasferito tramite tre ossicini, che formano una specie di snodo meccanico, ad un organo
chiamato coclea o chiocciola per la sua caratteristica forma a spirale.
Il timpano, gli ossicini e la coclea
La chiocciola è l'organo più delicato e complesso del nostro apparato uditivo. Il suo compito è quello di
convertire le vibrazioni meccaniche che giungono dagli ossicini in impulsi elettrici che verranno inviati
al cervello utilizzando il nervo uditivo. Per effettuare questa conversione la chiocciola si comporta
come un microscopico analizzatore spettrale contenuto nella nostra testa: il suono infatti, prima di
essere inviato al cervello viene scomposto in una somma di armoniche ed è questa scomposizione
armonica che noi ascoltiamo.
Il modo in cui noi percepiamo i suoni quindi, oltre che dai nostri gusti musicali, dipende anche e
soprattutto dal modo in cui risponde questo sofisticato sistema di conversione, dalle sue
caratteristiche. Pensate che esiste una scienza, chiamata psicoacustica, che si occupa proprio dello
studio della percezione sonora.
Se siete incuriositi dalla psicologia percettiva e alle sue applicazioni vi consiglio di visitare il sito
http://www.cens.polito.it/demartin/Contenuto/Monografia_su_mp3/Psicoacustica.htm
Se invece volete conoscere un po' più in dettaglio come funziona il nostro apparato uditivo e, in
particolare, la chiocciola, vi suggerisco un ottimo sito italiano che si trova all'indirizzo
http://www.sissa.it/bp/Cochlea/italian/coclea.htm.
Ma a cosa serve sapere tutte queste cose sulla percezione del suono? Innanzitutto per capire la
relazione che intercorre tra il suono come fenomeno fisico e la sensazione che si prova durante
l'ascolto e poi perché conoscendo i meccanismi percettivi è possibile sviluppare delle applicazioni come
ad esempio la famosa codifica MP3, che utilizzano questa conoscenza per riuscire a comprimere un file
di suoni e fare si che noi li possiamo scaricare da Internet in minuti anziché ore.
La codifica MP3 in effetti si basa proprio sul funzionamento dell'orecchio ed infatti riesce ad eliminare
dalla musica solo quelle informazioni che il nostro orecchio non è in grado di percepire. In ogni caso,
se volete saperne di più su MP3 e sui principi della codifica psicoacustica, potete andare sul sito
http://www.tesre.bo.cnr.it/Services/Local/Beta/bs019598/0198/b198appr.htmdove troverete una
risposta a tutte le vostre domande oltre che una panoramica sui principali programmi che si utilizzano
per suonare e registrare i file MP3. Dal suono all'elettricità
Ora che abbiamo visto cos'è un suono e come siamo in grado di percepirlo, prima di iniziare a parlare
di bit e di computer ci conviene esaminare come si converte un suono in un segnale di corrente. In
effetti è proprio questa trasformazione che ha consentito l'ingresso della musica nelle nostre case
attraverso radio, registratori e dischi, e ancora oggi è necessario passare attraverso la conversione dal
suono ad un segnale elettrico, prima di digitalizzare questo segnale elettrico e trasformarlo in bit da
far leggere al computer. Per capire come avvenga questa trasformazione tra suono e elettricità
dobbiamo per prima cosa esaminare i due dispositivi che ci consentono di passare dal mondo dei
suoni, fatto di onde di pressione che si propagano nell'ambiente, al mondo dei segnali elettrici che
viaggiamo su fili di rame e dispositivi elettronici. Questi due dispositivi si chiamano microfono e
altoparlante. Il funzionamento del microfono simula quello dell'orecchio umano, che trasforma
l'energia del segnale sonoro in energia meccanica attraverso la membrana del timpano. Anche nel
microfono infatti c'è una membrana che vibra e, successivamente, l'energia meccanica di questa
vibrazione viene trasformata in energia elettrica, tenendo conto della velocità o dell'ampiezza dello
spostamento della membrana, usando un componente elettrico chiamato condensatore. Nel caso
dell'altoparlante, invece , è una membrana di cartone a forma di cono che si occupa di generare
nell'aria circostante le onde di pressione che giungeranno al nostro orecchio. Per poter oscillare
seguendo le variazioni del segnale elettrico questo cono è collegato ad una bobina elettromagnetica
che però, per essere messa in movimento richiede un segnale elettrico di potenza sufficientemente
alta (qualche decina di Watt). Per raggiungere questa potenza si usa un dispositivo chiamato
amplificatore.
L'altoparlante
Una descrizione più approfondita di come funzionano questi dispositivi, comunque, si può trovare sul
sito http://www.cfnt.provincia.si.it/corsi/segnali_audio_video/acustica.htm. La trasformazione di un
suono in un segnale elettrico è un operazione fondamentale in campo musicale. Un segnale elettrico,
ad esempio, può essere memorizzato su di un nastro magnetico e riascoltato in qualsiasi momento,
oppure può essere trasmesso via radio. Dal punto di vista delle applicazioni musicali, inoltre, si può
considerare la possibilità di trasformare il segnale elettrico che rappresenta il suono applicando i
cosiddetti effetti, come ad esempio la simulazione del riverbero di un ambiente o la distorsione del
suono di una chitarra elettrica.
Oppure si può generare ex­novo un segnale elettrico oscillante e poi trasformarlo in un suono, come
facevano i vecchi sintetizzatori. Vi ricordate il famosissimo Moog?
Oggi i musicisti amano ancora questi suoni elettrici, che adesso vengono chiamati analogici per
distinguerli da quelli digitali, che sono generati dai computer, ed esistono numerosi siti per gli
appassionati dei vecchi sintetizzatori, come quello che vedete nella figura seguente.
Un sintetizzatore analogico
All'indirizzo http://www.vintagesynth.com/ per esempio c'è un vero e proprio museo virtuale dove
potrete trovare informazioni e foto su questi dinosauri della musica che oggi, grazie alla musica Tecno,
stanno vivendo una seconda giovinezza e fanno ballare milioni di persone.
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