Caratteristiche fisiche del suono
Che cos’è l’acustica
L’acustica è una disciplina scientifica che si occupa delle caratteristiche dei suoni cioè studia come
gli effetti sonori si producono e si propagano.
Che cos’è il suono
Il suono è un fenomeno fisico che stimola il senso dell’udito: esso è provocato dal rapido movimento (vibrazione) di un qualsiasi corpo (una corda, un elastico, un pezzo di legno, una colonna d’aria,
ecc.) Esso è una forma di energia in qualche modo paragonabile alla luce o all’elettricità. I suoni
sono semplicemente onde create da vibrazioni ottenute in migliaia di modi diversi: pizzicando la
corda di una chitarra, soffiando nel bocchino di una tromba, sfregando un archetto sulle corde di un
violino, percotendo un pezzo di legno o di metallo.
Suono e rumore
Qual è la differenza tra suono e rumore?
Le differenze possono essere di tipo soggettivo oppure oggettivo.
Comunemente si tende a collegare la parola suono a qualcosa di piacevole e la parola rumore a
qualcosa di fastidioso, ma questa differenza è piuttosto soggettiva e legata al contesto in cui un suono o un rumore sono inseriti. Il rombo del motore di un’auto di formula 1 può essere un fastidioso
rumore oppure un bellissimo suono: dipende se chi lo ascolta è un appassionato di corse automobilistiche oppure un amante della natura e della tranquillità.
L’acustica stabilisce comunque una differenza precisa (oggettiva) tra suono e rumore, basata
sull’analisi delle vibrazioni: se le vibrazioni sono regolari (uguali una all’altra) abbiamo un suono;
se sono irregolari (diseguali tra loro) abbiamo un rumore.
Come si propaga il suono
Il suono si trasmette attraverso le onde sonore. Le onde sonore prodotte dalle vibrazioni di una corda provocano dei movimenti periodici delle molecole d’aria formando strati alternati di aria compressa e rarefatta che si propagano in tutte le direzioni fino ad arrivare al nostro orecchio.
Le onde sonore si propagano sia
nell’aria che in altri elementi (acqua,
metalli).
La velocità del suono dipende dalla densità del mezzo fisico che attraversa. Ecco alcuni esempi:
• 340 metri/sec. circa nell’aria
• 1500 metri/sec. circa nell’acqua
• 5000 metri/sec. circa nel ferro
La vibrazione di un corpo elastico (una corda, una piastra di metallo, una colonna d’aria) produce
un movimento che possiamo definire di “andata e ritorno”. Infatti la vibrazione compie più volte un
percorso di andata e ritorno attraverso l’oggetto (ad esempio da un capo all’altro di una corda di
chitarra). Osservando il movimento di oscillazione di un pendolo possiamo individuare alcune caratteristiche presenti anche nelle vibrazioni che producono un suono (vedi la legge dell’isocronismo
pendolare di Galileo Galilei).
La stessa legge fisica che regola il movimento oscillatorio del pendolo può essere applicata agli
strumenti musicali: infatti la lunghezza della corda o della colonna d’aria negli strumenti musicali
determina l’altezza del suono; l’ampiezza della vibrazione determina invece l’intensità del suono (il
volume sonoro).
L’altezza del suono
Anche i suoni hanno un’altezza; nel linguaggio musicale le parole “alto” e “basso” vengono sostituite dai termini “acuto” e “grave”.
L’altezza dei suoni dipende dalla frequenza, cioè dalla velocità delle vibrazioni: dato un tempo costante (un secondo),
quanto più numerose esse sono, tanto più acuto è il suono.lo
L’altezza del suono si misura in “hertz” (Hz). Il termine
hertz si riferisce al nome del fisico tedesco che per primo
studiò questi fenomeni. Un hertz corrisponde ad
un’oscillazione completa di un corpo elastico nel tempo di
un minuto secondo. Dire che un suono è di 300 hertz significa che il corpo che lo produce vibra 300 volte al secondo.
Il diapason è lo strumento di misura universale che indica
l’altezza esatta del La (440 Hz).
In natura esistono suoni che vanno da un minimo di un hertz
a un massimo di circa un milione di hertz. L’orecchio umano può solo sentire i suoni compresi tra 16 e 20.000 hertz.
Infrasuoni e ultrasuoni
I suoni di frequenza inferiore ai 16 hertz vengono chiamati infrasuoni; quelli superiori ai 20.000
hertz vengono chiamati ultrasuoni. Molti animali sono in grado di udire questi tipi di suono, perché
dotati di un udito più sensibile di quello umano.
L’intensità del suono
L’intensità è la caratteristica che ci permettere di distinguere i suoni forti da quelli deboli; in pratica
quello che comunemente chiamiamo il volume del suono.
L’intensità è determinata dalla forza con la quale un corpo
sonoro viene messo in movimento e, di conseguenza,
dall’ampiezza delle vibrazioni.
L’intensità del suono si misura in decibel (dB). Con i decibel si misura la pressione acustica provocata dal suono nel
mezzo di propagazione (generalmente l’aria).
La pressione acustica necessaria perché un suono sia udibile dall’orecchio umano varia a seconda della frequenza (altezza) dei suoni.
Un suono di 1.000 hertz è udibile a “zero decibel”, mentre
scendendo a 30 hertz occorre un’intensità di almeno 60 decibel perché il suono sia udibile.
Esistono molte fonti potenziali capaci di produrre suoni a decibel elevati. Anche se tali suoni in piccole dosi non sono dannosi, è bene evitare una lunga esposizione a suoni di oltre 90 decibel.
Tenete presente che, anche se breve, un suono intenso può produrre danni fisici. Per esempio, il
suono prodotto da un martello pneumatico può provocare, al pari di una serata trascorsa in una discoteca, danni permanenti all’udito.
La soglia del dolore (fissata a circa 120 decibel) è quella soglia oltre la quale si prova un forte dolore e con l’esposizione prolungata può causare forti disturbi o addirittura sordità permanente.
La durata del suono
La durata del suono è determinata dal periodo di tempo in cui l’oggetto sonoro emette vibrazioni.
Quando un corpo sonoro smette di vibrare non produce più suono.
Il perdurare delle vibrazioni dipende da vari fattori:
•
•
•
Dall’elasticità del corpo sonoro (una piastra di metallo risuona più a lungo che una di legno)
Dalla forza impiegata per mettere in vibrazione il corpo sonoro (una piastra percossa debolmente esaurisce le vibrazioni prima di una percossa con forza)
Dalla durata della sollecitazione (una corda pizzicata produce un suono di breve durata; se
viene invece strofinata con un archetto di violino il suono può durare a lungo)
Il timbro del suono
Il timbro è la caratteristica che ci consente di distinguere il suono di uno strumento da quello di un
altro; esso può essere paragonato al colore in un disegno: i compositori usano il timbro dei vari
strumenti per arricchire (colorare) le loro musiche.
Il timbro dipende da vari fattori:
• Dalla forma e dimensione dell’oggetto sonoro
• Dal materiale di cui esso è costituito (legno, metallo, vetro, carta)
• Dal modo in cui il suono è stato prodotto (percuotendo, pizzicando, strofinando ecc.)
Il timbro determina una diversa forma dell’onda sonora generata dal suono.
Per descrivere il timbro si usano degli aggettivi legati alla sensazione che il suono produce nell’ascoltatore (chiaro, scuro, brillante, vellutato, morbido, pungente, cupo, triste, metallico, legnoso, ecc.)
Suoni puri ed impuri
Quando un corpo vibra, non produce quasi mai una sola vibrazione. Una nota di qualsiasi strumento
è formata da una vibrazione fondamentale, ma insieme ad altre secondarie, più acute e di minore intensità, chiamate armonici. I suoni prodotti da una sola vibrazione vengono chiamati suoni puri;
quelli prodotti dalla somma di più vibrazioni si dicono suoni impuri.
La figura a fianco illustra più chiaramente
come qualsiasi onda può essere considerata
come la somma di un insieme di onde, di cui
la prima è detta fondamentale, e le onde
successive prendono il nome di armoniche.
Le armoniche sono frequenze multiple della
frequenza fondamentale e di minore ampiezza (intensità).
Il numero delle armoniche ed i loro rapporti di intensità determinano il timbro,
cioè la ricchezza del suono.
Un "do" può essere emesso sia da un violino
che da una sirena... è la presenza delle armoniche con le loro rispettive intensità che
ci permettono di distinguere le sorgenti del
suono.
Eco e riverberazione
Quando le onde sonore incontrano un ostacolo riflettente rimbalzano come una palla. Se la distanza
tra la sorgente sonora e l’ostacolo è di almeno 17 metri, il suono può essere percepito distintamente. E’ questo l’eco, fenomeno dovuto alla riflessione dei suoni, che si genera generalmente negli
spazi aperti. Se l’ostacolo si trova a una distanza inferiore a 17 metri, il suono riflesso si sovrappone a quello di partenza e si produce il rimbombo o riverberazione.
Si verifica nei saloni vuoti, palestre, ecc.
L’acustica architettonica è quella parte scienza applicata in architettura per la costruzione di ambienti dedicati all’ascolto (teatri, cinema, sale da concerto) seguendo tutti gli accorgimenti necessari
per controllare la riflessione del suono.
Il muro del suono
Quando un aereo raggiunge la velocità del suono, cioè 1224 km all’ora, si sposta alla stessa velocità
delle onde sonore da lui stesso prodotte: in altre parole le onde sonore non si distanziano dal velivolo, ma gli si ammucchiano intorno e giungono così a formare una specie di barriera, il cosiddetto
muro del suono. Se l’aereo aumenta la velocità sfonda, per così dire, questo muro e produce un forte boato che, se prodotto a bassa quota, può mandare facilmente in frantumi i vetri delle abitazioni.
Funzionamento dell’orecchio
Il nostro orecchio è un insieme di strutture che ci permettono di captare i suoni. Si può dividere in
tre parti:
Orecchio esterno
L'orecchio esterno è formato dal padiglione auricolare e dal condotto uditivo. Il padiglione auricolare è costituito da cartilagine rivestita dalla pelle. La sua funzione è quella di raccogliere i suoni
per inviarli all'interno del condotto uditivo. Il condotto uditivo è una galleria dalle pareti lisce provvista di peli e di ghiandole sebacee e ghiandole ceruminose, il cui secreto ricco di cere ha una funzione protettiva.
Orecchio medio
Al termine del condotto uditivo si trova la membrana del timpano, che è una sottile membrana sensibile alle onde sonore che vengono a infrangersi su di essa. Le vibrazioni così raccolte vengono
trasmesse a tre ossicini (martello, incudine e staffa). I loro movimenti sono amplificati venti volte e
trasmessi all’orecchio interno. La staffa è aderente ad una membrana, chiamata finestra ovale, che
separa l’orecchio medio da quello interno. I tre ossicini dell'udito sono contenuti in una cavità che
comunica all'esterno attraverso un piccolo canale, la Tromba di Eustachio, che sbocca nella
faringe. In questo modo l'orecchio è collegato con la gola. Ciò permette di mantenere in equilibrio
la pressione dell'aria al di là e al di qua del timpano.
Orecchio interno
L’orecchio interno è un labirinto di canali a spirale pieni di liquido, deputati a funzioni uditive e di
equilibrio. Qui si trova un organo chiamato coclea o chiocciola per la sua caratteristica forma a
spirale. La chiocciola è l’organo più delicato e complesso del nostro apparato uditivo. Al suo interno, immerse in un liquido, sono presenti
migliaia di cellule cigliate (circa ventimila per ciascun orecchio). Il loro compito è quello di convertire le vibrazioni
meccaniche che giungono dagli ossicini
in impulsi nervosi-elettrici che verranno inviati al cervello utilizzando il nervo
uditivo o acustico.
Posteriormente i canali semicircolari,
sensibili alla gravità, all’accelerazione,
al movimento e alla posizione della testa, sono responsabili del senso dell'equilibrio.
