Giuseppe Ruffo Fisica: lezioni e problemi Unità F13 - Il suono 1. La propagazione delle onde 2. Le onde sonore 3. La riflessione del suono 4. L’effetto Doppler Giuseppe Ruffo, Fisica: lezioni e problemi © Zanichelli editore 2010 2 Lezione 1 - La propagazione delle onde Le onde meccaniche sono perturbazioni che si propagano nei mezzi elastici, con una velocità che dipende dalle proprietà del mezzo Giuseppe Ruffo, Fisica: lezioni e problemi © Zanichelli editore 2010 3 Lezione 1 - La propagazione delle onde I sistemi oscillanti possono generare onde, cioè perturbazioni che si propagano trasportando energia ma non materia - Una punta che vibra sul pelo dell’acqua genera onde circolari superficiali - Una lamina che vibra nell’aria genera onde spaziali di compressione e rarefazione (onde sonore) - Lungo una molla si propagano onde lineari Giuseppe Ruffo, Fisica: lezioni e problemi © Zanichelli editore 2010 4 Lezione 1 - La propagazione delle onde Le onde sinusoidali sono le onde più semplici e sono alla base di tutte le onde più complesse: si ripetono periodicamente nello spazio e nel tempo Cresta: zona in cui la perturbazione è massima Ventre: zona in cui la perturbazione è minima Ampiezza: massima variazione della perturbazione rispetto alla condizione di equilibrio Lunghezza d’onda (λ): distanza tra due creste (o ventri) successivi In un mezzo omogeneo l’onda si propaga con velocità costante v Giuseppe Ruffo, Fisica: lezioni e problemi © Zanichelli editore 2010 5 Lezione 1 - La propagazione delle onde Periodo (T): intervallo di tempo tra il passaggio di due creste nello stesso punto; è anche il tempo impiegato dall’onda a percorrere una lunghezza d’onda: Frequenza (f): numero di oscillazioni nell’unità di tempo; è il reciproco del periodo: Giuseppe Ruffo, Fisica: lezioni e problemi © Zanichelli editore 2010 6 Lezione 1 - La propagazione delle onde Onde elastiche: si propagano nei mezzi elastici Onde longitudinali: le particelle del mezzo oscillano lungo la direzione di propagazione dell’onda Onde trasversali: l’oscillazione delle particelle del mezzo è perpendicolare alla direzione di propagazione dell’onda Giuseppe Ruffo, Fisica: lezioni e problemi © Zanichelli editore 2010 7 Lezione 1 - La propagazione delle onde Principio di sovrapposizione Se due o più onde, nel corso della propagazione, si incontrano in un punto del mezzo, le perturbazioni si sommano algebricamente Onda impulsiva: la perturbazione è limitata nel tempo e nello spazio Giuseppe Ruffo, Fisica: lezioni e problemi © Zanichelli editore 2010 8 Lezione 1 - La propagazione delle onde Quando un’onda incontra un ostacolo subisce una riflessione e ritorna indietro. Se l’onda si propaga tra due pareti, si hanno riflessioni multiple In queste condizioni la sovrapposizione tra l’onda incidente e quella riflessa può generare un’onda stazionaria: non si ha propagazione, ma si hanno punti sempre fermi (nodi) e punti che oscillano soggetti alla massima perturbazione (ventri). La condizione per avere onde stazionarie è Giuseppe Ruffo, Fisica: lezioni e problemi © Zanichelli editore 2010 9 Lezione 2 - Le onde sonore Il suono è un’onda longitudinale che si propaga attraverso i solidi, i liquidi e i gas. L’intensità di un suono diminuisce man mano che ci si allontana dalla sorgente Giuseppe Ruffo, Fisica: lezioni e problemi © Zanichelli editore 2010 10 Lezione 2 - Le onde sonore Il suono è un’onda meccanica longitudinale, generata da un corpo che vibra con una certa frequenza. Il suono si propaga nella maggior parte dei mezzi materiali (solidi, liquidi e gas) ma non nel vuoto Giuseppe Ruffo, Fisica: lezioni e problemi © Zanichelli editore 2010 11 Lezione 2 - Le onde sonore Il suono è un’onda di pressione: si propaga nell’aria come una serie di compressioni e decompressioni (aumenti e diminuzioni locali di pressione, molto minori della pressione atmosferica) In un mezzo omogeneo le onde sonore si propagano a velocità costante. Il valore della velocità del suono dipende dalla natura del mezzo e dalle sue condizioni. Alla temperatura di 20 °C e alla pressione di 1 atm, la velocità del suono nell’aria è circa 340 m/s Giuseppe Ruffo, Fisica: lezioni e problemi © Zanichelli editore 2010 12 Lezione 2 - Le onde sonore Energia acustica: energia emessa da una sorgente sonora Potenza acustica di una sorgente: rapporto tra l’energia acustica emessa e l’intervallo di tempo in cui è stata emessa La potenza acustica captata da un ricevitore diminuisce all’aumento della distanza Giuseppe Ruffo, Fisica: lezioni e problemi © Zanichelli editore 2010 13 Lezione 2 - Le onde sonore Intensità di un suono: rapporto tra la potenza acustica trasmessa attraverso una superficie, perpendicolare alla direzione di propagazione dell’onda, e l’area della superficie stessa. Per una sorgente puntiforme, l’energia emessa si distribuisce su una superficie sferica. L’intensità è inversamente proporzionale al quadrato della distanza: Giuseppe Ruffo, Fisica: lezioni e problemi © Zanichelli editore 2010 14 Lezione 2 - Le onde sonore Orecchio umano - Intensità minima percepibile (soglia di udibilità) = 10-12 W/m2 - Intensità massima sopportabile (soglia del dolore) = 10-2 W/m2 In acustica si utilizza comunemente, al posto dell’intensità in W/m2, il livello di intensità espresso in decibel (dB). La scala dei decibel non è lineare, ma logaritmica: un aumento del livello di intensità di 10 dB corrisponde a una crescita dell’intensità di un ordine di grandezza Giuseppe Ruffo, Fisica: lezioni e problemi © Zanichelli editore 2010 15 Lezione 3 - La riflessione del suono Quando il suono incontra un ostacolo e si riflette, la frequenza non cambia. La riflessione degli ultrasuoni è un fenomeno utilizzato in molti ambiti. Giuseppe Ruffo, Fisica: lezioni e problemi © Zanichelli editore 2010 16 Lezione 3 - La riflessione del suono Un’onda sonora che si propaga in un mezzo materiale incontra la superficie di separazione con un altro mezzo. Si possono verificare tre fenomeni: - l’onda viene riflessa (ad esempio se incide su una parete di roccia) - l’onda viene trasmessa (ad esempio se incide su una parete leggera e sottile, come legno, mattoni forati, vetro) - l’onda viene assorbita dal secondo mezzo (ad esempio se incide su una parete o un soffitto rivestito di materiale poroso) Nella realtà si ha una concomitanza dei tre fenomeni, anche se spesso uno prevale nettamente sugli altri. Giuseppe Ruffo, Fisica: lezioni e problemi © Zanichelli editore 2010 17 Lezione 3 - La riflessione del suono Nella riflessione di un’onda, l’angolo di incidenza è uguale all’angolo di riflessione. In caso di incidenza perpendicolare, l’onda viene riflessa indietro nella stessa direzione La velocità dell’onda incidente è uguale a quella dell’onda riflessa La frequenza dell’onda è fissa (dipende solo dalla sorgente) La lunghezza d’onda dell’onda riflessa è identica alla lunghezza d’onda incidente Giuseppe Ruffo, Fisica: lezioni e problemi © Zanichelli editore 2010 18 Lezione 3 - La riflessione del suono Eco: un’onda sonora è riflessa da una parete e ritorna all’emettitore Per l’emettitore, il ritardo tra suono diretto e suono riflesso è: Il suono riflesso è percepito distinto da quello diretto se il ritardo è pari ad almeno un decimo di secondo. Con una velocità del suono di 340 m/s, c’è un’eco distinta se d > 17 m Giuseppe Ruffo, Fisica: lezioni e problemi © Zanichelli editore 2010 19 Lezione 3 - La riflessione del suono L’orecchio umano percepisce suoni nell’intervallo di frequenza tra circa 20 Hz e 18000 Hz. Onde sonore di frequenza superiore a 18000 Hz sono dette ultrasuoni: hanno caratteristiche analoghe a quelle del suono ma, a causa della breve lunghezza d’onda, sono molto direttive. Il SONAR permette, sfruttando le riflessioni degli ultrasuoni di misurare distanze e identificare oggetti sotto la superfici del mare Giuseppe Ruffo, Fisica: lezioni e problemi © Zanichelli editore 2010 20 Lezione 3 - La riflessione del suono L’ecografia è una tecnica diagnostica che sfrutta la riflessione degli ultrasuoni per esaminare l’interno del corpo umano. Vengono utilizzati ultrasuoni di frequenza elevata, compresa tra 2 MHz e 15 MHz, a seconda della profondità di indagine richiesta L’applicazione forse più nota dell’ecografia è nel campo della diagnostica prenatale, in cui permette di indagare lo stato di salute e la morfologia del feto. In generale, poiché è efficace sui tessuti molli, l’ecografia è una metodologia di indagine complementare alla radiografia. Giuseppe Ruffo, Fisica: lezioni e problemi © Zanichelli editore 2010 21 L’effetto Doppler Un osservatore che ascolta il suono emesso da una sorgente, riceve una frequenza che non sempre coincide con quella emessa, ma dipende dal moto relativo tra sorgente e osservatore 22 Lezione 4 - L’effetto Doppler Situazione statica: la sorgente e l’osservatore sono entrambi fermi rispetto al mezzo di propagazione (l’aria) La sorgente emette un suono di frequenza f L’osservatore percepisce un suono di frequenza f invariata Giuseppe Ruffo, Fisica: lezioni e problemi © Zanichelli editore 2010 23 Lezione 4 - L’effetto Doppler La sorgente emette suono di frequenza f ed è in movimento rispetto al mezzo di propagazione, mentre l’osservatore è fermo L’osservatore percepisce un’alterazione della frequenza f Giuseppe Ruffo, Fisica: lezioni e problemi © Zanichelli editore 2010 24 Lezione 4 - L’effetto Doppler Sorgente in movimento con velocità vs e osservatore fermo In caso di sorgente in avvicinamento, l’osservatore riceve delle onde con lunghezza d’onda inferiore, e quindi percepisce una frequenza fo maggiore della frequenza della sorgente fs. Con la sorgente in allontanamento, le onde sono più spaziate, la lunghezza d’onda cresce e la frequenza percepita fo diminuisce. Giuseppe Ruffo, Fisica: lezioni e problemi © Zanichelli editore 2010 25 Lezione 4 - L’effetto Doppler Sorgente ferma e osservatore in movimento con velocità v0 Si osserva un aumento della frequenza percepita fo quando sorgente e osservatore si avvicinano, e una diminuzione di fo quando sorgente e osservatore si allontanano. Quantitativamente non coincide con il caso precedente, perché sorgente e osservatore hanno cambiato stato di moto rispetto al mezzo. Giuseppe Ruffo, Fisica: lezioni e problemi © Zanichelli editore 2010 26 Lezione 4 - L’effetto Doppler Nel caso della sorgente in movimento rispetto all’aria, quanto maggiore è la velocità della sorgente, tanto più le creste delle onde sonore che si propagano risultano schiacciate nella direzione del moto. Quando un aereo viaggia a velocità prossima a quella del suono (340 m/s = 1224 km/h), le creste sono molto fitte e si sovrappongono: l’energia sonora si concentra in una piccola zona e si forma un’onda di grande ampiezza chiamata onda d’urto. Mentre l’onda d’urto scorre sulla superficie terrestre, un osservatore che si trova nelle vicinanze ode un forte rumore simile a un’esplosione, detto bang supersonico. Giuseppe Ruffo, Fisica: lezioni e problemi © Zanichelli editore 2010 27 Unità F13 - Il suono Onde Frequenza, lunghezza d’onda, Velocità Effetto Doppler Onde meccaniche Caratteristiche delle onde Suono Intensità, Potenza Riflessione del suono Ultrasuoni Giuseppe Ruffo, Fisica: lezioni e problemi © Zanichelli editore 2010 28
