Suono. Quando si suona un tamburo, la pelle del tamburo vibra e le vibrazioni vengono trasmesse attraverso l'aria sotto forma di onde. Quando colpiscono l'orecchio, queste onde producono la sensazione del suono. C'è anche un suono che non si sente, tuttavia:infrasuoni, al di sotto della gamma dell'udito umano, e ultrasuoni, al di sopra della portata dell'udito umano.
Termini utilizzati nello studio del suono L'acustica è la scienza del suono e dei suoi effetti sulle persone. La condensazione è una regione in un'onda sonora in cui il mezzo sonoro è più denso del normale. Decibel (dB) è l'unità utilizzata per misurare l'intensità di Un suono. un 3, Il tono 000 hertz di 0 dB è il suono più debole che un normale orecchio umano può sentire. La frequenza di un suono è il numero di onde sonore che passano in un determinato punto ogni secondo. Hertz è l'unità utilizzata per misurare la frequenza delle onde sonore. Un hertz equivale a un ciclo (vibrazione, o onda sonora) al secondo.L'intensità di un suono è una misura della potenza delle sue onde.Il volume si riferisce a quanto forte sembra un suono quando lo sentiamo.Il rumore è un suono sgradevole, fastidioso, e distrae.L'altezza è il grado di altezza o di gravità di un suono come lo sentiamo.La rarefazione è una regione in un'onda sonora in cui la densità del mezzo sonoro è inferiore al normale.La frequenza di risonanza è la frequenza alla quale un oggetto vibrano naturalmente se disturbati. Il mezzo sonoro è una sostanza in cui viaggiano le onde sonore. Aria, Per esempio, è un mezzo sonoro. Qualità del suono, detto anche timbro, è una caratteristica dei suoni musicali. La qualità del suono distingue tra note della stessa frequenza e intensità prodotte da diversi strumenti musicali. Gli ultrasuoni sono suoni con frequenze al di sopra della gamma dell'udito umano, ovvero sopra i 20, 000 hertz.La lunghezza d'onda è la distanza tra qualsiasi punto su un'onda e il punto corrispondente sull'onda successiva.tecnicamente, il suono è definito come un disturbo meccanico che viaggia attraverso un mezzo elastico, un materiale che tende a tornare alla sua condizione originale dopo essere stato deformato. Il mezzo non deve essere l'aria; metallo, Di legno, calcolo, bicchiere, acqua, e molte altre sostanze conducono il suono, molti di loro meglio dell'aria.
Ci sono moltissime fonti di suono. I generi familiari includono la vibrazione delle corde vocali di una persona, corde vibranti (pianoforte, violino), una vibrante colonna d'aria (tromba, flauto), e solidi vibranti (una porta quando qualcuno bussa). Impossibile elencarli tutti, perché tutto ciò che dia disturbo ad un mezzo elastico (come, Per esempio, un petardo che esplode nell'aria circostante) è una fonte di suono.
Il suono può essere descritto in termini di altezza, dal basso rombo di un tuono lontano al ronzio acuto di una zanzara, e volume. Tono e volume, però, sono qualità soggettive; dipendono in parte dal senso dell'udito dell'ascoltatore. Obbiettivo, qualità misurabili del suono includono frequenza e intensità, che sono legati al tono e al volume. Questi termini, così come altri usati nella discussione del suono, sono meglio compresi attraverso un esame delle onde sonore e del loro comportamento.
Velocità del suono in vari mezziMedia Velocità in piedi al secondo Velocità in metri al secondo Aria a 59 gradi F. (15 gradi C) 1, 116340Alluminio 16, 0005, 000Brick 11, 9803, 650 Acqua distillata a 77 gradi F. (25 gradi C) 4, 9081, 496Vetro 14, 9004, 540Acqua di mare a 77 gradi F. (25 gradi C) 5, 0231, 531 Acciaio 17, 1005, 200 Legno (acero) 13, 4804, 110Contenuti
Aria, come tutta la materia, è costituito da molecole. Anche una piccola regione d'aria contiene un gran numero di molecole d'aria. Le molecole sono in continuo movimento, viaggiando a caso e a grande velocità. Si scontrano costantemente e rimbalzano l'uno dall'altro e colpiscono e rimbalzano da oggetti che sono in contatto con l'aria.
Un oggetto vibrante produrrà onde sonore nell'aria. Per esempio, quando la testa di un tamburo viene colpita con un martello, la pelle del tamburo vibra e produce onde sonore. La pelle del tamburo vibrante produce onde sonore perché si muove alternativamente verso l'esterno e verso l'interno, spingendo contro, poi allontanandosi da, l'aria accanto. Le molecole d'aria che colpiscono la pelle del tamburo mentre si muove verso l'esterno rimbalzano da essa con energia e velocità superiori al normale, avendo ricevuto una spinta dalla pelle del tamburo. Queste molecole che si muovono più velocemente si muovono nell'aria circostante. Per un momento, perciò, la regione vicino alla pelle del tamburo ha una concentrazione di molecole d'aria maggiore del normale:diventa una regione di compressione. Quando le molecole che si muovono più velocemente superano le molecole d'aria nell'aria circostante, si scontrano con loro e trasmettono la loro energia extra. La regione di compressione si sposta verso l'esterno mentre l'energia dalla membrana vibrante viene trasferita a gruppi di molecole sempre più lontani.
Le molecole d'aria che colpiscono la pelle del tamburo mentre si muove verso l'interno rimbalzano da essa con energia e velocità inferiori al normale. Per un momento, perciò, la regione vicino alla pelle del tamburo ha meno molecole d'aria del normale:diventa una regione di rarefazione. Le molecole che si scontrano con queste molecole che si muovono più lentamente rimbalzano anche con una velocità inferiore al normale, e la regione di rarefazione viaggia verso l'esterno.
La natura ondulatoria del suono diventa evidente quando viene disegnato un grafico per mostrare i cambiamenti nella concentrazione delle molecole d'aria ad un certo punto mentre gli impulsi alternati di compressione e rarefazione passano quel punto. Il grafico per un singolo tono puro, come quello prodotto da un diapason. La curva mostra le variazioni di concentrazione. Inizia, arbitrariamente, in un momento in cui la concentrazione è normale e sta arrivando un impulso di compressione. La distanza di ogni punto sulla curva dall'asse orizzontale indica quanto la concentrazione varia dal normale.
Ogni compressione e la successiva rarefazione costituiscono un ciclo. (Un ciclo può anche essere misurato da qualsiasi punto della curva al successivo punto corrispondente.) La frequenza di un suono è misurata in cicli al secondo, o hertz (abbreviato in Hz). L'ampiezza è la massima quantità di cui la concentrazione delle molecole d'aria varia dal normale.
La lunghezza d'onda di un suono è la distanza percorsa dal disturbo durante un ciclo. È correlato alla velocità e alla frequenza del suono dalla formula velocità/frequenza =lunghezza d'onda. Ciò significa che i suoni ad alta frequenza hanno lunghezze d'onda corte e i suoni a bassa frequenza lunghezze d'onda lunghe. L'orecchio umano può rilevare suoni con frequenze a partire da 15 Hz e fino a 20, 000Hz. In aria calma a temperatura ambiente, i suoni con queste frequenze hanno lunghezze d'onda rispettivamente di 75 piedi (23 m) e 0,68 pollici (1,7 cm).
L'intensità si riferisce alla quantità di energia trasmessa dal disturbo. È proporzionale al quadrato dell'ampiezza. L'intensità è misurata in watt per centimetro quadrato o in decibel (db). La scala dei decibel è definita come segue:un'intensità di 10-16 watt per centimetro quadrato equivale a 0 db. (Scritto in forma decimale, 10-16 appare come 0,00000000000000001.) Ogni aumento di dieci volte in watt per centimetro quadrato significa un aumento di 10 db. Quindi un'intensità di 10-15 watt per centimetro quadrato può essere espressa anche come 10 db e un'intensità di 10-4 (o 0,0001) watt per centimetro quadrato come 120 db.
L'intensità del suono diminuisce rapidamente con l'aumentare della distanza dalla sorgente. Per una piccola sorgente sonora che irradia energia uniformemente in tutte le direzioni, l'intensità varia inversamente al quadrato della distanza dalla sorgente. Questo è, a una distanza di due piedi dalla sorgente l'intensità è un quarto di quella che è a una distanza di un piede; a tre piedi è solo un nono grande quanto a un piede, eccetera.
Il passo dipende dalla frequenza; generalmente, un aumento della frequenza provoca una sensazione di tono crescente. La capacità di distinguere tra due suoni che sono vicini in frequenza, però, diminuisce nelle parti superiore e inferiore della gamma di frequenze udibili. C'è anche una variazione da persona a persona nella capacità di distinguere tra due suoni che hanno quasi la stessa frequenza. Alcuni musicisti esperti possono rilevare differenze di frequenza fino a 1 o 2 Hz.
A causa del modo in cui funziona il meccanismo uditivo, anche la percezione dell'altezza è influenzata dall'intensità. Così, quando un diapason che vibra a 440 Hz (la frequenza del La sopra il Do centrale del pianoforte) viene avvicinato all'orecchio, un tono leggermente più basso, come se la forchetta vibrasse più lentamente, è ascoltato.
Quando la sorgente di un suono si muove a velocità relativamente elevata, un ascoltatore fermo sente un suono più acuto quando la sorgente si muove verso di lui o lei, e un suono più basso quando la sorgente si allontana. Questo fenomeno, noto come effetto Doppler, è dovuto alla natura ondulatoria del suono.
Generalmente, un aumento di intensità provocherà una sensazione di aumento del volume. Ma il volume non aumenta in proporzione diretta all'intensità. Un suono di 50 dB ha dieci volte l'intensità di un suono di 40 dB, ma è solo due volte più rumoroso. Il volume raddoppia con ogni aumento di 10 dB di intensità.
Il volume è anche influenzato dalla frequenza, perché l'orecchio umano è più sensibile ad alcune frequenze che ad altre. La soglia dell'udito, l'intensità sonora più bassa che produrrà la sensazione dell'udito per la maggior parte delle persone, è di circa 0 dB nel 2, 000 a 5, Gamma di frequenza di 000 Hz. Per le frequenze al di sotto e al di sopra di questo intervallo, i suoni devono avere una maggiore intensità per essere ascoltati. Così, Per esempio, un suono di 100 Hz è appena udibile a 30 dB; un suono di 10, 000 Hz è appena udibile a 20 dB. A 120-140 dB la maggior parte delle persone avverte disagio fisico o dolore reale, e questo livello di intensità è indicato come soglia del dolore.
La velocità del suono dipende dall'elasticità e dalla densità del mezzo attraverso il quale viaggia. Generalmente, il suono viaggia più velocemente nei liquidi che nei gas e più velocemente nei solidi che nei liquidi. Maggiore è l'elasticità e minore è la densità, il suono più veloce viaggia in un mezzo. La relazione matematica è velocità =(elasticità/densità).
L'effetto dell'elasticità e della densità sulla velocità del suono può essere visto confrontando la velocità del suono nell'aria, idrogeno, e ferro. Aria e idrogeno hanno quasi le stesse proprietà elastiche, ma la densità dell'idrogeno è minore di quella dell'aria. Il suono viaggia quindi più velocemente (circa 4 volte più veloce) nell'idrogeno che nell'aria. Sebbene la densità dell'aria sia molto inferiore a quella del ferro, l'elasticità del ferro è molto maggiore di quella dell'aria. Il suono viaggia quindi più velocemente (circa 14 volte più veloce) nel ferro che nell'aria.
La velocità del suono in un materiale, particolarmente in un gas o liquido, varia con la temperatura perché un cambiamento di temperatura influisce sulla densità del materiale. In aria, Per esempio, la velocità del suono aumenta con l'aumento della temperatura. A 32 °F. (0°C.), la velocità del suono nell'aria è 1, 087 piedi al secondo (331 m/s); a 68 ° F. (20 °C.), è 1, 127 piedi al secondo (343 m/s).
I termini subsonico e supersonico si riferiscono alla velocità di un oggetto, come un aeroplano, in relazione alla velocità del suono nell'aria circostante. Una velocità subsonica è inferiore alla velocità del suono; una velocità supersonica, al di sopra della velocità del suono. Un oggetto che viaggia a velocità supersonica produce onde d'urto piuttosto che normali onde sonore. Un'onda d'urto è un'onda di compressione che, quando prodotto in aria, di solito può essere sentito come un boom sonico.
Le velocità degli oggetti supersonici sono spesso espresse in termini di numero di Mach, il rapporto tra la velocità dell'oggetto e la velocità del suono nell'aria circostante. Quindi un oggetto che viaggia a Mach 1 viaggia alla velocità del suono; a Mach 2 viaggia al doppio della velocità del suono.
Come onde luminose e altre onde, le onde sonore si riflettono, rifratto, e diffratto, ed esibire interferenze.
Il suono viene costantemente riflesso da molte superfici diverse. Il più delle volte il suono riflesso non viene notato, perché due suoni identici che raggiungono l'orecchio umano a meno di 1/15 di secondo l'uno dall'altro non possono essere distinti come suoni separati. Quando il suono riflesso viene ascoltato separatamente, si chiama eco.
Il suono viene riflesso da una superficie con lo stesso angolo con cui colpisce la superficie. Questo fatto rende possibile focalizzare il suono per mezzo di superfici riflettenti curve nello stesso modo in cui gli specchi curvi possono essere usati per focalizzare la luce. Tiene conto anche degli effetti delle cosiddette gallerie sussurrate, stanze in cui una parola sussurrata in un punto può essere ascoltata distintamente in un altro punto abbastanza lontano, anche se non può essere ascoltato da nessun'altra parte nella stanza. (La Statuary Hall del Campidoglio degli Stati Uniti ne è un esempio.) La riflessione viene utilizzata anche per focalizzare il suono in un megafono e quando si chiama attraverso le mani a coppa.
Il riflesso del suono può rappresentare un serio problema nelle sale da concerto e negli auditorium. In una sala mal progettata, la prima parola di un parlante può risuonare (echeggiare ripetutamente) per diversi secondi, in modo che gli ascoltatori possano sentire tutte le parole di una frase echeggiare contemporaneamente. La musica può essere distorta allo stesso modo. Tali problemi possono essere generalmente corretti coprendo le superfici riflettenti con materiali fonoassorbenti come tendaggi o piastrelle acustiche. Anche l'abbigliamento assorbe il suono; per questo motivo il riverbero è maggiore in una sala vuota che in una piena di gente. Tutti questi materiali fonoassorbenti sono porosi; le onde sonore che entrano nei minuscoli spazi pieni d'aria rimbalzano al loro interno finché la loro energia non viene esaurita. Loro sono, in effetti, intrappolato.
Il riflesso del suono è usato da alcuni animali, in particolare pipistrelli e balene dentate, per l'ecolocalizzazione:localizzazione, e in alcuni casi identificando, oggetti attraverso il senso dell'udito piuttosto che il senso della vista. I pipistrelli e gli odontoceti emettono raffiche di suoni di frequenze ben oltre i limiti superiori dell'udito umano, fino a 200, 000 Hz nel caso delle balene. I suoni con lunghezze d'onda corte vengono riflessi anche da oggetti molto piccoli. Un pipistrello può individuare e catturare infallibilmente anche una zanzara nell'oscurità più totale. Il sonar è una forma artificiale di ecolocalizzazione.
Quando un'onda passa da un materiale all'altro in un angolo, di solito cambia velocità, facendo piegare il fronte d'onda. La rifrazione del suono può essere dimostrata in un laboratorio di fisica utilizzando un palloncino a forma di lente riempito di anidride carbonica per mettere a fuoco le onde sonore.
Quando le onde sonore passano intorno a un ostacolo o attraverso un'apertura in un ostacolo, il bordo dell'ostacolo o dell'apertura funge da sorgente sonora secondaria, inviando onde della stessa frequenza e lunghezza d'onda (ma di minore intensità) della sorgente originale. La diffusione delle onde sonore dalla sorgente secondaria è chiamata diffrazione. A causa di questo fenomeno, il suono può essere sentito dietro gli angoli nonostante il fatto che le onde sonore generalmente viaggino in linea retta.
Ogni volta che le onde interagiscono, si verifica un'interferenza. Per le onde sonore il fenomeno è forse meglio compreso pensando in termini di compressioni e rarefazioni delle due onde quando arrivano ad un certo punto. Quando le onde sono in fase in modo che le loro compressioni e rarefazioni coincidano, si rafforzano a vicenda (interferenza costruttiva). Quando sono fuori fase, in modo che le compressioni dell'una coincidano con le rarefazioni dell'altra, tendono a indebolirsi o addirittura annullarsi a vicenda (interferenza distruttiva). L'interazione tra le due onde produce un'onda risultante.
Negli auditorium, l'interferenza distruttiva tra il suono del palco e il suono riflesso da altre parti della sala può creare punti morti in cui sia il volume che la chiarezza del suono sono scarsi. Tale interferenza può essere ridotta mediante l'uso di materiali fonoassorbenti su superfici riflettenti. D'altra parte, l'interferenza può migliorare le qualità acustiche di un auditorium. Questo viene fatto disponendo le superfici riflettenti in modo tale che il livello del suono sia effettivamente aumentato nell'area in cui si siede il pubblico.
L'interferenza tra due onde di frequenze quasi ma non del tutto uguali produce un tono di intensità alternativamente crescente e decrescente, perché le due onde cadono continuamente dentro e fuori fase. Le pulsazioni udite sono chiamate battiti. Gli accordatori di pianoforti fanno uso di questo effetto, regolare il tono di una corda rispetto a quello di un diapason standard fino a quando non si sentono più i battiti.
I suoni di un'unica frequenza pura sono prodotti solo da diapason e dispositivi elettronici chiamati oscillatori; la maggior parte dei suoni sono una miscela di toni di diverse frequenze e ampiezze. I toni prodotti dagli strumenti musicali hanno in comune una caratteristica importante:sono periodici, questo è, le vibrazioni si verificano in schemi ripetuti. La traccia dell'oscilloscopio del suono di una tromba mostra un tale schema. Per la maggior parte dei suoni non musicali, come quelli di un palloncino che scoppia o di una persona che tossisce, una traccia dell'oscilloscopio mostrerebbe un frastagliato, modello irregolare, indicando un miscuglio di frequenze e ampiezze.
Una colonna d'aria, come quello in una tromba, e una corda di pianoforte hanno entrambe una frequenza fondamentale, la frequenza alla quale vibrano più prontamente quando vengono messe in movimento. Per una colonna d'aria vibrante, tale frequenza è determinata principalmente dalla lunghezza della colonna. (Le valvole della tromba sono usate per cambiare la lunghezza effettiva della colonna.) Per una corda vibrante, la frequenza fondamentale dipende dalla lunghezza della corda, la sua tensione, e la sua massa per unità di lunghezza.
Oltre alla sua frequenza fondamentale, una corda o una colonna d'aria vibrante produce anche armonici con frequenze che sono multipli interi della frequenza fondamentale. È il numero di armonici prodotti e la loro forza relativa che conferisce a un tono musicale da una data fonte la sua qualità distintiva, o timbro. L'aggiunta di ulteriori sfumature produrrebbe uno schema complicato, come quella della traccia dell'oscilloscopio del suono della tromba.
Come la frequenza fondamentale di una corda vibrante dipende dalla lunghezza della corda, tensione, e la massa per unità di lunghezza è descritta da tre leggi:
1. La frequenza fondamentale di una corda vibrante è inversamente proporzionale alla sua lunghezza.
Riducendo la lunghezza di una corda vibrante della metà si raddoppierà la sua frequenza, alzando il tono di un'ottava, se la tensione rimane la stessa.
2. La frequenza fondamentale di una corda vibrante è direttamente proporzionale alla radice quadrata della tensione.
Aumentando la tensione di una corda vibrante si aumenta la frequenza; se la tensione è quadruplicata, la frequenza è raddoppiata, e l'altezza è aumentata di un'ottava.
3. La frequenza fondamentale di una corda vibrante è inversamente proporzionale alla radice quadrata della massa per unità di lunghezza.
Ciò significa che di due corde dello stesso materiale e con la stessa lunghezza e tensione, la corda più spessa ha la frequenza fondamentale più bassa. Se la massa per unità di lunghezza di una corda è quattro volte quella dell'altra, la corda più grossa ha una frequenza fondamentale metà di quella della corda più sottile e produce un tono un'ottava più basso.
Una delle prime scoperte sul suono risale al VI secolo a.C. dal matematico e filosofo greco Pitagora. Ha notato la relazione tra la lunghezza di una corda vibrante e il tono che produce, quella che oggi è conosciuta come la prima legge delle corde. Pitagora potrebbe anche aver capito che la sensazione del suono è causata dalle vibrazioni. Non molto tempo dopo il suo tempo si riconobbe che questa sensazione dipende dalle vibrazioni che viaggiano nell'aria e colpiscono il timpano.
Intorno al 1640 il matematico francese Marin Mersenne condusse i primi esperimenti per determinare la velocità del suono nell'aria. A Mersenne viene anche attribuita la scoperta della seconda e della terza legge delle stringhe. Nel 1660 lo scienziato britannico Robert Boyle dimostrò che la trasmissione del suono richiedeva un mezzo, dimostrando che non si sentiva il suono di una campana in un vaso da cui era stata pompata l'aria.
Ernst Chladni, un fisico tedesco, ha effettuato approfondite analisi delle vibrazioni che producono il suono durante la fine del 1700 e l'inizio del 1800. Nel 1801 il matematico francese Fourier scoprì che onde così complesse come quelle prodotte da una corda vibrante con tutte le sue sfumature sono costituite da una serie di semplici onde periodiche.
Molto lavoro sulle onde in generale è stato fatto durante il XIX secolo. Tommaso Giovani, un fisico inglese, ha fatto ricerche soprattutto sulla diffrazione e l'interferenza. Christian Johann Doppler dell'Austria ha formulato la relazione matematica tra le frequenze effettive e percepite delle onde quando la sorgente delle onde si muove rispetto all'osservatore.
Un importante contributo alla comprensione dell'acustica è stato dato da Wallace Clement Sabine, un fisico all'Università di Harvard, alla fine del 1890. A Sabine è stato chiesto di migliorare l'acustica dell'aula magna del Fogg Art Museum di Harvard. Fu il primo a misurare il tempo di riverbero, che scoprì essere di 5 secondi e mezzo nell'aula magna. Sperimentando prima con i cuscini di seduta di un teatro vicino, e successivamente con altri materiali fonoassorbenti e altri metodi, Sabine ha posto le basi per l'acustica architettonica. Ha progettato la Boston Symphony Hall (aperta nel 1900), il primo edificio con un'acustica scientificamente formulata.
Nella seconda metà del XX secolo, il crescente livello di rumore nel mondo moderno, in particolare nelle aree urbane, ha stimolato una nuova serie di indagini, occupandosi in gran parte degli effetti fisiologici e psicologici del rumore sugli esseri umani.
