Suono. Quando viene colpito un tamburo, la pelle vibra e le vibrazioni vengono trasmesse nell'aria sotto forma di onde sonore . Quando colpiscono l'orecchio, queste onde producono la sensazione del suono.
Termini utilizzati nello studio del suonoL'acustica è la scienza del suono e dei suoi effetti sulle persone. La condensazione è una regione dell'onda sonora in cui il mezzo sonoro è più denso del normale. Il decibel (dB) è l'unità utilizzata per misurare l'intensità del suono. Un suono. Un tono di 3.000 hertz pari a 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. L'intensità si riferisce a quanto forte sembra un suono quando lo sentiamo. Il rumore è un suono sgradevole, fastidioso e distraente. L'altezza è il grado di altezza o di bassezza di un suono così 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 l'oggetto vibrerebbe naturalmente se disturbato. Il mezzo sonoro è una sostanza in cui viaggiano le onde sonore. L'aria, ad esempio, è un mezzo sonoro. La qualità del suono, chiamata 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 superiori alla gamma dell'udito umano, ovvero superiori a 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 ritornare alla sua condizione originale dopo essere stato deformato. Il mezzo non deve essere aria. Metallo, legno, pietra, vetro, acqua e molte altre sostanze conducono il suono, molte delle quali addirittura meglio dell'aria.
Contenuto
Ci sono molte fonti di suono. I tipi familiari includono la vibrazione delle corde vocali di una persona, le corde vibranti (pianoforte, violino), una colonna d'aria vibrante (tromba, flauto) e i solidi vibranti (una porta quando qualcuno bussa). È impossibile elencarli tutti perché tutto ciò che imprime un disturbo ad un mezzo elastico è una sorgente sonora.
Il suono può essere descritto in termini di altezza – dal rombo basso di un tuono lontano al ronzio acuto di una zanzara – e di volume. L'altezza e il volume, tuttavia, sono qualità soggettive; dipendono in parte dal senso dell'udito dell'ascoltatore. Le qualità oggettive e misurabili del suono includono la frequenza e l'intensità, che sono correlate all'altezza e al volume. Questi termini, così come altri utilizzati quando si parla di suono, possono essere compresi meglio esaminando le onde sonore e il loro comportamento.
Velocità del suono in vari mezzi
L'aria, come tutta la materia, è costituita da molecole. Anche una piccola regione d'aria contiene un gran numero di molecole d'aria. Le molecole sono in costante movimento, viaggiano in modo casuale e a grande velocità. Si scontrano e rimbalzano costantemente tra loro e colpiscono e rimbalzano contro oggetti a contatto con l'aria.
Quando un oggetto vibra produce onde sonore nell'aria. Ad esempio, quando la pelle di un tamburo viene colpita con una mazza, la pelle vibra e produce onde sonore. La pelle vibrante del tamburo produce onde sonore perché si muove alternativamente verso l'esterno e verso l'interno, spingendo contro l'aria circostante e poi allontanandosi da essa. Le particelle d'aria che colpiscono la pelle del tamburo mentre si muove verso l'esterno rimbalzano da essa con un'energia e una velocità superiori al normale, dopo aver ricevuto una spinta dalla pelle del tamburo.
Queste molecole che si muovono più velocemente si spostano nell'aria circostante. Per un momento, la regione accanto 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 esse e trasmettono la loro energia extra. La regione di compressione si sposta verso l'esterno man mano che l'energia proveniente dalla pelle vibrante del tamburo 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 meno della loro normale energia e velocità. Per un momento, la regione accanto alla pelle del tamburo ha meno molecole d’aria del normale:diventa una regione di rarefazione. Anche le molecole che entrano in collisione con queste molecole che si muovono più lentamente rimbalzano con una velocità inferiore al normale e la regione di rarefazione si sposta verso l'esterno.
Caratteristiche delle onde sonoreLa natura del suono viene catturata attraverso le sue caratteristiche fondamentali:lunghezza d'onda (la distanza tra i picchi dell'onda), ampiezza (l'altezza dell'onda, corrispondente al volume), frequenza (il numero di onde che passano per un punto al secondo, in relazione all'altezza), periodo di tempo (il tempo necessario affinché si verifichi un ciclo completo dell'onda) e velocità (la velocità con cui l'onda viaggia attraverso un mezzo). Queste proprietà si intrecciano per creare la firma unica di ogni suono che sentiamo.
La natura ondulatoria del suono diventa evidente quando viene tracciato un grafico per mostrare i cambiamenti nella concentrazione delle molecole d'aria in un determinato punto mentre gli impulsi alternati di compressione e rarefazione superano quel punto. Il grafico per un singolo tono puro, come quello prodotto da un diapason vibrante, mostrerebbe un'onda sinusoidale (illustrata qui). La curva mostra le variazioni di concentrazione. Inizia, arbitrariamente, in un momento in cui la concentrazione è normale e sta appena arrivando un impulso di compressione. La distanza di ciascun punto della 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 punto corrispondente successivo.) La frequenza di un suono viene misurata in cicli al secondo o hertz (Hz abbreviato). L'ampiezza è l'entità della variazione massima della concentrazione delle molecole d'aria rispetto al valore normale.
La lunghezza d'onda di un suono è la distanza percorsa dal disturbo durante un ciclo. È legato alla velocità e alla frequenza del suono tramite la formula velocità/frequenza =lunghezza d'onda. Ciò significa che i suoni ad alta frequenza hanno lunghezze d'onda corte mentre i suoni a bassa frequenza hanno lunghezze d'onda lunghe. L'orecchio umano è in grado di rilevare suoni con frequenze comprese tra 20 Hz e 20.000 Hz. Nell'aria ferma a temperatura ambiente, i suoni con queste frequenze hanno lunghezze d'onda rispettivamente di 23 m (75 piedi) e 1,7 cm (0,68 pollici).
L'intensità si riferisce alla quantità di energia trasmessa dal disturbo. È proporzionale al quadrato dell'ampiezza. L'intensità viene 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 0,0000000000000001.) Ogni aumento di dieci volte in watt per centimetro quadrato significa un aumento di 10 db. Pertanto, un'intensità di 10-15 watt per centimetro quadrato può anche essere espressa 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. Cioè, a una distanza di due piedi dalla sorgente l'intensità è un quarto di quanto lo è a una distanza di un piede; a tre piedi è solo un nono di quella a un piede, ecc.
Il tono dipende dalla frequenza; in generale, un aumento della frequenza provoca una sensazione di tono crescente. La capacità di distinguere tra due suoni di frequenza vicina, tuttavia, diminuisce nelle parti superiore e inferiore della gamma di frequenze udibili. Esiste 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 funzionamento del meccanismo uditivo, anche la percezione dell’altezza è influenzata dall’intensità. Pertanto, quando un diapason che vibra a 440 Hz (la frequenza del LA sopra il DO centrale del pianoforte) viene avvicinato all'orecchio, si sente un tono leggermente più basso, come se il diapason vibrasse più lentamente.
Quando la sorgente di un suono si muove a una velocità relativamente elevata, un ascoltatore stazionario sente un suono di tonalità più alta quando la sorgente si muove verso di lui e un suono di tonalità più bassa quando la sorgente si allontana. Questo fenomeno, noto come effetto Doppler, è dovuto alla natura ondulatoria del suono.
In generale, un aumento di intensità provocherà una sensazione di aumento del volume. Ma il volume non aumenta in modo direttamente proporzionale all’intensità. Un suono di 50 dB ha un'intensità dieci volte superiore a un suono di 40 dB, ma è solo due volte più forte. Il volume raddoppia con ogni aumento di 10 dB di intensità.
Il volume è influenzato anche dalla frequenza perché l'orecchio umano è più sensibile ad alcune frequenze che ad altre. La soglia dell’udito – l’intensità del suono più bassa che produrrà la sensazione dell’udito per la maggior parte delle persone – è di circa 0 dB nella gamma di frequenza compresa tra 2.000 e 5.000 Hz. Per le frequenze al di sotto e al di sopra di questa gamma, i suoni devono avere maggiore intensità per essere uditi. Così, ad 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 valori compresi tra 120 e 140 dB, la maggior parte delle persone avverte disagio fisico o dolore reale e questo livello di intensità viene definito soglia del dolore.
Onde trasversali e onde longitudinaliQuando visualizziamo le onde, spesso pensiamo a onde trasversali – come le onde che si infrangono su una spiaggia – dove il movimento dell’onda è perpendicolare alla direzione del trasferimento di energia. Tuttavia, le onde sonore sono di un tipo completamente diverso:un’onda longitudinale. Nelle onde sonore longitudinali, come le onde sonore prodotte dalla vibrazione della pelle di un tamburo o dalle nostre corde vocali, le particelle del mezzo si muovono parallelamente alla direzione di viaggio dell'onda. Questo movimento crea aree di compressione e rarefazione nel mezzo – sia esso aria, acqua o un solido – che le nostre orecchie interpretano come suono. Comprendere la differenza tra onde longitudinali e trasversali è fondamentale per comprendere il suono.
La velocità del suono dipende dall'elasticità e dalla densità del mezzo attraverso il quale viaggia. In generale, il suono viaggia più velocemente nei liquidi che nei gas e più velocemente nei solidi che nei liquidi. Maggiore è l'elasticità e minore la densità, più velocemente il suono si muove 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, nell'idrogeno e nel ferro. L'aria e l'idrogeno hanno quasi le stesse proprietà elastiche, ma la densità dell'idrogeno è inferiore a quella dell'aria. Il suono viaggia più velocemente (circa 4 volte più velocemente) 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 più velocemente (circa 14 volte più velocemente) nel ferro che nell'aria.
La velocità del suono in un materiale, in particolare in un gas o in un liquido, varia con la temperatura perché un cambiamento di temperatura influisce sulla densità del materiale. Nell'aria, ad esempio, la velocità del suono aumenta con l'aumento della temperatura. A 32 °F. (0 °C.), la velocità del suono nell'aria è di 331 m/s (1.087 piedi al secondo); a 68 °F. (20 °C.), è di 343 m/s (1.127 piedi al secondo).
I termini subsonico e supersonico si riferiscono alla velocità di un oggetto, come un aereo, in relazione alla velocità del suono nell'aria circostante. Una velocità subsonica è inferiore alla velocità del suono; una velocità supersonica è superiore alla velocità del suono. Un oggetto che viaggia a velocità supersonica produce onde d'urto anziché normali onde sonore. Un'onda d'urto è un'onda di compressione che, se prodotta nell'aria, può essere solitamente udita 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. Pertanto, un oggetto che viaggia a Mach 1 viaggia alla velocità del suono; a Mach 2 viaggia a una velocità doppia rispetto a quella del suono.
Come le onde luminose e altre onde, le onde sonore vengono riflesse, rifratte e diffratte e presentano interferenze.
Il suono viene costantemente riflesso da molte superfici diverse. Nella maggior parte dei casi il suono riflesso non viene notato, perché due suoni identici che raggiungono l'orecchio umano a meno di 1/15 di secondo di distanza 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 mediante superfici riflettenti curve nello stesso modo in cui si possono usare specchi curvi per focalizzare la luce. Ciò spiega anche gli effetti delle cosiddette gallerie sussurrate, stanze in cui una parola sussurrata in un punto può essere udita distintamente in un altro punto abbastanza lontano, sebbene non possa essere udita in nessun'altra parte della stanza. (La National 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 con le mani a coppa.
La riflessione del suono può rappresentare un serio problema nelle sale da concerto e negli auditorium. In una sala mal progettata, la prima parola di chi parla può riverberare (echeggiare ripetutamente) per diversi secondi, in modo che gli ascoltatori possano sentire echeggiare tutte le parole di una frase contemporaneamente. La musica può essere distorta in modo simile. Tali problemi possono solitamente essere 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 si esaurisce. Sono, in effetti, intrappolati.
La riflessione del suono viene utilizzata da alcuni animali, in particolare dai pipistrelli, per l'ecolocalizzazione, ovvero per localizzare e in alcuni casi identificare oggetti attraverso il senso dell'udito piuttosto che quello della vista. I pipistrelli emettono esplosioni di suoni di frequenze ben oltre i limiti superiori dell'udito umano. I suoni con lunghezze d'onda corte vengono riflessi anche da oggetti molto piccoli. Un pipistrello può localizzare e catturare infallibilmente anche una zanzara nel buio più totale. Il sonar è una forma artificiale di ecolocalizzazione.
Quando un'onda passa da un materiale all'altro ad angolo, di solito cambia velocità, provocando la flessione del 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 portare le onde sonore a fuoco.
Quando le onde sonore passano attorno a un ostacolo o attraverso un'apertura in un ostacolo, il bordo dell'ostacolo o dell'apertura agisce come una sorgente sonora secondaria, emettendo onde della stessa frequenza e lunghezza d'onda (ma di intensità inferiore) della sorgente originale. La diffusione delle onde sonore dalla sorgente secondaria è chiamata diffrazione. A causa di questo fenomeno, è possibile sentire il suono dietro gli angoli nonostante il fatto che le onde sonore generalmente viaggiano in linea retta.
Ogni volta che le onde interagiscono, si verifica un'interferenza. Per le onde sonore, il fenomeno forse è 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 rinforzano a vicenda (interferenza costruttiva). Quando sono sfasate, per cui le compressioni dell'una coincidono con le rarefazioni dell'altra, tendono ad indebolirsi o addirittura ad annullarsi a vicenda (interferenza distruttiva). L'interazione tra le due onde produce un'onda risultante.
Negli auditorium, le interferenze distruttive tra il suono proveniente dal palco e il suono riflesso da altre parti della sala possono creare punti morti in cui sia il volume che la chiarezza del suono sono scarsi. Tali interferenze possono essere ridotte utilizzando materiali fonoassorbenti su superfici riflettenti. D'altro canto, le interferenze possono migliorare le qualità acustiche di un auditorium. Ciò avviene disponendo le superfici riflettenti in modo tale che il livello del suono sia effettivamente aumentato nell'area in cui 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 si chiamano battiti. Gli accordatori di pianoforte utilizzano questo effetto, regolando il tono di una corda rispetto a quello di un diapason standard finché non è più possibile sentire i battiti.
Il suono è un'onda di pressioneLe onde sonore sono fondamentalmente onde di pressione, che viaggiano attraverso la compressione e la rarefazione delle particelle all'interno di un mezzo. Le onde sonore sono costituite da aree in cui le particelle sono raggruppate insieme, seguite da aree in cui sono disperse. Queste regioni ad alta e bassa pressione si propagano attraverso ambienti come aria, acqua o solidi, poiché l'energia dell'onda sonora si sposta da particella a particella. È la rapida variazione di pressione che il timpano rileva e che il cervello decodifica nei suoni che sentiamo.
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 un'importante caratteristica in comune:sono periodici, cioè le vibrazioni si ripetono. 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 uno schema frastagliato e irregolare, indicando un miscuglio di frequenze e ampiezze.
Una colonna d'aria, come quella di una tromba, e la corda di un pianoforte hanno entrambe una frequenza fondamentale, la frequenza alla quale vibrano più facilmente quando vengono messe in movimento. Per una colonna d'aria vibrante, tale frequenza è determinata principalmente dalla lunghezza della colonna. (Le valvole della tromba vengono utilizzate per modificare la lunghezza effettiva della colonna.) Per una corda vibrante, la frequenza fondamentale dipende dalla lunghezza della corda, dalla sua tensione e dalla sua massa per unità di lunghezza.
Oltre alla sua frequenza fondamentale, una corda o una colonna d'aria vibrante produce anche sovratoni 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 proveniente da una determinata fonte la sua qualità o timbro distintivo. L'aggiunta di ulteriori armonici produrrebbe uno schema complicato, come quello della traccia dell'oscilloscopio del suono della tromba.
Il modo in cui la frequenza fondamentale di una corda vibrante dipende dalla lunghezza, dalla tensione e dalla massa della corda per unità di lunghezza è descritto da tre leggi:
Riducendo della metà la lunghezza di una corda vibrante si raddoppierà la sua frequenza, aumentando l'intonazione di un'ottava, se la tensione rimane la stessa.
Aumentando la tensione di una corda vibrante si aumenta la frequenza; se la tensione viene aumentata di quattro volte, la frequenza raddoppia e l'altezza viene alzata di un'ottava.
Ciò significa che tra 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 spessa ha una frequenza fondamentale pari alla metà di quella della corda più sottile e produce un tono un'ottava più bassa.
Una delle prime scoperte riguardanti il suono risale al VI secolo a.C. dal matematico e filosofo greco Pitagora. Notò 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 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 corde. Nel 1660 lo scienziato britannico Robert Boyle dimostrò che la trasmissione del suono richiedeva un mezzo, dimostrando che il suono di una campana in un vaso da cui era stata pompata l'aria non poteva essere udito.
Ernst Chladni, un fisico tedesco, effettuò analisi approfondite sulle vibrazioni sonore tra la fine del 1700 e l'inizio del 1800. All'inizio del 1800, il matematico francese Fourier scoprì che onde complesse come quelle prodotte da una corda vibrante con tutte le sue sfumature sono costituite da una serie di onde periodiche semplici.
Un importante contributo alla comprensione dell’acustica fu dato da Wallace Clement Sabine, fisico dell’Università di Harvard, alla fine degli anni Novanta dell’Ottocento. A Sabine è stato chiesto di migliorare l'acustica dell'aula magna principale 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 dei sedili di un teatro vicino e poi con altri materiali fonoassorbenti e altri metodi, Sabine gettò le basi per l'acustica architettonica. Progettò la Boston Symphony Hall (inaugurata nel 1900), il primo edificio con un'acustica formulata scientificamente.
Nella seconda metà del XX secolo, l'aumento del livello di rumore nel mondo moderno, in particolare nelle aree urbane, ha dato il via a una serie completamente nuova di indagini, che si occupano in gran parte degli effetti fisiologici e psicologici del rumore sugli esseri umani.
Questo articolo è stato aggiornato insieme alla tecnologia AI, quindi verificato e modificato da un editor di HowStuffWorks.
