Il suono è tutto intorno a noi. Usiamo il nostro senso del suono per navigare nel nostro ambiente, per comunicare e ascoltare musica. Ma cos'è il suono? Come viene prodotto e come trasmette da una posizione all'altra?
What Are Sound Waves?

Il suono è un tipo di onda meccanica o un'oscillazione della materia. Un'onda è un disturbo che viaggia da una posizione all'altra in un mezzo. La chiave qui è che i punti nel mezzo oscillano in posizione mentre il disturbo stesso viaggia.

Ad esempio, considera un'onda fatta da una folla in una partita a pallone. I fan nei loro posti fungono da mezzo d'onda. Individualmente, si alzano, alzano le braccia e poi si siedono - oscillano in posizione. Il disturbo, tuttavia, percorre tutto lo stadio.

Le oscillazioni in un mezzo tendono ad arrivare in una delle due varietà: le onde trasversali oscillano ad angolo retto rispetto alla direzione del viaggio (come con il pubblico al stadio, o un'onda su una corda) e le onde longitudinali oscillano parallelamente alla direzione di marcia.

Le onde sonore sono onde longitudinali. Quando un'onda sonora si propaga attraverso un mezzo, come l'aria, lo fa facendo vibrare le molecole d'aria, causando cambiamenti nella pressione dell'aria, con conseguenti compressioni (regioni di alta pressione) e rarefazioni (regioni di bassa pressione) nel l'aria mentre l'onda viaggia.

Pensa a una molla giocattolo come uno Slinky disteso su un tavolo con una persona che tiene entrambe le estremità. Se una persona coglie lo Slinky verso se stesso, invierà un'onda longitudinale lungo lo Slinky. Vedrai regioni delle bobine Slinky che sono più distanziate (compressioni) e più distanziate (rarefazioni). Ogni dato punto nello Slinky oscilla avanti e indietro mentre il disturbo si sposta da un'estremità all'altra.

Ancora una volta, questo è esattamente ciò che accade con le onde sonore nell'aria, o qualsiasi altro mezzo, per quella materia .
Come vengono create le onde sonore?

Proprio come con qualsiasi altra onda, le onde sonore vengono create da un disturbo o vibrazione iniziale. Un diapason colpito, ad esempio, vibra a una frequenza specifica. Mentre si muove, si imbatte nelle molecole d'aria attorno ad essa, comprimendole periodicamente.

Le regioni compresse trasferiscono questa energia anche alle molecole d'aria vicine e il disturbo si muove attraverso l'aria fino a raggiungere l'orecchio, a quale punto trasferisce energia al timpano, che vibrerà alla stessa frequenza - e sarà interpretato dal tuo cervello come suono.

Quando parli, fai vibrare la tua laringe (un piccolo tubo cavo nella parte superiore del tuo trachea), che a sua volta fa vibrare l'aria intorno ad essa, che quindi propaga l'energia sonora all'ascoltatore. Contraendo ed espandendo il tessuto nella laringe e manipolando gli articolatori nella bocca (labbra, lingua e altre strutture della bocca), è possibile creare suoni diversi.

Tutti gli oggetti possono essere fonti sonore che creano suono allo stesso modo - vibrando e trasferendo quelle vibrazioni su un mezzo adiacente, come l'aria.
La velocità del suono

Il suono viaggia a una velocità di v (suono nell'aria secca) \u003d 331,4 + 0,6 T _{c
dove T c
è la temperatura in gradi Celsius. In un giorno standard di 20 gradi Celsius (68 gradi Fahrenheit), il suono viaggia a circa 343,4 m /s. Sono circa 768 miglia all'ora!}

La velocità del suono è diversa nei diversi media. Ad esempio, la velocità con cui un'onda sonora viaggia nell'acqua può essere maggiore di 1.437 m /s; in legno è di 3.850 m /s; e in alluminio, oltre 6.320 m /s!

Come regola generale, il suono viaggia più velocemente nei materiali in cui le molecole sono più vicine tra loro. Viaggia il più veloce nei solidi, il secondo più veloce nei liquidi e il più lento nei gas.
Esperimento: misurazione della velocità del suono

Puoi eseguire un semplice esperimento per misurare la velocità del suono. Per fare ciò, avrai bisogno di una fonte di emissione sonora (che potrebbe essere un diapason, un applauso o la tua voce) e una superficie riflettente a una distanza nota dalla sorgente (come una parete di scogliera solida diversi metri in davanti a te, o l'estremità chiusa di un semplice tubo).

A condizione che tu abbia attrezzature (e /o riflessi abbastanza veloci) in grado di misurare il lasso di tempo tra quando viene emesso il suono e quando ritorna al posizione della sorgente tramite un'eco al di fuori della superficie riflettente, avrai informazioni sufficienti per determinare la velocità.

Prendi semplicemente il doppio della distanza dalla sorgente alla superficie riflettente (poiché il suono viaggia dalla sorgente alla superficie, e poi di nuovo indietro) e dividerlo per il tempo tra emissione sonora ed eco.

Ad esempio, supponiamo di urlare in un canyon profondo 200 me ricevere un'eco in 1,14 secondi. La velocità del suono sarebbe 2 × 200 /1.14 \u003d 351 m /s.
Superamento della velocità del suono

Potresti avere familiarità con il fenomeno di alcuni aerei che infrangono la barriera del suono. Ciò significa che l'aereo vola più veloce della velocità del suono. Al momento supera questa velocità, crea un boom sonico.

Un aereo che viaggia a Mach 1
viaggia alla velocità del suono. Mach 2 è il doppio della velocità del suono e così via. L'aereo più veloce del mondo fu l'X-15 nordamericano, che raggiunse la velocità di Mach 6.7 il 3 ottobre 1967.

Sulla terra, la velocità del suono fu rotta il 15 ottobre 1997 da Andy Green che percorreva 763.035 miglia orarie in una macchina a reazione ThrustSSC nel deserto del Black Rock nel Nevada.
Frequenza e lunghezza d'onda

La frequenza di un'onda è il numero di oscillazioni che si verificano in un determinato punto del mezzo al secondo. Viene misurato in unità di Hertz (Hz) dove 1 Hz \u003d 1 /s. La lunghezza d'onda di un'onda sonora è la distanza tra due regioni consecutive di massima compressione. In genere viene misurata in unità di metri (m).

La velocità di un'onda sonora, v,
è direttamente correlata alla frequenza f
lunghezza d'onda lambda tramite v \u003d λf
.

La velocità del suono in un determinato mezzo non dipende dalla frequenza o dalla lunghezza d'onda, ma è invece una costante di quel particolare mezzo. La frequenza di un'onda sonora corrisponderà sempre alla frequenza della sorgente sonora, quindi non dipende dal mezzo o dalla velocità dell'onda.

Quindi, in due media diversi, le frequenze saranno le stesse, mentre le velocità saranno specifiche dei mezzi e le lunghezze d'onda varieranno di conseguenza. (L'alta frequenza corrisponde a piccole lunghezze d'onda e viceversa.)

Le gamme di frequenza che sono in genere rilevabili dall'orecchio umano vanno da 64 Hz a 23 kHz, sebbene le persone tendano a perdere la capacità di ascoltare le frequenze più alte come invecchiano. Al contrario, i cani possono ascoltare fino a circa 45 kHz (motivo per cui rispondono a fischi di cane che non sono udibili dall'uomo), i gatti possono sentire fino a 64 kHz e i focene possono sentire fino a 150 kHz!
"Nello spazio, nessuno può sentirti urlare"

Non hai dubbi su questa citazione del film del 1979 Alien
, ed è vero: il suono non viaggia in un vuoto. Questo perché ha bisogno di un mezzo. Ci deve essere del materiale tra la sorgente sonora e te affinché il suono si propaghi.

Quindi tutte quelle scene di battaglia spaziale che vedi nei film con le forti esplosioni? Completamente falso! Non ci sarebbe alcun suono perché non vi è alcun mezzo per viaggiare.
Intensità del suono ed energia del suono

L'intensità del suono, I
, è la potenza del suono per unità di area. L'unità SI per l'intensità del suono è watt /m ^{2 dove I _{0
\u003d 10 -12 W /m 2 è considerata la soglia dell'udito umano. Colloquialmente, l'intensità del suono è ciò che consideriamo il "volume" di un suono.}}

Un modo comune di presentare il volume del suono percepito è usando la scala dei decibel (dB), dove l'intensità del suono è in decibel \u003d 10_log (I /I _{0) ._}

Questa scala è utile perché gli umani non percepiscono il volume in modo lineare. Cioè, un suono con un'intensità doppia rispetto al doppio può sembrare più del doppio quando è iniziato in modo silenzioso e meno del doppio se è già iniziato in qualche modo. La scala dei decibel fornisce numeri più coerenti con le nostre percezioni.

Il suono della frequenza respiratoria si attesta a circa 10 dB, mentre la conversazione in un ristorante è di circa 60 dB. Un passaggio aereo a 1.000 piedi è di circa 100 dB. Un tuono doloroso borderline è di 120 dB e i timpani si rompono a 150 dB.

L'energia in un'onda sonora è direttamente correlata all'intensità. Le unità di intensità, W /m ^{2, sono uguali a J /(sm 2) o energia in joule al secondo per metro quadrato.
Strumenti musicali}

Ricorda che il la velocità del suono dipendeva solo dal mezzo e non dalla frequenza dell'onda. Questa è una buona cosa perché altrimenti ascoltare un concerto sarebbe un'esperienza terribile, con diverse note musicali che ti raggiungono fuori servizio.

Diverse frequenze del suono corrispondono a tonalità diverse, o note musicali. Quando un cantante canta, producono frequenze diverse cambiando la dimensione e la forma della loro laringe. Gli strumenti musicali sono progettati per creare suoni di toni puri in genere creando onde stazionarie, sia in un tubo o tubo che lungo una corda.

Prendi in considerazione uno strumento a corda come una chitarra. La frequenza con cui una corda pizzicata vibra dipende dalla sua densità di massa (quanta massa per unità di lunghezza), dalla tensione nella corda (quanto è stretta) e dalla sua lunghezza. Se guardi una chitarra, vedrai che ogni corda ha uno spessore diverso. Le manopole di accordatura all'estremità della maniglia ti consentono di regolare la tensione della corda, e i tasti ti danno il posto dove mettere le dita per modificare la lunghezza della corda mentre suoni, permettendoti di creare molte note diverse.

I legni, al contrario, sono costituiti da tubi cavi in cui è possibile creare onde stazionarie in colonne d'aria (proprio come nella laringe). I diversi fori di tono su un tale strumento ti consentono di cambiare i tipi di onde stazionarie che possono formarsi, e quindi cambiare le note che possono essere suonate.

Per uno strumento come un trombone, puoi anche regolare il tubo spostando avanti e indietro la diapositiva, consentendo di suonare onde di frequenza diverse e quindi di suonare note diverse.

Gli strumenti a percussione, come i tamburi, si basano sulle vibrazioni di una membrana (come una testa di tamburo) . Proprio come pizzicare le corde di una chitarra, quando si colpisce la testa del tamburo in punti diversi, si formano onde sulla membrana, creando suono. La frequenza e la qualità del suono dipendono dalle dimensioni della membrana, dal suo spessore e tensione.