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Il suono 2014
- 1. Il suono
- 2. Cos’è il suono La percezione del suono: intensità La velocità del suono: effetto Doppler smorzamento assorbimento dispersione riflessione rifrazione diffrazione interferenza onde stazionarie battimenti Fenomeni:
- 3. Vedi Introduzione al suono: le vibrazioni Introduzione al suono: sorgenti impulsive
- 6. Non tutte le onde elastiche sono suoni. L’intervallo di udibilità dell’uomo va da 20Hz a 20000 Hz, l’intervallo di emissione da 85 Hz a 1100 Hz. Senti, se ce la fai… Oppure qui Oppure prova col generatore di segnali di SCOPE
- 7. Intervalli di emissione della voce umana e di diversi strumenti musicali
- 8. La percezione del suono E’ possibile stabilire relazioni semplici tra le grandezze fisiche che caratterizzano l'onda sonora e gli attributi del suono che percepiamo? Grandezza fisica relativa all'onda termine musicale frequenza altezza ampiezza al quadrato intensità (o volume) composizione spettrale timbro Ma queste relazioni valgono solo in misura approssimativa, e solo quando ci si riferisce a suoni puri.
- 9. La percezione dell’intensità Non basta dire non ci sento… Prova hearloss.exe
- 10. Intensità di un’onda sonora
- 11. La soglia di udibilità: Corrisponde ad una variazione di pressione rispetto alla pressione atmosferica di soli 20 μPa (pari a circa 0,2 miliardesimi della pressione atmosferica). A questi livelli di pressione lo spostamento della membrana timpanica è dell'ordine di 10-11 cm (un decimo circa del raggio dell'atomo di idrogeno)!!!
- 12. La soglia del dolore: Mille miliardi di volte più grande della soglia di udibilità.
- 13. Livello di intensità sonora Il campo di variazione dell’intensità sonora è estremamente ampio: occupa circa 12 ordini di grandezza. Ameba: circa 600 millesimi di mm diametro dell'orbita lunare : circa 600 mila km
- 14. e l'orecchio non risponde alle differenza tra due intensità, quanto al rapporto tra due intensità Per il suono
- 15. Per questo si è scelto di esprimere il livello di intensità sonora mediante una scala logaritmica Il livello di intensità sonora è un numero puro al quale si attribuisce però, per convenzione, un'unità di misura: il decibel.
- 16. Vantaggi della scala in decibel • il valore di intensità relativo alla soglia di udibilità vale : 0 dB • possibilità di rappresentare grandezze che presentano un grande campo di variazione l’intensità sonora di un concerto rock (prossimo alla soglia del dolore) è 1000 miliardi più intensa della soglia di udibilità, cioè 120 dB
- 17. Vantaggi della scala in decibel •A livello percettivo l’orecchio sembra rispondere, approssimativamente, allo stimolo rappresentato dall’intensità dell’onda seguendo una scala logaritmica. Un suono puro di ampiezza crescente con progressione aritmetica: ad ogni secondo l'ampiezza aumenta di una quantità fissa (pari all'ampiezza iniziale) Un suono puro di ampiezza crescente con progressione geometrica: ogni secondo l'ampiezza raddoppia AUDIO: clicca qui per ascoltare progressione_aritmetica_ampiezze.wav AUDIO: clicca qui per ascoltare progressione_geometrica_ampiezze.wav Raddoppiando l’intensità sonora non si percepisce un suono di intensità doppia
- 18. Perché compare il 10? Senza il 10, invece del decibel avremmo il Bel, ma il dB rappresenta, con buona approssimazione, la minima differenza di intensità tra due suoni che l'orecchio può percepire Che senso ha avere unità di misura più piccole del decibel se poi l'orecchio non è in grado di apprezzare la differenza? Il dB rappresenta il giusto livello di sensibilità.
- 19. Sorgente sonora Livello di intensità sonora in dB razzo che parte - non tollerabilità 170 aereo a reazione che decolla 130 martello pneumatico 120 a un concerto rock 110 quando c'è molto traffico 100 in metropolitana 90 in una piccola fabbrica 80 in strada di città 70 quando si conversa 60 in casa 50 in biblioteca 40 bisbiglio 20 foglie che si muovono 10 soglia di udibilità 0 Si pensa che un rumore (onda di shock) di 200 dB possa uccidere un uomo.
- 20. Attenzione però! L'intensità sonora I(dB) è una grandezza fisica che, oggettivamente, misura il flusso di energia trasportata dall'onda sonora. Tale grandezza non descrive correttamente però la "sonorità" percepita in quanto essa dipende in modo decisivo dalla frequenza del suono, e in misura minore, anche dal timbro del suono stesso. Suono di intensità costante e frequenza crescente. L'intensità percepita sembrerà invece variabile a causa in parte della risposta del mezzo con cui il suono è trasmesso (cuffia, altoparlanti, ecc.), e in parte per la dipendenza dalla frequenza . AUDIO: clicca qui per ascoltare sweep_20_20000_Hz.wav
- 21. Il condotto uditivo esterno ha un diametro di 7,5 mm e una lunghezza di 22-25 mm. La lunghezza del condotto è tale che esso entra in risonanza alla frequenza di circa 2700 Hz (anche se poi, per la concomitanza di altri processi, la regione di massima sensibilità uditiva si colloca attorno ai 3800 Hz).
- 22. Effetti e illusioni acustiche La scala di Shepard La percezione uditiva è un fenomeno complesso, in cui le caratteristiche fisiche del suono ricevuto, quelle fisiologiche dell'orecchio, e l'attività neurale del cervello interagiscono in modo sottile. La percezione uditiva non èun’immagine fedele del suono ricevuto, ma piuttosto una sua complessa (e non così fedele) elaborazione. AUDIO: clicca qui per ascoltare Glissando_Shepard.mp3 scala di Shepard. Glissando discendente. AUDIO: AUDIO: AUDIO: teo_torriatte.mp3 da Teo Torriatte, dei Queen echoes.mp3 da Echoes, dei Pink Floyd BWV542.mp3 J.S. Bach
- 23. Effetti e illusioni acustiche L'effetto McGurk 1. Osservare il video senza audio e cercare di capire quale sillaba viene pronunciata. 2. Rivedere il video con l’audio 3. Ascoltare l’audio senza guardare il filmato. Vedi video
- 24. La velocità del suono in un gas dove fattore che dipende dalla temperatura; è la pressione a 0°C è la densità del gas. In condizioni standard vsuono =340 m/s
- 25. gas Densità (Kg/m3) Velocità (m/s) elio 0,18 1030 aria 1,20 344 Anidride carbonica 1,98 279 Esafluoruro di zolfo 6,07 145 27°C, a livello del mare
- 26. Con elio AUDIO: clicca qui per ascoltare ELIO.mp3 ELIO La frequenza delle corde vocali non è sensibilmente modificata dal gas che le avvolge Le corde vocali producono un'onda di forma complessa, ma la voce è modulata dal filtraggio operato dalle risonanze proprie di faringe, L'effetto dell‘elio non è bocca, cavità nasali, ecc. quello di modificare la frequenza delle armoniche della voce, ma di spostare verso valori più acuti le frequenze proprie di risonanza della bocca e delle altre cavità. L'ampiezza relativa delle diverse armoniche è mutata. Armoniche più acute, che non avevano grande ampiezza in aria divengono più importanti in elio
- 27. Gas più denso dell’aria • Spettacolare dimostrazione della maggiore densità del SF6 rispetto all'aria VIDEO: clicca qui per vedere • L'inalazione di SF6 permette di verificare che il timbro della voce viene spostato verso il registro grave, all'opposto di quanto accade inalando Elio, che rende la voce simile a quella di Paperino. VIDEO: clicca qui per vedere
- 28. Velocità del suono nell'acqua Nei liquidi non sono possibili onde trasversali. La maggior parte delle onde radio non passano dall'aria all'acqua, e quindi, per esempio il GPS e le normali trasmissioni radio non funzionano sott'acqua. La densità dell'acqua è circa 1000 volte maggiore di quella dell'aria, mentre la comprimibilità è circa 10000 volte minore. Il numero che si ottiene per acqua distillata a 25°C e a pressione ambiente è circa V acqua= 1947 m/s L'oceano è un mezzo non omogeneo, e anche la velocità del suono può cambiare di punto in punto, per il fenomeno della rifrazione. Un effetto noto e particolarmente importane è la costituzione di un "canale" privilegiato alla profondità approssimativa di 750 m, in grado di condurre il suono subacqueo a grandi distanze come una vera e propria guida d'onda.
- 30. Effetto Doppler f ´ < f0 f ´ > f0 f0 f0 Sorgente di suono a frequenza f0 ferma Sorgente di suono a frequenza f0 vsource < vsound
- 31. Sorgente vsource = vsound Sorgente vsource > vsound
- 32. Molte armi portatili sparano proiettili a velocità comprese tra 200 e 300 m/s
- 33. "boom supersonico" Vedi video Mach 1 equivale alla velocità del suono.
- 34. Smorzamento A parità di energia emessa, quale suono arriva più lontano?
- 35. Dipendenza del flusso di energia e dell'ampiezza dell'onda dalla distanza r dalla sorgente Tipo di onda Flusso di energia ampiezza Sferiche ÷ 1/r2 ÷ 1/r Cilindriche ÷ 1/r ÷ 1/r piane costante costante
- 36. Smorzamento Per sorgenti di onde sferiche, il flusso di energia dovrà decrescere come il quadrato della distanza dovendo attraversare superfici sferiche che invece crescono come il quadrato della distanza.
- 37. Smorzamento Se la sorgente sonora ha una simmetria cilindrica, ci aspettiamo che il flusso di energia emessa decresca come l'inverso della distanza dovendo attraversare superfici (laterale) la cui area aumenta linearmente con la distanza dalla sorgente.
- 38. Smorzamento Per questo, in ambienti aperti, le onde sonore emesse da sorgenti puntiformi si smorzano molto più rapidamente rispetto a quelle emesse da sorgenti a simmetria cilindrica o piana.
- 39. Smorzamento Allora, lo spettatore in ultima fila non dovrebbe sentire niente, o no?
- 40. Assorbimento Nelle situazioni reali non è più possibile trascurare la perdita di energia sonora dovuta alla sua parziale conversione in energia interna. L'attenuazione del flusso di energia sonora dovuta all'assorbimento atmosferico è di solito proporzionale alla densità dell'aria e alla velocità del suono nel mezzo e dipende • dalle condizioni di umidità dell'aria • dalla temperatura dell'aria • dalla frequenza dell'onda sonora.
- 41. Le onde a più elevata frequenza vengono assorbite con maggiore facilità. tuono percepito da lontano: "rombo" perché frequenze molto basse, le uniche sopravvissute all'assorbimento atmosferico. doccia
- 42. Dispersione L'aria ha un'altra gradevole proprietà oltre a quella di essere respirabile. Essa è un mezzo sostanzialmente non dispersivo rispetto ai suoni di frequenza udibile. Con questo si intende che tutti i suoni udibili viaggiano in aria con la stessa velocità qualunque sia la loro frequenza. Le onde sonore mantengono così la loro forma durante la propagazione, evitando che una "a“ si trasformi in una "u" durante il viaggio. L'anidride carbonica, invece, è un mezzo dispersivo rispetto al suono, ma solo a frequenze ultrasoniche, e quindi non influisce sulle comunicazioni udibili.
- 43. La riflessione il fenomeno della riflessione è significativo solo se la dimensione dell'ostacolo è molto maggiore della lunghezza d'onda dell'onda sonora che incide su di esso Quali lunghezze d’onda può avere l’onda sonora? Per le onde sonore le lunghezze d'onda variano da circa 17 metri fino a pochi millimetri .
- 44. L’eco Il nostro orecchio ha la capacità, per ragioni di fisiologiche, di discriminare due suoni ricevuti in sequenza, solo se il tempo di separazione è di un decimo di secondo. Quali condizioni bisogna avere per sentire l’eco? •l'ostacolo deve essere di grandi dimensioni •e posto ad almeno 17 metri dalle nostre orecchie! Lo stesso Newton utilizzò il fenomeno dell'eco per una prima determinazione della velocità del suono: egli ottenne misure incredibilmente precise (entro l'1% del valore noto oggi) utilizzando il porticato della Neville's Court nel Trinity College, Cambridge, dove aveva studiato, lungo ben 65 metri
- 45. Applicazioni Il Sonar Non solo per la nautica • robot mobili • telecomandi per elettrodomestici con sensori ultrasonici; • interruttori di vicinanza (ad esempio nei cancelli automatici); • dispositivi montati sul paraurti delle automobili come dispositivi di aiuto per il parcheggio. • …
- 46. • L’ecografia Applicazioni Viste le dimensioni minime dei dettagli da visualizzare, devono essere usati ultrasuoni. La tecnica ecografica si basa sulla diversa capacità di riflettere le onde sonore che hanno sostanze di diversa densità e composizione chimica.
- 47. Applicazioni Tale tecnica si basa sullo spostamento in frequenza che subiscono le onde riflesse da corpi in movimento; tale spostamento dipende dalla velocità del corpo riflettente e quindi fornisce una "mappatura" delle diverse velocità del flusso sanguigno nei vari punti della sezione del vaso.
- 48. Rifrazione del suono all'interfaccia aria-acqua Che cosa accade quando un suono che è generato in aria colpisce la superficie dell'acqua? O viceversa, i suoni prodotti in acqua sono udibili anche all'esterno?
- 49. Rifrazione del suono all'interfaccia aria-acqua Visto che vacqua > v aria allora le onde sonore tenderanno ad allontanarsi dalla normale alla superficie. Ma la densità dell'acqua è circa 1000 volte superiore a quella dell'aria. Questo fatto fa sì che sia estremamente difficile trasferire energia elastica dall'aria all'acqua e viceversa tramite le onde sonore. Quindi, quando un suono si produce in aria e colpisce l'acqua, o viceversa, accade che l'onda sia praticamente completamente riflessa . Non è quindi possibile spaventare i pesci gridando da fuori dell'acqua.
- 50. Rifrazione del suono all'interfaccia aria-corpo umano La conclusione che abbiamo tratto nel caso di passaggio delle onde sonore tra aria e acqua vale anche quando il suono passa dall'aria al corpo umano, che ha densità simile. Il coefficiente di trasmissione è bassissimo. Un momento, allora come mai l'ecografia funziona?
- 51. Diffrazione del suono Con una fenditura: un'onda è in grado di passare attraverso una fenditura senza modificare apprezzabilmente la forma dei suoi fronti d'onda se la dimensione della fenditura è molto maggiore della lunghezza d'onda dell'onda. Nel caso in cui la fenditura è stretta (di dimensioni molto minori della lunghezza d'onda) il fronte d'onda dell'onda incidente si deforma e diventa pressoché sferico. Con un ostacolo: un'onda è in grado di "aggirare" un ostacolo se le dimensioni dell'ostacolo sono minori (o confrontabili) alla lunghezza d'onda dell'onda incidente.
- 52. Diffrazione del suono Con una fenditura Quando un suono viene irradiato da una sorgente, come un altoparlante, è molto più facile individuare la direzione da cui proviene il suono nel caso di suoni acuti che nel caso di suoni gravi. La stessa “fenditura”, cioè l'altoparlante, appare grande alle lunghezze d’onda piccole, e piccola alle lunghezza d’onda grandi. Per la voce: essendo la nostra bocca sufficiente piccola rispetto alle frequenze del parlato, i fronti d'onda emessi sono pressoché sferici.
- 53. Diffrazione del suono con un ostacolo A parità di dimensioni dell'ostacolo, suoni più gravi aggirano più facilmente gli ostacoli. i suoni gravi riescono a superare l'ostacolo rappresentato dalla testa di una persona. Ciò fa sì che: se ascoltiamo una persona che sta parlando ponendoci alle sue spalle, fatichiamo a comprendere quel che dice. Il fatto è che solo le onde a bassa frequenza riescono ad aggirare la testa di chi parla e a pervenire al nostro orecchio. Questo rende impossibile il riconoscimento delle frequenze formantii suoni vocalici.
- 54. Interferenza del suono Prima con gli impulsi su una corda …
- 55. Sovrapposizione di due impulsi
- 56. Sovrapposizione di due onde che si propagano nella stessa direzione
- 57. Sovrapposizione di due onde che si propagano in direzioni opposte Onda stazionaria
- 58. Gli strumenti a fiato Onde stazionarie riflessione + interferenza Vedi applet onde stazionarie longitudinali Vedi onde stazionarie in una molla Fondamentale senti Prima armonica senti Seconda armonica senti Terza armonica senti
- 59. Onde stazionarie nel flauto Senti la nota LA Guarda la forma d’onda Guarda lo spettro delle frequenze I picchi che compaiono nello spettro corrispondono a : LA5 885 Hz e LA6 1769 Hz
- 60. Onde stazionarie nel flauto Senti la nota SOL Guarda la forma d’onda Guarda lo spettro delle frequenze I picchi che compaiono nello spettro corrispondono a : SOL5 787 Hz e SOL6 1573 Hz Ci sono anche (piccoli) il DO7 a 2360 Hz e il SOL7 a 3127 Hz.
- 61. Onde stazionarie nel flauto Senti la nota MI Guarda la forma d’onda Guarda lo spettro delle frequenze I picchi che compaiono nello spettro corrispondono a : MI5 658 Hz, MI6 1315 Hz e SI6 1998 Hz. C’e anche il MI7 a 2636 Hz.
- 62. Vedi onde stazionarie con i tubi di gomma Vedi tubo di Kundt Vedi altra visualizzazione delle onde stazionarie.
- 63. Vedi Dalla pernacchia allo strumento, con la risonanza …
- 64. … con frequenza diversa i battimenti Prova a costruire suoni con Generatore di suoni
Hinweis der Redaktion
- In a longitudinal wave the particle displacement is parallel to the direction of wave propagation. The animation below shows a one-dimensional longitudinal plane wave propagating down a tube. The particles do not move down the tube with the wave; they simply oscillate back and forth about their individual equilibrium positions. Pick a single particle and watch its motion. The wave is seen as the motion of the compressed region (ie, it is a pressure wave), which moves from left to right.
- è possibile stabilire relazioni semplici tra le grandezze fisiche che caratterizzano l'onda sonora e gli attributi del suono che percepiamo? La risposta è: si, ma le relazioni non sono in genere mai semplici, proprio a causa della complessità del nostro apparato uditivo e del nostro sistema nervoso. Spesso questa questione si vede risolta in questi termini: Grandezza fisica relativa all'onda termine musicale frequenza altezza ampiezza al quadrato intensità (o volume) composizione spettrale timbro In realtà, indagando più a fondo, (visita a questo proposito le pagine relative alla percezione dell'intensità, alla percezione dell'altezza, alla percezione del timbro e alla fisiologia dell'apparato uditivo), si scopre che queste relazioni valgono solo in misura approssimativa, e solo quando ci si riferisce a suoni puri. La correlazione nel caso di suoni più "realistici" è ben più complessa di quella qui illustrata. Il momento percettivo introduce in tale correlazione notevoli complicazioni per cui, ad esempio, l'altezza di un suono potrà, più o meno debolmente, dipendere anche dall'intensità del suono e viceversa, il timbro variare al variare della frequenza, dell'intensità e dalla modalità di eccitazione della sorgente vibrante da parte dello strumentista, e così via...
- La soglia di udibilità Si definisce soglia di udibilità la minima intensità Imin sonora che l'orecchio umano è in grado di percepire. L'esperienza mostra che tale soglia varia da individuo a individuo (per esempio si innalza all'aumentare dell'età del soggetto), e, soprattutto, che, anche per un singolo individuo, essa dipende dalla frequenza del suono ascoltato. In genere si usa riferirsi ad un valore convenzionale, ottenuto mediando la soglia di udibilità di molti individui per un suono puro di frequenza di 1000 Hz. Il valore di tale soglia è estremamente piccolo: esso vale e corrisponde ad una variazione di pressione rispetto alla pressione atmosferica in assenza di suono di soli 20 μPa (pari a circa 0,2 miliardesimi della pressione atmosferica).
- La soglia del dolore All'altro estremo del campo di intensità udibili si trova la soglia del dolore, cioè la massima intensità sonora che l'orecchio umano è in grado di percepire e oltre la quale il suono viene sostituito da una sensazione di dolore (si osservi però che il suono può nuocere in modo permanente all'udito anche ad intensità inferiori dipendentemente dalle condizioni di esposizione). Questo valore è uguale a ed è mille miliardi di volte più grande della soglia di udibilità.
- Il livello di intensità sonora in decibel (dB) il campo di variazione delle intensità sonora è estremamente ampio: occupa circa 12 ordini di grandezza. Rapportato ad una scala delle lunghezze sarebbe come spaziare dalle dimensioni di un'ameba (circa 600 millesimi di mm) al diametro dell'orbita lunare (circa 600 mila km). Questa grande variabilità, assieme al fatto che l'orecchio è sensibile alle variazioni di pressione, e non al valore assoluto della pressione stessa, determina la scelta di esprimere la misura dell'intensità del sono mediante una scala logaritmica. Si definisce perciò il livello di intensità sonora come (vedi dia) Il livello di intensità sonora è un numero puro (quantità adimensionale) al quale si attribuisce però, per convenzione, un'unità di misura: il decibel (da A.G. Bell, scienziato statunitense) il cui simbolo è dB. Il dB è un'unità di misura che non appartiene al sistema internazionale e deriva appunto dal rapporto tra l'intensità sonora e la soglia di udibilità.
- Il livello di intensità sonora in decibel (dB) il campo di variazione delle intensità sonora è estremamente ampio: occupa circa 12 ordini di grandezza. Rapportato ad una scala delle lunghezze sarebbe come spaziare dalle dimensioni di un'ameba (circa 600 millesimi di mm) al diametro dell'orbita lunare (circa 600 mila km). Questa grande variabilità, assieme al fatto che l'orecchio è sensibile alle variazioni di pressione, e non al valore assoluto della pressione stessa, determina la scelta di esprimere la misura dell'intensità del sono mediante una scala logaritmica. Si definisce perciò il livello di intensità sonora come (vedi dia) Il livello di intensità sonora è un numero puro (quantità adimensionale) al quale si attribuisce però, per convenzione, un'unità di misura: il decibel (da A.G. Bell, scienziato statunitense) il cui simbolo è dB. Il dB è un'unità di misura che non appartiene al sistema internazionale e deriva appunto dal rapporto tra l'intensità sonora e la soglia di udibilità.
- Vantaggi della scala in dB Il misurare l'intensità sonora, anziché tramite il valore assoluto dell'energia sonora (o della pressione) che colpisce l'orecchio, con una scala logaritmica rapportata alla soglia di udibilità presenta una serie di vamtaggi: se infatti sostituiamo a I proprio il valore di Imin = 10 − 12W / m2 otteniamo naturalmente possibilità di rappresentare grandezze che presentano un grande campo di variazione nel caso del suono il campo di variazione è incredibilmente esteso: l’intensità sonora di un concerto rock (prossimo alla soglia del dolore, e non è questione di gusti!!) è 1000 miliardi più intensa della soglia di udibilità. Usando la definizione di I(dB), se al posto di I sostituiamo Imax, otteniamo:
- il volume percepito non è in relazione lineare con l’intensità. Cioè raddoppiando l’intensità sonora (e questo può essere fatto oggettivamente in laboratorio) non si percepisce un suono di intensità doppia (qui entra in gioco la soggettività dei vari ascoltatori). Esperimenti ripetuti condotti su vari ascoltatori hanno mostrato che per ottenere suoni di sonorità percepita doppia occorre aumentare, approssimativamente, di un fattore dieci l’intensità dell’onda sonora. la definizione di I(dB), se al posto di I sostituiamo Imax, otteniamo:
- la scala presenta il "giusto" livello di sensibilità ciò viene ottenuto premettendo il fattore 10 al logaritmo del rapporto delle intensità. Nella definizione tale fattore è opportuno (senza di esso avremmo ottenuto un'unità di misura dieci volte più grande del dB, il Bel appunto) in quanto il dB rappresenta, con buona approssimazione, la minima differenza di intensità tra due suoni che l'orecchio può percepire (è quello che nella letteratura specialistica si chiama il JND acronimo di Just Noticeable Difference). Vale a dire che l'orecchio coglie la differenza di intensità tra due suoni solo se il loro livello differisce per più di un dB. In questo senso abbiamo parlato di giusto livello di sensibilità: che senso ha. infatti, avere unità di misura più piccole del decibel se poi l'orecchio non è in grado di apprezzare la differenza? Sarebbe come avere un righello che riportasse i decimi di millimetro: il nostro occhio non riuscirebbe a risolvere la diffrenza tra due "tacche" consecutive.
- Se l'intensità di un suono è compresa tra 0 dB e 60 dB questo è ritenuto silenzioso Se l'intensità di un suono è compresa tra 60 dB e 90 dB (come quella del traffico automobilistico) può essere pericolosa soprattutto se si protrae nel tempo Se l'intensità di un suono è compresa tra 90 dB e 120 dB (come ad esempio nelle discoteche, nei cantieri edili, negli aeroporti o vicino allo scoppio di un petardo) diventa veramente dannosa Si pensa che un rumore di 200 dB possa uccidere un uomo. Tutti questi valori sono puramente indicativi. Più rilevante, ai fini dello studio dell'inquinamento acustico è la rilevazione dell'intensità sonora per bande di ottava
- L'intensità sonora percepita o livello sonico (loudness) L'intensità sonora I(dB) è una grandezza fisica che, oggettivamente, misura il flusso di energia trasportata dall'onda sonora. Tale grandezza non descrive correttamente però la "sonorità" percepita (in inglese loudness) in quanto essa dipende in modo decisivo dalla frequenza del suono, e in misura minore, anche dal timbro del suono stesso. Un esempio spettacolare di tale fatto può essere ottenuto ascoltando (in cuffia) questo suono di frequenza crescente con continuità (si va 20 Hz fino a 20000 Hz). L'intensità oggettiva del suono è costante, come dimostra l'immagine dell'inviluppo della forma d'onda riportata accanto al suono AUDIO: clicca qui per ascoltare sweep_20_20000_Hz.wav Suono di intensità costante e frequenza crescente. L'intensità percepita sembrerà invece variabile a causa in parte della risposta del mezzo con cui il suono è trasmesso (cuffia, altoparlanti, ecc.), e in parte per la dipendenza delle isofone dalla frequenza (v. testo)
- La funzione dell’orecchio è talmente nota che non sembra nemmeno necessario precisarne il compito senza cadere in considerazioni banali: l’orecchio è l’organo di senso che ci permette di sentire. Alcune precisazioni sono però necessarie: con il termine orecchio non intendiamo solo la parte visibile (essa si chiama padiglione auricolare), bensì tutto un complesso di apparati che permette di trasformare una variazione della pressione dell’aria indotta nel mezzo da una sorgente vibrante (una persona che parla, uno strumento musicale, un petardo che esplode,..), in un impulso elettrico capace di generare, a livello cerebrale, la sensazione sonora; tecnicamente si dice che l’orecchio è un trasduttore, cioè un dispositivo, un apparato in grado di trasportare energia da un punto all’altro dello spazio, eventualmente con trasformazioni dell’energia stessa nelle sue varie forme; meccanismi evolutivi hanno probabilmente giocato per aumentare l’efficienza di tale trasporto e a determinare una struttura dell’orecchio, globalmente inteso, molto simile in tutti i mammiferi. Passiamo ora alla descrizione dell’anatomia delle varie parti da cui è costituito l’orecchio e una breve descrizione della loro funzionalità. L’orecchio esterno L’orecchio esterno è costituito dal padiglione auricolare e dal condotto uditivo esterno, un sottile “tubo” che termina in una membrana detta timpano. Le funzioni del padiglione auricolare sono di raccogliere una porzione significativa delle onde acustiche (proporzionale all’area del padiglione) e di convogliarle, tramite il condotto uditivo alla membrana timpanica; determinare tramite un raffinato sistema basato sulla presenza di due, e non uno, padiglioni auricolari di localizzare la sorgente sonora; di protezione della membrana timpanica da lesioni meccaniche ed il mantenimento di tale delicata membrana a condizioni di temperatura ed umidità costanti, in modo da preservarne le preziose caratteristiche elastiche. Il condotto uditivo esterno ha un diametro di 7,5 mm e una lunghezza di 22-25 mm non sembra avere altra funzione che non sia quella di convogliare l’onda sonora verso la membrana timpanica. In realtà la lunghezza di tale condotto gioca un ruolo decisivo nel determinare la regione, in frequenza, di massima sensibilità uditiva. Con un rapido calcolo è facile mostrare che se si tratta il condotto come un tubo con una estremità aperta esso entra in risonanza alla frequenza di circa 2700 Hz (anche se poi, per la concomitanza di altri processi, la regione di massima sensibilità uditiva si colloca attorno ai 3800 Hz).
- La percezione uditiva è un fenomeno complesso, in cui le caratteristiche fisiche del suono ricevuto, quelle fisiologiche dell'orecchio, e l'attività neurale del cervello interagiscono in modo sottile. In queste pagine vogliamo mostrare come la percezione uditiva non debba essere considerata una immagine fedele del suono ricevuto, ma piuttosto una sua complessa (e non così fedele) elaborazione. In questa sede distinguiamo effetti e illusioni, intendendo che gli effetti sono percezioni "non fedeli" dovute alle caratteristiche fisiologiche dell'apparato ricevente, mentre le illusioni, al pari delle più popolari illusioni ottiche, sono il prodotto della diretta azione del cervello che non si limita a registrare, ma interpreta i suoni che riceve. La scala di Shepard La scala di Shepard[1] è un esempio classico di illusione di cui esistono molte versioni. Provate ad ascoltare il campione qui sotto, che la riproduce in forma di glissando, e provate a tenere traccia dell'andamento della nota che percepite: sentirete un tono discendente, apparentemente senza fine. In realtà, come svela l'analisi del sonogramma, si tratta di un campione periodico, in cui le armoniche più acute vengono reintrodotte gradualmente, mentre quelle più gravi svaniscono gradualmente. Il cervello àncora la percezione dell'altezza più all'andamento complessivamente discendente, che non alla fondamentale del suono. Effetti "di tipo Shepard" si trovano anche utilizzati in musica sotto forma di progressioni modulanti (per esempio nella Fantasia e Fuga in Sol minore per organo BWV 542 di J.S. Bach) o mediante altri espedienti. Nella parte finale del brano Echoes dei Pink Floyd un glissando di coro maschile è stato tagliato ad anello, e mixato in modo da dare l'illusione di una salita continua, esso emerge dalla dissolvenza di una lunga ripetizione guidata dalla chitarra elettrica; all'opposto del nostro esempio qui sotto. L'album A day at the races dei Queen si apre e si chiude circolarmente con piccolo trio strumentale in cui si sente una scala di Shepard eseguita per mezzo di chitarre elettriche.
- Osservate il video e cercate di capire quale sillaba viene pronunciata. Provate poi ad ascoltare l'audio senza guardare il filmato. Vi farete un'idea completamente differente. Come del resto tutte le illusioni percettive, anche questa convoglia al cervello informazioni volutamente ambigue o contraddittorie, e ne ottiene una "sistemazione" che non è la semplice registrazione fedele della realtà. In questo caso il video mostra un uomo che pronuncia tre volte "ga-ga", ma, l'audio registra effettivamente tre volte il suono "ba-ba". Ora, per pronunciare la "b" sappiamo che le labbra devono toccarsi, cosa che non accade nell'immagine. Il cervello sistema la situazione facendoci percepire, per lo più un suono intermedio "da-da", quando non direttamente la versione visuale "ga-ga". Lo stesso effetto, all'inverso, spiega in parte perché non siamo troppo disturbati dall'ascincronia tra il labiale e l'audio nei film doppiati nella nostra lingua. Semplicemente ignoriamo la parte incomprensibile del messaggio (il labiale in un'altra lingua), a favore di quella comprensibile (il dialogo nella nostra lingua).
- Dall'esame della tabella si evince che nell'Elio la velocità di propagazione del suono è circa tripla di quella nell'aria, mentre nell'Esafluoruro di Zolfo è meno di metà del valore in aria. In entrambi questi casi è possibile verificare l'effetto sulla voce umana in modo qualitativo, come illustrato nel prossimo paragrafo.
- Voce e velocità del suono Il trucco di aspirare Elio da un palloncino per ottenere una voce buffa è noto e diffuso. Cerchiamo di inquadrare meglio il fenomeno. La frequenza delle corde vocali non è sensibilmente modificata dal gas che le avvolge. Le corde vocali continuano a vibrare circa alla stessa frequenza in Elio come in Aria. Una frequenza determinata sostanzialmente dalla tensione dei muscoli che le governano. Tuttavia la voce sembra aver acquisito un timbro più acuto, e le parole sono pronunciate in modo strano. Come è possibile? La ragione è che le corde vocali, nella laringe, sono la sorgente dell'oscillazione sonora, ma non determinano da sole il timbro della voce. Per esempio non si potrebbe distinguere una vocale da un'altra se non si facesse ampio uso del sistema di cavità risonanti a geometria variabile che costituiscono l'apparato fonatorio, e in particolare della bocca. Le corde vocali producono un'onda di forma complessa, costituita da un certo spettro di armoniche, ma la voce è modulata dal filtraggio operato dalle risonanze proprie di faringe, bocca, cavità nasali, ecc. L'effetto dell'Elio non è quindi quello di modificare la frequenza delle armoniche della voce, ma di spostare verso valori più acuti le frequenze proprie di risonanza della bocca e delle altre cavità. Il risultato è che l'ampiezza relativa delle diverse armoniche è mutata. Armoniche più acute, che non avevano grande ampiezza in aria divengono più importanti in Elio. Poiché la specifica forma delle vocali è determinata da alcune regioni spettrali (che costituiscono le cosiddette "formanti"), alcune parole possono anche diventare difficilmente intelligibili.
- Spettacolare dimostrazione della maggiore densità del SF6 rispetto all'aria. La scatola trasparente è stata riempita di SF6. Il gas, circa cinque volte più denso dell'aria, in assenza di turbolenze, si deposita sul fondo, e su di esso può essere fatta galleggiare una barchetta di alluminio, che poi è possibile affondare riempiendola con il gas stesso. L'inalazione di SF6 permette di verificare che il timbro della voce viene spostato verso il registro grave, all'opposto di quanto accade inalando Elio, che rende la voce simile a quella di Paperino. In entrambi i casi l'effetto comico è assicurato.
- Velocità del suono nell'acqua La determinazione precisa della velocità del suono è di estrema importanza per tutte le applicazioni marine, dall'acustica oceanografica, al sonar, all'etologia marina. Ricordiamo per esempio che la navigazione acustica è ancora di fondamentale importanza per sommergibili e sottomarini, in quanto la maggior parte delle onde radio non passano dall'aria all'acqua, e quindi, per esempio il GPS e le normali trasmissioni radio non funziona sott'acqua. Nei liquidi non sono possibili onde trasversali, perché il liquido non oppone una resistenza elastica alle forze di taglio, e quindi non ha elasticità trasversale. Possiede tuttavia una comprimibilità molto minore rispetto agli aeriformi, e quindi si comporta come un mezzo elastico molto più rigido. La velocità del suono si calcola per l'acqua in condizioni standard ancora usando una formula analoga a quella di Newton per l'aria, ma ricordando che la densità dell'acqua è circa 1000 volte maggiore di quella dell'aria, mentre la comprimibilità è circa 10000 volte minore. Il numero che si ottiene per acqua distillata a 25°C e a pressione ambiente è circa 1947 m/s. Le condizioni nell'acqua dell'oceano, però, sono soggette a molte variabili: la temperatura subisce grandi variazioni con la profondità, le correnti, la latitudine, la stagione; la salinità modifica fortemente la densità locale; infine la pressione aumenta con la profondità, e quindi anche la densità dell'acqua aumenta (anche se di poco). Tutte queste variabili fanno dell'oceano un mezzo non omogeneo, e anche la velocità del suono può cambiare di punto in punto, per il fenomeno della rifrazione. Un effetto noto e particolarmente importane è la costituzione di un "canale" privilegiato alla profondità approssimativa di 750 m, in grado di condurre il suono subacqueo a grandi distanze come una vera e propria guida d'onda. Si veda la pagina sulla rifrazione del suono per approfondire. ...e nei solidi? Nei solidi il discorso è un poco più articolato, perché, mentre i liquidi e gli aeriformi hanno solo un'elasticità di compressione, nei solidi esistono forze elastiche anche per gli sforzi di trazione e di taglio. Ne consegue che in un solido non solo le onde sonore (longitudinali) sono in grado di propagarsi, ma anche altri tipi di onde elastiche. Si rimanda perciò la discussione al paragrafo sulla velocità delle onde meccaniche. Il canale SOFAR (Sound Fixing and Ranging channel, "canale di fissazione ed oscillazione sonora"), o canale sonoro profondo, CSP (deep sound channel, DSC),[1] è uno strato orizzontale di acqua nell'oceano ad una profondità in cui la velocità del suono è minima. Il canale SOFAR agisce come una guida d'onda per il suono, e le onde sonore a bassa frequenza all'interno del canale possono viaggiare per migliaia di miglia prima di dissiparsi.[2] Questo fenomeno è un importante fattore nella guerra sottomarina. Il canale sonoro profondo fu scoperto e descritto indipendentemente da Maurice Ewing e Leonid Brekhovskikh negli anni 1940.[3] Il canale SOFAR è imperniato sulla profondità dove l'effetto cumulativo della temperatura e della pressione idrostatica (e, in minor misura, della salinità) si combinano per creare la regione di minima velocità del suono nella colonna d'acqua. La pressione nell'oceano aumenta linearmente con la profondità, ma la temperatura è più variabile, calando generalmente rapidamente nel termoclino principale dalla superficie a circa mille metri di profondità, rimanendo poi quasi immutata da là al fondale oceanico nel mare profondo. Vicino alla superficie, la temperatura in rapido calo determina una diminuzione della velocità del suono, ovvero un gradiente negativo della velocità del suono. Con l'aumento della profondità, la pressione crescente determina un aumento della velocità del suono, ovvero un gradiente positivo della velocità del suono. La profondità dove la velocità del suono è al minimo è chiamata asse del canale sonoro. Vicino alle Bermuda, l'asse del canale sonoro si presenta ad una profondità intorno ai 1.000 metri. Nelle acque temperate, l'asse è più basso, ed alle alte latitudini (circa al di sopra di 60°N o al di sotto di 60°S) raggiunge la superficie. Il suono si propaga nel canale per rifrazione, il che fa viaggiare il suono stesso vicino alla profondità con la velocità minore. Se un'onda sonora si propaga lontano da questo canale orizzontale, la parte dell'onda più distante dall'asse del canale viaggia più velocemente, cosicché l'onda ritorna verso l'asse del canale. Come risultato, le onde sonore tracciano un percorso che oscilla da un capo all'altro dell'asse del canale SOFAR. Questo principio è simile alla trasmissione a lunga distanza della luce in una fibra ottica. Misteriosi suoni a bassa frequenza, attribuiti alle megattere e ad altre balene, sono un evento comune nel canale. Gli scienziati credono che le megattere possano immergersi fino a questo canale e "cantare" per comunicare con altre megattere a molti chilometri di distanza.[senza fonte] Durante la seconda guerra mondiale, Maurice Ewing suggerì che il lancio nell'oceano di una piccola sfera di metallo (chiamata bomba SOFAR) specificamente progettata per implodere nel canale SOFAR, potesse essere usato come segnale di pericolo segreto da parte dei piloti abbattuti.[4] Il romanzo Caccia a Ottobre Rosso descrive l'uso del canale SOFAR nel rilevamento dei sottomarini.
- The movie at left shows a stationary sound source. Sound waves are produced at a constant frequency f0, and the wavefronts propagate symmetrically away from the source at a constant speed v, which is the speed of sound in the medium. The distance between wavefronts is the wavelength. All observers will hear the same frequency, which will be equal to the actual frequency of the source. In the movie at left the same sound source is radiating sound waves at a constant frequency in the same medium. However, now the sound source is moving to the right with a speed vs = 0.7 v (Mach 0.7). The wavefronts are produced with the same frequency as before. However, since the source is moving, the center of each new wavefront is now slightly displaced to the right. As a result, the wavefronts begin to bunch up on the right side (in front of) and spread further apart on the left side (behind) of the source. An observer in front of the source will hear a higher frequency f ´ > f0, and an observer behind the source will hear a lower frequency f ´ < f0
- Now the source is moving at the speed of sound in the medium (vs = v, or Mach 1). The speed of sound in air at sea level is about 340 m/s or about 750 mph. The wavefronts in front of the source are now all bunched up at the same point. As a result, an observer in front of the source will detect nothing until the source arrives. The pressure front will be quite intense (a shock wave), due to all the wavefronts adding together, and will not be percieved as a pitch but as a "thump" of sound as the pressure wall passes by. The figure at right shows a bullet travelling at Mach 1.01. You can see the shock wave front just ahead of the bullet. The sound source has now broken through the sound speed barrier, and is traveling at 1.4 times the speed of sound (Mach 1.4). Since the source is moving faster than the sound waves it creates, it actually leads the advancing wavefront. The sound source will pass by a stationary observer before the observer actually hears the sound it creates. As you watch the animation, notice the clear formation of the Mach cone, the angle of which depends on the ratio of source speed to sound speed. It is this intense pressure front on the Mach cone that causes the shock wave known as a sonic boom as a supersonic aircraft passes overhead. The shock wave advances at the speed of sound v, and since it is built up from all of the combined wave fronts, the sound heard by an observer will be quite intense. A supersonic aircraft usually produces two sonic booms, one from the aircraft's nose and the other from its tail, resulting in a double thump. The figure at right shows a bullet travelling at Mach 2.45. The mach cone and shock wavefronts are very noticeable.
- Con la scoperta delle armi da fuoco la velocità del moto dei corpi solidi in aria si è enormemente innalzata. Molte armi portatili sparano proiettili a velocità comprese tra 200 e 300 m/s, e cannoni e razzi superano facilmente i 1000 m/s. A queste velocità gli effetti idrodinamici dell'aria sul moto del proiettile non possono essere ignorati, o liquidati come "attrito viscoso", e una intera branca della fisica è dedicata al loro studio. L'avvento dei motori a reazione ha poi ulteriormente spostato in là il limite, ponendo agli ingegneri seri problemi nella progettazione di materiali e strutture adatti a sopportare gli enormi carichi in gioco. Ci ha anche reso familiare il fenomeno del "boom supersonico". L'era spaziale porta con sé ancora nuovi problemi: lo Space Shuttle rientra nell'atmosfera ad una velocità circa 25 volte maggiore di quella del suono. A questa velocità il calore sviluppato per attrito induce un cambiamento di fase nell'aria, che si trasforma in un plasma ionizzato ad alta temperatura, imponendo l'uso di uno scudo termico che prevenga la distruzione istantanea della nave. In aeronautica è ormai uso misurare la velocità dell'aria relativa all'aeromobile in una scala di Mach. Mach 1 equivale alla velocità del suono.
- Essendo l'energia (e quindi il flusso) direttamente proporzionale al quadrato dell'ampiezza dell'onda ciò significa che anche l'ampiezza dell'oscillazione si smorza con l'aumentare della distanza della sorgente e questo indipendentemente dalla presenza di fenomeno di assorbimento. fronti d'onda sferici si parla in questo caso di campo sonoro libero o sferico. Tale situazione si verifica nel caso di sorgenti puntiformi o comunque di dimensioni molto minori della lunghezza d'onda emessa e di propagazione dell'onda in un mezzo libero da ostacoli ed isotropo. In questo caso se calcoliamo il flusso di energia emessa (cioè l'energia che passa attraverso una area unitaria a distanza d dalla sorgente) essa dovrà decrescere come il quadrato della distanza dovendo attraversare superfici che invece crescono come il quadrato della distanza. fronti d'onda cilindrici Se la sorgente sonora ha una simmetria cilindrica (ad esempio una lunga fila di automobili in colonna) ci aspettiamo che il flusso di energia emessa decresca come l'inverso della distanza dovendo attraversare superfici (laterale) la cui area aumenta linearmente con la distanza dalla sorgente. fronti d'onda piani Se la sorgente sonora è piana (teoricamente un piano infinito, ma con buona approssimazione una membrana di un timpano può andare bene) il fronte d'onda è tale che il flusso di energia attraverso un piano parallelo alla sorgente rimane, se si eccettuano fenomeno di assorbimento nel mezzo, costante.
- in ambienti aperti le onde sonore emesse da sorgenti puntiformi si smorzano molto più rapidamente rispetto a quelle emesse da sorgenti a simmetria cilindrica o piana. Ad esempio se vi è un martello pneumatico (che possiamo paragonare ad una sorgente sonora puntiforme) in funzione in una strada con una lunga fila di automobili in colonna a motore acceso, ad una certa distanza dalla strada, percepiremo il rumore di fondo dei motori delle automobili ma non il martello pneumatico. Avvicinandoci alla strada inizieremo a sentire anche il rumore del martello pneumatico emergere dal rumore di fondo delle automobili. Il motivo è semplice: quando riduciamo la distanza dalla strada (ad esempio della metà) l'energia sonora percepita generata dal martello pneumatico aumenta di quattro volte mentre quella dovuta alle automobili solo del doppio.
- in ambienti chiusi (ad esempio un auditorium) la drastica riduzione dell'energia sonora con l'aumentare della distanza dovrebbe penalizzare fortemente gli spettatori delle ultime file. Considerando, ad esempio, un solista di pianoforte come una sorgente puntiforme, uno spettatore distante 50 metri dal palco dovrebbe ricevere un'energia sonora di 100 volte inferiore rispetto ad uno spettatore distante 5 metri. Ciò in realtà non succede. Come mai? Il fatto è che negli ambienti chiusi l'energia sonora viene riflessa dalle pareti: ciò che percepiamo non è solo il suono diretto che ci proviene dal palco ma anche il suono riflesso.
- Tutto il ragionamento precedente è stato sviluppato attribuendo la diminuzione del flusso di energia sonora allo "sparpagliamento" dell'energia su fronti d'onda di superficie sempre più ampia. Nelle situazioni reali, soprattutto in ambienti aperti o in ambienti chiusi sufficientemente ampi, non è più possibile trascurare la perdita di energia sonora dovuta alla sua parziale conversione in calore. Tale conversione avviene nei processi di vibrazione delle molecole d'aria necessari per il trasferimento della perturbazione sonora ed è dovuta a forze di tipo viscoso che si oppongono allo scorrimento delle molecole del fluido nella direzione di propagazione dell'onda. L'attenuazione del flusso di energia sonora dovuta all'assorbimento atmosferico può essere quantificata tramite un opportuno coefficiente numerico detto impedenza caratteristica. Esso è di solito proporzionale alla densità dell'aria e alla velocità del suono nel mezzo. In modo indiretto l'impedenza caratteristica dell'aria viene quindi a dipendere da tutti i fattori "meteorologici" in grado di modificarne la densità: dalle condizioni di umidità dell'aria (l'aria molto umida contiene un gran numero di molecole d'acqua che ne aumenta la massa molecolare media e quindi la densità). dalla temperatura dell'aria (il grande caldo non afoso, ha la grande proprietà di diminuire la densità dell’aria e quindi di diminuire la massa molecolare media per unità di volume). dalla frequenza dell'onda sonora. In particolare le onde a più elevata frequenza vengono assorbite con maggiore facilità. Un conseguenza spettacolare di tale fatto è la modifica timbro dell'onda sonora emessa da un tuono quando viene percepita da lontano: la sua intensità sonora è debole a causa dell'attenuazione prodotta dalla distanza discussa del paragrafo precedente, ma soprattutto essa suono come un "rombo" costituita com'è da frequenza molto basse, le uniche sopravvissute all'assorbimento atmosferico.
- dalla frequenza dell'onda sonora. In particolare le onde a più elevata frequenza vengono assorbite con maggiore facilità. Un conseguenza spettacolare di tale fatto è la modifica timbro dell'onda sonora emessa da un tuono quando viene percepita da lontano: la sua intensità sonora è debole a causa dell'attenuazione prodotta dalla distanza discussa del paragrafo precedente, ma soprattutto essa suono come un "rombo" costituita com'è da frequenza molto basse, le uniche sopravvissute all'assorbimento atmosferico.
- Dispersione L'aria ha un'altra gradevole proprietà oltre a quella di essere respirabile. Essa è un mezzo sostanzialmente non dispersivo rispetto ai suoni di frequenza udibile. Con questo si intende che tutti i suoni udibili viaggiano in aria con la stessa velocità qualunque sia la loro frequenza. Si tratta di una proprietà importantissima, perché garantisce che le onde sonore mantengano la loro forma durante la propagazione, e permette la comunicazione "a voce". Se infatti il suono cambiasse forma, per esempio, una "a" emessa dal parlante potrebbe trasformarsi in una "u" durante il viaggio, e come tale venire ricevuta dall'ascoltatore, con l'evidente insorgere di problemi per la comunicazione. L'anidride carbonica, invece, è un mezzo dispersivo rispetto al suono, e questo dimostra che i nostri calcoli sulla velocità vanno un po' raffinati. Tuttavia l'effetto è osservabile solo a frequenze ultrasoniche, e quindi non influisce sulle comunicazioni udibili. Lasciamo per ora la discussione sulla dispersione ad una apposita pagina (dispersione), ma essa ricomparirà nei paragrafi successivi a proposito dell'acqua.
- la presenza di un ostacolo non è di per sè condizione sufficiente a garantire la presenza di un apprezzabile fenomeno di riflessione sonora. Per il verificarsi della riflessione, gioca un ruolo fondamentale la dimensione relativa dell'ostacolo rispetto alla lunghezza d'onda dell'onda sonora: il fenomeno della riflessione è significativo solo se la dimensione dell'ostacolo è molto maggiore della lunghezza d'onda dell'onda sonora che incide su di esso. Ovviamente nel caso in cui l'ostacolo circondi completamente la sorgente sonora (si pensi ad esempio alle pareti di una sala da concerto, all'interno della quale sta suonando un'orchestra) è ovvio che il fenomeno della riflessione è importante (è come se l'ostacolo avesse dimensioni enormi rispetto alla lunghezza d'onda dell'onda sonora) e dipende ovviamente dalle proprietà di riflessione (e complementariamente di assorbimento) del materiale di cui sono fatte le pareti. Nella progettazione di ambienti aventi determinate caratteristiche acustiche è della massima importanza tener conto del fenomeno della riflessione (anche multipla) che il suono subisce a causa della presenza delle pareti. Non si deve pensare che il problema possa essere semplicemente risolto cercando di limitare (tramite materiali fonoassorbenti) il fenomeno della riflessione: l'effetto inimitabile, anche dai più fedeli apparecchi di riproduzione, che crea la "musica dal vivo" è in larga parte dovuto alla presenza di riflessioni "controllate" che arricchiscono il suono che ci proviene direttamente dagli strumenti degli esecutori.
- Lo stesso Newton utilizzò il fenomeno dell'eco per una prima determinazione della velocità del suono: egli ottenne misure incredibilmente precise (entro l'1% del valore noto oggi) utilizzando il porticato della Neville's Court nel Trinity College, Cambridge, dove aveva studiato, lungo ben 65 metri (v. fotografia qui a fianco). Osserva che il tempo che Newton dovette misurare era comunque inferiore al secondo (visita la pagina velocità del suono se vuoi sapere come risolse il problema il genio, non solo teorico, di Newton).
- La parola SONAR, entrata ormai a far parte del vocabolario d’uso comune, è l'acronimo dell'espressione SO.N.A.R, ossia SOund Navigation And Ranging (navigazione e localizzazione tramite il suono). Già il nome rivela di per sé come tale dispositivo utilizzi il fenomeno della riflessione delle onde sonore (si tenga presente che le onde sonore sono in grado di propagarsi in acqua anche per chilometri, alla velocità di circa 1500m/sec); come esso venga impiegato a bordo delle imbarcazioni e dei sottomarini per individuare il fondale o corpi immersi (come banchi di pesci, altre imbarcazioni e sottomarini). I SONAR possono essere passivi o attivi. Nel primo caso, essi sono usati per identificare la presenza di particolari fonti sonore, essendo nella pratica semplici ‘orecchi’ in ascolto dei suoni che si propagano sott’acqua. Sono i sonar attivi, invece, che sfruttano appieno il fenomeno della riflessione sonora descritto in precedenza: essi sono costituiti da dispositivi di trasmissione/ricezione di impulsi sonori (anche ultrasonici) e da misuratori del "tempo di volo" (cioè del tempo di andata e ritorno) dell'onda sonora riflessa. Ovviamente essendo dispositivi elettronici, tali misuratori possono avere un potere separatore tra due suoni successivi molto minore dei limiti imposti dalla fisiologia dell'apparato uditivo dell'uomo e consentire la localizzazione di ostacoli anche molto vicini. La tecnica SONAR oggigiorno si è "emancipata" dalla sua origine nautica e viene impiegata in tutti i dispositivi che utilizzano sensori ad ultrasuoni: nei robot mobili che devono essere capaci di muoversi in un ambiente in modo autonomo ed in sicurezza. Per far ciò essi sono appunto dotati (accanto ad altri sistemi come scanner LASER e a raggi infrarossi) di sensori ad ultrasuoni (tipicamente di frequenza pari a 40khZ, ben superiore al limite delle frequenze udibili di 20 KHz) in grado di localizzare eventuali ostacoli nell'ambiente che potrebbero intralciare il cammino dei robot stessi. Le possibili fonti di errore del metodo SONAR nella misurazione delle distanze possono essere dovuti: a) ad un'imprecisa valutazione della velocità di propagazione del suono in aria (che dipende, seppur debolmente, dalle condizioni di temperatura e di umidità dell'aria); b) alla natura dell'oggetto che riflette l'onda sonora (ad esempio se è fatto di materiale "fonoassorbente" o presenta una superficie scabra che può dar luogo al fenomeno della riflessione diffusa), alla sua inclinazione rispetto alla direzione di propagazione dell'onda sonora incidente (che può compromettere la sensibilità del ricevitore a cui arriva solo una minima frazione dell'onda riflessa). Tali errori, a meno di lavorare in condizioni ambientali estreme, sono comunque, su piccole distanze, più che accettabili: ne è prova il fatto che esistono già in commercio robot mobili che utilizzato i sensori ad ultrasuoni, utilizzati per il trasporto di materiale in ambienti ampi e poco arredati (i lunghi corridoi di un ospedale poco frequentato) o addirittura come guide da museo. telecomandi per elettrodomestici con sensori ultrasonici; interrutori di vicinanza (ad esempio nei cancelli automatici); sistemi di misurazione del livello del liquido in cisterne inaccessibili o in pozzi profondi; dispositivi montati sul paraurti delle automobili come dispositivi di aiuto per il parcheggio.
- Anche l'ecografia sfrutta il fenomeno della riflessione delle onde sonore. In questo caso visto le dimensioni minime dei dettagli da visualizzare tramite ecografia, devono essere usati ultrasuoni di lunghezza d'onda molto piccola (cioè di frequenza elevatissima). In effetti nelle tecniche ecografiche vengono impiegati ultrasuoni di altissima frequenza (da 1 MHz a 10 MHz, generati da cristalli di quarzo in grado di vibrare anche milioni di volte in un secondo). Le esigenze di avere un elevato potere risolutivo (cioè la possibilità di discriminare come distinti oggetti molto vicini) assicurato dall'uso di onde ad elevata frequenza si scontra però con il fatto che tali onde hanno una minor capacità di penetrazione nei tessuti (onde ad elevate frequenza vengono assorbite, in generale, con più rapidità). La scelta del "range" di frequenze ecografiche deve quindi contemperare queste due opposte esigenze. La tecnica ecografica si basa sulla diversa capacità di riflettere le onde sonore che sostanze di diversa densità e composizione chimica: direzionando le sonda ecografica sulle parti da studiare secondo diverse angolature ed analizzando, molte volte al secondo, le onde riflesse si riescono ad ottenere informazioni, tradotte poi in immagini, che rielaborate in sequenza generano addirittura un fimato. L'utilizzo più largamente conosciuto dell'ecografia è quello che consente di vedere un feto muoversi nel grembo materno. L'esame ecografico è operatore-dipendente nel senso che il suo corretto esito è vincolato alla capacità di un operatore adeguatamente istruito di decodificare le immagini ecografiche. Un'ultima osservazione: chi ha effettuato un'ecografia sa che prima di venire esposta alle onde sonore la "pelle" al di sopra della parte da esplorare viene cosparsa di "gel": tale sostanza funge da adattatore di impedenza tra la sonda ecografica e gli organi interni: essa modifiche le proprietà riflettenti della pelle modificandone l'impedenza alle onde sonore e rendendola praticamente "trasparente" alle onde ultrasoniche.
- l'ecografia viene utilizzata assieme alla tecnica Doppler la quale permette anche la visualizzazione delle parti in movimento (in questo caso il flusso del sangue). Tale tecnica si basa sullo spostamento in frequenza che subiscono le onde riflesse da corpi in movimento; tale spostamento dipende dalla velocità del corpo riflettente e quindi fornisce una "mappatura" delle diverse velocità del flusso sanguigno nei vari punti della sezione del vaso. Gli aspetti quantitativi di tale spostamento in frequenza sono ben descritti nelle pagine relative all'effetto Doppler. Nell'immagine a lato le parti "biancastre" rappresentano il vaso sanguigno; in rosso è stato colorato il flusso sanguigno. Esistono tecniche di visualizzazione (utilizzate nell'esame denominato Eco-color Doppler) più raffinate che associano alle diverse velocità del flusso sanguigno un colore diverso.
- Nei due paragrafi precedenti abbiamo esaminato la rifrazione del suono separatamente nei due mezzi aria e acqua, dovuta, per lo più, alla presenza di gradienti termici. Ora ci chiediamo: che cosa accade quando un suono che è generato in aria colpisce la superficie dell'acqua? O viceversa, che ne è dei suoni prodotti in acqua: sono udibili anche all'esterno? Sapppiamo che la velocità del suono è molto maggiore in acqua che in aria (di circa 200 volte), quindi è logico attendersi che le onde sonore si comportino, al passaggio tra aria e acqua, all'opposto di quanto fanno le onde luminose. Cioè le onde luminose tendono ad avvicinarsi alla normale, mentre le onde sonore tenderanno ad allontanarsene. L'analogia è corretta, ma il calcolo preciso porta ad una conclusione qualitativamente molto differente! Infatti, bisogna tenere presente che i due fluidi differiscono anche per la densità: quella dell'acqua è circa 1000 volte superiore a quella dell'aria. Questo fatto fa sì che sia estremamente difficile trasferire energia elastica dall'aria all'acqua e viceversa tramite le onde sonore. Si dice che le impedenze dei due mezzi non sono adattate. Il nostro apparato uditivo è, in pratica, un meraviglioso sistema per adattare l'impedenza e trasferire l'energia delle onde sonore al liquido della coclea. Quindi, quando un suono si produce in aria e colpisce l'acqua, o viceversa, accade che l'onda sia praticamente completamente riflessa (vedi sia riflessione sia rifrazione) ! Un fenomeno simile si ha per la luce al di sotto dell'angolo limite per la riflessione totale. Tale angolo, per un suono generato in aria e inviato verso la superficie dell'acqua vale solo 13º. Anche al di sotto di questo angolo la trasmissione è debolissima. Non è quindi possibile spaventare i pesci gridando da fuori dell'acqua! Diversa è la situazione se stiamo con i piedi nell'acqua, perché allora il nostro corpo funge da adattatore di impedenza, e può trasmettere parte delle vibrazioni (ma non ho dati quantitativi disponibili in merito)
- Si dice che le impedenze dei due mezzi non sono adattate. Il nostro apparato uditivo è, in pratica, un meraviglioso sistema per adattare l'impedenza e trasferire l'energia delle onde sonore al liquido della coclea. Quindi, quando un suono si produce in aria e colpisce l'acqua, o viceversa, accade che l'onda sia praticamente completamente riflessa (vedi sia riflessione sia rifrazione) ! Un fenomeno simile si ha per la luce al di sotto dell'angolo limite per la riflessione totale. Tale angolo, per un suono generato in aria e inviato verso la superficie dell'acqua vale solo 13º. Anche al di sotto di questo angolo la trasmissione è debolissima. Non è quindi possibile spaventare i pesci gridando da fuori dell'acqua! Diversa è la situazione se stiamo con i piedi nell'acqua, perché allora il nostro corpo funge da adattatore di impedenza, e può trasmettere parte delle vibrazioni (ma non ho dati quantitativi disponibili in merito)
- La conclusione che abbiamo tratto nel caso di passaggio delle onde sonore tra aria e acqua vale anche quando il suono passa dall'aria al corpo umano, che ha densità simile. Il coefficiente di trasmissione è bassissimo. Un momento, allora come mai l'ecografia funziona? Avete notato che, prima di applicare la sorgente dell'ecografo al paziente l'area di contatto viene cosparsa con un misterioso gel? Bene. Il gel serve ad adattare l'impedenza dell'emettitore di ultrasuoni a quella del corpo umano, consentendo agli ultrasuoni di propagarsi all'interno. Visita questa pagina se vuoi qualche informazione ulteriore sulle tecniche ecografiche.
- un'onda è in grado di passare attraverso una fenditura senza modificare apprezzabilmente la forma dei suoi fronti d'onda se la dimensione della fenditura è molto maggiore della lunghezza d'onda dell'onda. Se vuoi vedere tali effetti visita il nostro laboratorio virtuale Onde 2D eseguendo l'esperienza descritta alla pagina: Passaggio di un'onda da una singola fenditura un'onda è in grado di "aggirare" un ostacolo se le dimensioni dell'ostacolo sono minori (o confrontabili) alla lunghezza d'onda dell'onda incidente. Anche in questo caso visitando il nostro laboratorio virtuale Onde 2D puoi eseguire le esperienze descritte alle pagine Diffrazione prodotta da un semipiano Diffrazione prodotta da un ostacolo
- Quando un suono viene irradiato da una sorgente (ad esempio un altoparlante) ci accorgiamo subito che è molto più facile individuare la direzione da cui proviene il suono nel caso di suoni acuti (frequenze alte e lunghezze d'onda corte) che nel caso di suoni gravi (frequenze basse e lunghezze d'onde lunghe). Ciò è del tutto coerente con il primo criterio illustrato in precedenza: in questo caso la sorgente è l'altoparlante (anziché la fenditura). Nel primo caso il suono (grave, di elevata lunghezza d'onda) non ha direzionalità precisa (potremmo dire che l'effetto "stereo" è, alle basse frequenze, automatico e non necessita di impianti di diffusione stereofonica). Questo ha una conseguenza importante anche nel caso della voce: essendo la nostra bocca sufficiente piccola rispetto alle frequenze del parlato, i fronti d'onda emessi sono pressoché sferici. Nel secondo caso il suono (acuto, di piccola lunghezza d'onda) conserva la direzione impressagli dalla sorgente (fenditura o altoparlante che sia). E' per tale motivo che la direzione da cui provengono suoni acuti è individuata, dal nostro sistema percettivo, facilmente.
- Capacità di aggirare gli ostacoli da parte del suono Quando un suono incontra un ostacolo, la sua capacità di aggirarlo dipende, come stabilito dal secondo criterio generale precedentemente enunciato, dal rapporto tra la dimensione dell'ostacolo e la lunghezza d'onda del suono. Nel caso del suono potremmo dire, a parità di dimensioni dell'ostacolo, suoni più gravi (di maggior lunghezza d'onda) aggirano più facilmente gli ostacoli Tale fatto ha una serie di importanti conseguenze: i suoni gravi riescono a superare l'ostacolo rappresentato dalla testa di una persona. Ciò fa sì che: se riceviamo un suono grave, come già detto, possiamo essere in difficoltà nella localizzazione della sorgente. Tale suono però è in grado di aggirare la nostra testa è di pervenire ad entrambe le orecchie. Ebbene valutando i tempi di ritardo tra l'arrivo ad un'orecchio e all'altro, il nostro sistema percettivo è in grado di ricavare informazioni riguardo alla localizzazione della sorgente sonora. se ascoltiamo una persona che sta parlando ponendoci alle sue spalle, fatichiamo a comprendere quel che dice. Il fatto è che solo le onde a bassa frequenza riescono ad aggirare la testa di chi parla e a pervenire al nostro orecchio. Questo, come spiegato nella pagina relativa alla voce, rende impossibile il riconoscimento delle frequenze formanti i suoni vocalici. in ogni caso gli ostacoli della vita di tutti giorni (un albero, un muretto, una colonna) hanno dimensioni piccole rispetto a gran parte dei suoni usati nel parlato e nella musica. È per tale motivo che il suono li aggira facilmente! (non accade certo con la luce che ha lunghezze d'onda piccolissime rispetto alla dimensione di un albero: la luce viene arrestata e dietro l'albero si forma quell'ombra nella quale spesso ci siamo trovati a riposare in una giornata assolata).
- The movie at left shows two gaussian wave pulses are travelling on a string, one is moving to the right, the other is moving to the left. They pass through each other without being disturbed, and the net displacement is the sum of the two individual displacements. It should also be mentioned that this string is nondispersive (all frequencies travel at the same speed) since the Gaussian wave pulses do not change their shape as they propagate. If the medium was dispersive, then the waves would change their shape.
- Two waves (with the same amplitude, frequency, and wavelength) are travelling in the same direction on a string. Using the principle of superposition, the resulting string displacement may be written as: (vedi diapositiva). which is a travelling wave whose amplitude depends on the phase (phi). When the two waves are in-phase (phi=0), they interfere constructively and the result has twice the amplitude of the individual waves. When the two waves have opposite-phase (phi=180), they interfere destructively and cancel each other out. The animation at left shows two sinusoidal waves travelling in the same direction. The phase difference between the two waves varies increases with time so that the effects of both constructive and destructive interference may be seen. First of all, notice that the sum wave (in blue) is a travelling wave which moves from left to right. When the two gray waves are in phase the result is large amplitude. When the two gray waves become out of phase the sum wave is zero.
- A travelling wave moves from one place to another, whereas a standing wave appears to stand still, vibrating in place. Two waves (with the same amplitude, frequency, and wavelength) are travelling in opposite directions on a string. Using the principle of superposition, the resulting string displacement may be written as: (vedi diapositiva) This wave is no longer a travelling wave because the position and time dependence have been separated. The displacement of the string as a function of position has an amplitude of 2ymsin kx. This amplitude does not travel along the string, but stands still and oscillates up and down according to cos wt. Characteristic of standing waves are locations with maximum displacement (antinodes) and locations with zero displacement (nodes). The movie at left shows how a standing wave may be created from two travelling waves. If two sinusoidal waves having the same frequency (wavelength) and the same amplitude are travelling in opposite directions in the same medium then, using superposition, the net displacement of the medium is the sum of the two waves. As the movie shows, when the two waves are 180° out-of-phase with each other they cancel, and when they are in-phase with each other they add together. As the two waves pass through each other, the net result alternates between zero and some maximum amplitude. However, this pattern simply oscillates; it does not travel to the right or the left. I have placed two dots on the string, one at an antinode and one at a node. Which is which?
- Two waves of equal amplitude are travelling in the same direction. The two waves have different frequencies and wavelengths, but they both travel with the same wave speed. Using the principle of superposition, the resulting particle displacement may be written as: (vedi diapositiva) This resulting particle motion is the product of two travelling waves. One part is a sine wave which oscillates with the average frequency f = ½(f1 + f2). This is the frequency which is perceived by a listener. The other part is a cosine wave which oscillates with the difference frequency f = ½(f1 - f2). This term controls the amplitude "envelope" of the wave and causes the perception of "beats". The beat frequency is actually twice the difference frequency, fbeat = (f1 - f2). In the movie at left two waves with slightly different frequencies are travelling to the right. The resulting wave travels in the same direction and with the same speed as the two component waves. The "beat" wave oscillates with the average frequency, and its amplitude envelope varies according to the difference frequency.