SUONO: STORIA, CARATTERISTICHE, COME VIENE PRODOTTO, TIPOLOGIE - FISICO - 2026

Il suono è definito come una perturbazione alla propagazione in un mezzo come l'aria, alternativamente produce in esso compressioni ed espansioni. Questi cambiamenti nella pressione e nella densità dell'aria raggiungono l'orecchio e sono interpretati dal cervello come sensazioni uditive.

I suoni hanno accompagnato la vita sin dal suo inizio, formando parte degli strumenti che gli animali hanno per comunicare tra loro e con il loro ambiente. Alcuni sostengono che anche le piante ascoltino, ma comunque potrebbero percepire le vibrazioni dell'ambiente anche se non hanno un dispositivo uditivo come gli animali superiori.

Figura 1. Rottura della barriera del suono

Oltre a usare il suono per comunicare attraverso la parola, le persone lo usano come espressione artistica attraverso la musica. Tutte le culture, antiche e recenti, hanno manifestazioni musicali di ogni tipo, attraverso le quali raccontano le loro storie, costumi, credenze religiose e sentimenti.

Storia

Data la sua importanza, l'umanità si interessò allo studio della sua natura e creò l'acustica, una branca della fisica dedicata alle proprietà e al comportamento delle onde sonore.

È noto che il famoso matematico Pitagora (569-475 a.C.) trascorse molto tempo a studiare le differenze di altezza (frequenza) tra i suoni. D'altra parte, Aristotele, che speculava su tutti gli aspetti della natura, affermava correttamente che il suono consisteva in espansioni e compressioni nell'aria.

Successivamente il famoso ingegnere romano Vitruvio (80-15 aC) scrisse un trattato sull'acustica e le sue applicazioni nella costruzione di teatri. Lo stesso Isaac Newton (1642-1727) studiò la propagazione del suono in mezzi solidi e determinò una formula per la sua velocità di propagazione.

Gli strumenti matematici di calcolo hanno permesso nel tempo di esprimere adeguatamente tutta la complessità del comportamento ondoso.

Caratteristiche del suono (proprietà)

Nella sua forma più semplice, un'onda sonora può essere descritta come un'onda sinusoidale, che si propaga nel tempo e nello spazio, come quella mostrata in figura 2. Qui si osserva che l'onda è periodica, cioè ha un un modo che si ripete nel tempo.

Essendo un'onda longitudinale, la direzione di propagazione e la direzione in cui si muovono le particelle del mezzo vibrante sono le stesse.

Parametri delle onde sonore

Figura 2. Il suono è un'onda longitudinale, il disturbo si propaga nella stessa direzione in cui le molecole subiscono il loro spostamento. Fonte: Wikimedia Commons.

I parametri di un'onda sonora sono:

Periodo T: è il tempo necessario per ripetere una fase dell'onda. Nel Sistema Internazionale si misura in secondi.

Ciclo : è la parte dell'onda contenuta nel periodo e copre da un punto all'altro che ha la stessa altezza e la stessa pendenza. Può essere da una valle all'altra, da una cresta all'altra, o da un punto all'altro che soddisfa le specifiche descritte.

Lunghezza d'onda λ : è la distanza tra una cresta e l'altra dell'onda, tra una valle e l'altra, o in generale tra un punto e l'altro di uguale altezza e pendenza. Essendo una lunghezza si misura in metri, anche se altre unità sono più appropriate a seconda del tipo di onda.

Frequenza f : è definita come il numero di cicli per unità di tempo. La sua unità è l'Hertz (Hz).

Ampiezza A: corrisponde all'altezza massima dell'onda rispetto all'asse orizzontale.

Come viene prodotto e propagato il suono?

Il suono viene prodotto quando un oggetto che è immerso in un mezzo materiale viene fatto vibrare, come mostrato nella parte inferiore della Figura 2. La membrana tesa dell'altoparlante a sinistra vibra e trasmette il disturbo attraverso l'aria finché raggiunge l'ascoltatore.

Man mano che il disturbo si diffonde, l'energia viene trasmessa alle molecole presenti nell'ambiente, che interagiscono tra loro, attraverso espansioni e compressioni. Hai sempre bisogno di un mezzo materiale per la propagazione del suono, sia esso solido, liquido o gassoso.

Quando il disturbo nell'aria raggiunge l'orecchio, le variazioni della pressione dell'aria fanno vibrare il timpano. Ciò dà origine a impulsi elettrici che vengono trasmessi al cervello attraverso il nervo uditivo e una volta lì gli impulsi vengono tradotti in suono.

Velocità del suono

La velocità delle onde meccaniche in un dato mezzo segue questa relazione:

Ad esempio, quando si propaga in un gas come l'aria, la velocità del suono può essere calcolata come:

All'aumentare della temperatura, aumenta anche la velocità del suono, poiché le molecole nel mezzo sono più disposte a vibrare e trasmettere la vibrazione attraverso i loro movimenti. La pressione, invece, non influisce sul suo valore.

Relazione tra lunghezza d'onda e frequenza

Abbiamo già visto che il tempo impiegato dall'onda per completare un ciclo è il periodo, mentre la distanza percorsa in quel periodo di tempo è pari a una lunghezza d'onda. Pertanto la velocità v del suono è definita come:

Da parte loro, la frequenza e il periodo sono correlati, l'uno è l'inverso dell'altro, in questo modo:

Il quale conduce a:

La gamma di frequenze udibili nell'uomo è compresa tra 20 e 20.000 Hz, quindi la lunghezza d'onda del suono è compresa tra 1,7 cm e 17 m quando si sostituiscono i valori nell'equazione di cui sopra.

Queste lunghezze d'onda sono le dimensioni di oggetti comuni, che influenzano la propagazione del suono, poiché essendo un'onda, sperimenta riflessione, rifrazione e diffrazione quando incontra ostacoli.

Sperimentare la diffrazione significa che il suono viene influenzato quando incontra ostacoli e aperture di dimensioni vicine o inferiori alla sua lunghezza d'onda.

I suoni bassi possono diffondersi meglio su lunghe distanze, motivo per cui gli elefanti usano gli infrasuoni (suoni a frequenza molto bassa, non udibili dall'orecchio umano) per comunicare attraverso i loro vasti territori.

Anche quando c'è musica in una stanza vicina, i bassi si sentono meglio degli acuti, perché la sua lunghezza d'onda è circa la dimensione di porte e finestre. D'altra parte, quando si lascia la stanza, i suoni acuti si perdono facilmente e quindi smettono di essere ascoltati.

Come viene misurato il suono?

Il suono è costituito da una serie di compressioni e rarefazioni dell'aria, in modo tale che mentre si propaga, il suono provoca aumenti e diminuzioni di pressione. Nel Sistema Internazionale, la pressione è misurata in pascal, che è abbreviato Pa.

Quello che succede è che questi cambiamenti sono molto piccoli rispetto alla pressione atmosferica, che vale circa 101.000 Pa.

Anche i suoni più forti producono fluttuazioni di appena 20-30 Pa (soglia del dolore), una quantità piuttosto piccola in confronto. Ma se puoi misurare questi cambiamenti, allora hai un modo per misurare il suono.

La pressione sonora è la differenza tra la pressione atmosferica con suono e la pressione atmosferica senza suono. Come abbiamo detto, i suoni più forti producono pressioni sonore di 20 Pa, mentre i più deboli provocano circa 0.00002 Pa (soglia sonora).

Poiché la gamma delle pressioni sonore si estende su diverse potenze di 10, per indicarle dovrebbe essere utilizzata una scala logaritmica.

D'altra parte, sperimentalmente è stato determinato che le persone percepiscono i cambiamenti nei suoni a bassa intensità in modo più evidente rispetto ai cambiamenti della stessa grandezza ma in suoni intensi.

Ad esempio, se la pressione sonora aumenta di 1, 2, 4, 8, 16…, l'orecchio percepisce aumenti di 1, 2, 3, 4… di intensità. Per questo motivo è conveniente definire una nuova grandezza denominata livello di pressione sonora (Sound Pressure Level) L _P , definita come:

Dove P _o è la pressione di riferimento che viene presa come soglia uditiva e P ₁ è la pressione effettiva media o RMS. Questo RMS o pressione media è ciò che l'orecchio percepisce come l'energia media del segnale sonoro.

Decibel

Il risultato dell'espressione precedente per L _P , quando valutato per vari valori di P ₁ , è dato in decibel, una quantità adimensionale. Esprimere il livello di pressione sonora in questo modo è molto comodo, perché i logaritmi convertono numeri grandi in numeri più piccoli e più gestibili.

Tuttavia, in molti casi si preferisce utilizzare l'intensità del suono per determinare i decibel, piuttosto che la pressione sonora.

L'intensità del suono è l'energia che scorre per un secondo (potenza) attraverso una superficie unitaria orientata perpendicolarmente alla direzione in cui si propaga l'onda. Come la pressione sonora, è una quantità scalare ed è indicata con I. Le unità di I sono W / m ² , cioè potenza per unità di area.

Si può dimostrare che l'intensità del suono è proporzionale al quadrato della pressione sonora:

In questa espressione, ρ è la densità del mezzo ec è la velocità del suono. Quindi il livello di intensità sonora L _I è definito come:

Che è anche espresso in decibel e talvolta è indicato dalla lettera greca β. Il valore di riferimento I _o è 1 x ^10-12 W / m ² . Pertanto, 0 dB rappresenta il limite inferiore dell'udito umano, mentre la soglia del dolore è 120 dB.

Trattandosi di una scala logaritmica, va sottolineato che piccole differenze nel numero di decibel fanno una grande differenza in termini di intensità sonora.

Il fonometro

Un fonometro o decibelmetro è un dispositivo utilizzato per misurare la pressione sonora, indicando la misura in decibel. È progettato per rispondere allo stesso modo in cui farebbe l'orecchio umano.

Figura 3. Il fonometro o decibelmetro viene utilizzato per misurare il livello di pressione sonora. Fonte: Wikimedia Commons.

Consiste in un microfono per raccogliere il segnale, più circuiti con amplificatori e filtri, che hanno il compito di trasformare adeguatamente questo segnale in una corrente elettrica, e infine una scala o uno schermo per mostrare il risultato della lettura.

Sono ampiamente utilizzati per determinare l'impatto che determinati rumori hanno sulle persone e sull'ambiente. Ad esempio rumori in fabbriche, industrie, aeroporti, rumore del traffico e molti altri.

Tipi di suono (infrasuoni, ultrasuoni, mono, stereo, polifonici, omofonici, bassi, acuti)

Il suono è caratterizzato dalla sua frequenza. Secondo quelli che l'orecchio umano è in grado di catturare, tutti i suoni sono classificati in tre categorie: quelli che possiamo sentire o lo spettro udibile, quelli che hanno una frequenza inferiore al limite inferiore dello spettro udibile o infrasuoni e quelli che sono al di sopra dello spettro udibile. limite superiore, chiamato ultrasuoni.

In ogni caso, poiché le onde sonore possono sovrapporsi linearmente, i suoni quotidiani, che a volte interpretiamo come unici, sono in realtà costituiti da suoni diversi con frequenze diverse ma vicine.

Figura 4. Spettro sonoro e gamme di frequenza. Fonte: Wikimedia Commons.

Spettro udibile

L'orecchio umano è progettato per captare un'ampia gamma di frequenze: tra 20 e 20.000 Hz. Ma non tutte le frequenze in questa gamma vengono percepite con la stessa intensità.

L'orecchio è più sensibile nella banda di frequenza compresa tra 500 e 6.000 Hz. Tuttavia, ci sono altri fattori che influenzano la capacità di percepire il suono, come l'età.

Infrasuono

Sono suoni la cui frequenza è inferiore a 20 Hz, ma il fatto che gli esseri umani non possano sentirli non significa che altri animali non possano. Ad esempio, gli elefanti li usano per comunicare, poiché gli infrasuoni possono percorrere lunghe distanze.

Altri animali, come la tigre, li usano per stordire la preda. Infrasound viene utilizzato anche per il rilevamento di oggetti di grandi dimensioni.

Ultrasuoni

Hanno frequenze superiori a 20.000 Hz e sono ampiamente utilizzati in molti campi. Uno degli usi più notevoli degli ultrasuoni è come strumento di medicina, sia diagnostica che terapeutica. Le immagini ottenute con gli ultrasuoni non sono invasive e non utilizzano radiazioni ionizzanti.

Gli ultrasuoni vengono utilizzati anche per trovare guasti nelle strutture, determinare le distanze, rilevare ostacoli durante la navigazione e altro ancora. Anche gli animali fanno uso degli ultrasuoni, ed è proprio così che ne è stata scoperta l'esistenza.

I pipistrelli emettono impulsi sonori e quindi interpretano l'eco che producono per stimare le distanze e localizzare le prede. Da parte loro, i cani possono anche sentire gli ultrasuoni ed è per questo che rispondono al fischio del cane che il loro proprietario non può sentire.

Suono monofonico e suono stereofonico

Figura 4. In uno studio di registrazione, il suono viene opportunamente modificato da dispositivi elettronici. Fonte: Pixabay.

Il suono monofonico è un segnale registrato con un singolo microfono o canale audio. Quando si ascolta con le cuffie o con le trombe, entrambe le orecchie sentono esattamente la stessa cosa. Al contrario, il suono stereofonico registra i segnali con due microfoni indipendenti.

I microfoni si trovano in posizioni diverse in modo che possano captare diverse pressioni sonore di ciò che si desidera registrare.

Quindi ogni orecchio riceve uno di questi set di segnali e quando il cervello li raccoglie e li interpreta, il risultato è molto più realistico rispetto all'ascolto di suoni monofonici. È quindi il metodo preferito quando si tratta di musica e film, sebbene il suono monofonico o monofonico sia ancora utilizzato in radio, soprattutto per interviste e conversazioni.

Omofonia e polifonia

Musicalmente parlando, l'omofonia consiste nella stessa melodia suonata da due o più voci o strumenti. D'altra parte, nella polifonia ci sono due o più voci o strumenti di uguale importanza che seguono melodie e anche ritmi diversi. L'insieme risultante di questi suoni è armonioso, come la musica di Bach.

Suoni bassi e acuti

L'orecchio umano discrimina le frequenze udibili come alte, basse o medie. Questo è ciò che è noto come l'altezza del suono.

Le frequenze più alte, comprese tra 1600 e 20.000 Hz, sono considerate suoni acuti, la banda tra 400 e 1600 Hz corrisponde a suoni con tono medio e, infine, le frequenze comprese tra 20 e 400 Hz sono i toni bassi.

I suoni bassi differiscono dagli alti in quanto i primi sono percepiti come profondi, scuri e tonanti, mentre i secondi sono chiari, chiari, felici e penetranti. Inoltre, l'orecchio li interpreta come più intensi, a differenza dei suoni bassi, che producono la sensazione di minore intensità.

Riferimenti

1. Figueroa, D. 2005. Waves and Quantum Physics. Serie: Fisica per la scienza e l'ingegneria. A cura di D. Figueroa.
2. Giancoli, D. 2006. Fisica: principi con applicazioni. 6 °. Ed Prentice Hall.
3. Rocamora, A. Note sull'acustica musicale. Estratto da: eumus.edu.uy.
4. Serway, R., Jewett, J. (2008). Fisica per la scienza e l'ingegneria. Volume 1. 7th. Ed. Cengage Learning.
5. Wikipedia. Acustica. Estratto da: es.wikipedia.org.