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L'acustica e il Suono

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L'acustica e il Suono

L'acustica è quel settore della scienza e della tecnica che studia il suono in tutti i suoi aspetti:

- meccanismi di produzione;

- proazione;

- ricezione;

-riproduzione.

A fini tecnici e applicativi è in uso la suddivisione dell'acustica in :

-         elettroacustica;

-         acustica medica e fisiologica;



-         acustica architettonica;

-         acustica musicale.

Il suono è costituito da onde elastiche che possono proarsi in qualunque mezzo solido, liquido o gassoso, ma non nel vuoto.

La proazione fondamentale che accomuna tutte le onde e quindi anche quelle elastiche del suono, riguarda la proazione di queste che non implica mai (indipendentemente dalla natura dell'onda, sia essa luminosa, radio, sismica, sonora, ecc.) un trasporto di materia, ma un trasporto di energia.

Le onde si dividono in MECCANICHE  e ELETTROMAGNETICHE, le prime si definiscono tali quando la perturbazione dell'onda viaggia in un mezzo materiale solido, liquido o gassoso, mentre la materia oscillando su e giù o avanti e indietro non subisce spostamenti rilevanti rispetto alla direzione dell'onda. Tra le onde meccaniche si trovano le onde elastiche. Per generare un'onda elastica c'è bisogno di produrre una perturbazione, e ciò che è in grado di generare un'onda è la sorgente. Le onde elettromagnetiche sono generate invece dalla variazione dei campi elettromagnetici nello spazio e non hanno necessariamente bisogno di un mezzo per proarsi.

Parametri importanti per studiare la proazione delle onde sono:

-         l'ampiezza

-         la frequenza

-         la lunghezza d'onda.

L'ampiezza è definita dall'altezza delle creste e dalla profondità delle valli, dette anche goli, rispetto al LIVELLO NORMALE D'EQUILIBRIO. La frequenza è invece caratterizzata dal numero di creste o cicli completi che in unità di tempo attraversano lo spazio preso in riferimento. La lunghezza d'onda è la distanza tra due creste o valli successive.

Le onde vengono poi classificate in due tipi:

-         trasversali, se ogni punto del sistema ha vibrazioni in direzione perpendicolare a quella di proazione;

-         longitudinali, se le vibrazioni avvengono nella stessa direzione in cui sin proa l'onda.

Le onde elastiche sonore che hanno una frequenza compresa tra 20 Hz e 20000 Hz sono percepite dal nostro orecchio come suoni. Al di fuori di questa gamma di frequenze le vibrazioni non sono udibili dall'orecchio umano. Se la frequenza è inferiore a 20 Hz i suoni sono detti INFRASUONI dei quali sono un esempio le onde sismiche. Le frequenze superiori a 20000 Hz comprendono gli ultrasuoni.

Il suono come tutte le onde elastiche ha bisogno di energia per produrre delle vibrazioni e di un mezzo in cui proarsi. Generalmente il mezzo elastico è l'aria, ma può essere anche un solido o un liquido, in cui la velocità di proazione è però maggiore.

C'è una facilissima esperienza che ci fa capire che il suono non riesce a proarsi nel vuoto, infatti un campanello sotto una campana di vetro in cui è stato fatto il vuoto non suona.

Il suono si può distinguere in puro  o complesso. È puro quando la densità, la pressione e la posizione delle particelle del mezzo variano secondo una sinusoide , se variano invece secondo una legge periodica si dice complesso. Se l'onda varia in modo irregolare, con andamento né sinusoidale, né periodico… dal nostro orecchio è percepito come un rumore.



Un celebre teorema sull'analisi matematica, chiamato 'teorema di Fournier' dimostra che una qualunque onda può essere considerata costituita dalla sovrapposizione di tante onde sinusoidali con frequenze multiple intere della frequenza dell'onda data. Queste onde sinusoidali, di cui qualunque suono può essere costituito prendono il nome di ARMONICHE, quella con frequenza pari a quella dell'onda è detta fondamentale o primo armonico, le altre costituiscono gli armonici superiori.

L'ampiezza delle varie armoniche presenti in un suono dipende dalla forma della sua onda. Ne segue che le principali caratteristiche descrittive di un suono sono:

-         l'intensità;

-         l'altezza;

-         il timbro.

È importante sottolineare che queste caratteristiche possono non essere oggettive, ma soggettive per cui due persone possono percepire lo stesso suono in maniera diversa.

L'altezza è la caratteristica principale che permette di distinguere toni acuti (alti) da toni gravi (bassi) ed è quantitativamente espressa dalla frequenza del suono se questo è puro, dalla frequenza dell'armonica fondamentale se è complesso. Più è levata la frequenza di vibrazioni della sorgente sonora e quindi dell'onda più il suono è acuto.

L'ascolto di due o  più suoni può dare sensazioni più o meno gradevoli (accordo o consonanza) oppure sgradevoli (disaccordo o dissonanza). Ciò dipende dal rapporto tra le frequenze dei due suoni (INTERVALLO), più è semplice più la sensazione è gradevole. Questo fenomeno è molto evidente quando i due suoni hanno la stessa frequenza: UNISONO. Per alcune esigenze musicali è nata la scala in DO Maggiore dove è fissato come suono fondamentale appunto il DO con frequenza di 204 HZ   e raccoglie i suoni che hanno un rapporto semplice col DO.

L'intensità è la proprietà che permette di distinguere un suono forte da uno debole. Può essere definita come la quantità d'energia che in un'unità di tempo attraversa l'unità di superficie che è disposta normalmente alla direzione di proazione.  Perciò è

I  = E/St      che poi diventa      I = P/S 

dove P è la potenza d'uscita e si misura quindi in W/m2

a volte è chiamata FLUSSO DI ENERGIA ed è indicata col simbolo

in un'ipotesi di proazione libera, dove non c'è perdita d'energia per assorbimento, l'intensità del suono è inversamente proporzionale al quadrato della distanza dalla sorgente. Ciò significa che più ci si allontana dalla sorgente più il suono si affievolisce.

L'intensità minima che un suono deve avere per poter essere udito dall'orecchio umano è detta SOGLIA DI UDIBILITA',  e a misura di questa sensazione sonora di una certa intensità si assume il LIVELLO SONORO, che viene espresso in DECIBEL.

Il timbro è la proprietà che distingue i suoni emessi da sorgenti diverse, anche se hanno la stessa intensità e la stessa frequenza. La differenza di timbro di due suoni apparentemente simili è dovuta al fatto che i suoni in genere non sono mai semplici ma hanno, oltre al suono fondamentale che ne fissa la frequenza, una varietà di armoniche con una propria frequenza (sempre legata al teorema di Fourier) e una propria ampiezza che fanno variare le vibrazioni e quindi il timbro.

Considerando una sorgente sonora e un osservatore si arriva alla deduzione dell'EFFETTO DOPPLER. Studia infatti la variazione di frequenza del segnale emesso da una sorgente sonora in moto verso chi ascolta o viceversa. È stato enunciato dal fisico austriaco ottocentesco Crhistian Doppler di cui porta il nome. Si può notare per esempio nel fischio di una locomotiva che si avvicina o si allontana. Quando la sorgente del suono si muova con velocità v verso l'ascoltatore, la frequenza Y' che questi percepisce viene aumentata rispetto a quella Y che egli udirebbe se fosse ferma. Detta V la velocità di proazione del suono stesso si ha:




Se invece l'ascoltatore si allontana la formula precedente è caratterizzata dal segno meno:

perciò si può scrivere la formula generale

Se la sorgente è in moto, sicuramente la lunghezza d'onda dipende dal tipo di moto di cui si muove la sorgente.

Gli ULTASUONI  sono le onde elastiche che hanno una frequenza più elevata del limite di udibilità dell'orecchio umano. Hanno infatti di solito una frequenza tra i 20 x 10 Hz e si differenziano parecchio dai suoni sia perché a causa dell'altissima frequenza si proano per fasci rettilinei (come nell'ottica) sia perché si possono concentrare con grande energia come le onde elettromagnetiche.

Attualmente la produzione di ultrasuoni è effettuata per mezzo di trasduttori piezoelettrici a quarzo. Le massime frequenze raggiunte sono sui 10 -l0  Hz a cui corrispondono delle lunghezza d'onda sull'ordine delle radiazioni luminose. Gli ultrasuoni si proano in un mezzo con le stesse leggi che regola ìno la trasmissione delle onde sonore.

Le ONDE SUPERSONICHE  sono quelle che si generano quando un qualsiasi mezzo come un aereo supera la velocità del suono o la eguaglia. Se le due velocità sono uguali si forma un'onda d'urto che accomna il veicolo. Se quest'onda d'urto dovesse investire un osservatore, questo sentirebbe un intenso rumore (BANG) che indica che qualcuno sta superando il MURO DEL SUONO.

 Se invece la velocità dell'aereo è superiore a quella del suono, si forma un cono di compressione in cui la pressione è notevolmente alta per cui può anche essere dannoso.

Il suono è un'onda elastica e come questa è soggetto al fenomeno di riflessione  che costituisce qui  RIMBOMBO ed ECO.

La differenza tra questi due importanti fenomeni sta nel tempo che il suono impiega a tornare indietro dopo essersi scontrato con un ostacolo (parete, muri, rocce, ecc…). Se è meno di 1/10 di secondo si ha il rimbombo che è una specie di sovrapposizione, percepita con un suono più intenso, rinforzato ma un po’ sfumato. Se invece il tempo che impiega l'onda sonora per tornare indietro è maggiore di 1/10 di s si ha il fenomeno dell'eco. Se indichiamo con d la velocità di proazione si ha        2d= v  t  dove v sarà la velocità del suono 340Km/h e t sarà 0.1 s. da ciò si deduce che a temperatura ambiente la distanza sarà uguale a 17 m, il minimo che ci deve essere tra l'uomo e la parete per esserci un eco.

Due onde possono interferire tra loro se si proano nello steso mezzo. Possono generare così due fenomeni d'interferenza:

-         costruttiva se il valore assoluto della distanza tra le due sorgenti dei suoni è un multiplo intero della lunghezza d 'onda per cui le vibrazioni si rafforzano.

-         Distruttiva se il valore assoluto della distanza è uguale a un multiplo dispari della metà della lunghezza d'onda. Perciò si avrà una diminuzione delle vibrazioni.

Se due onde che interferiscono non hanno la stessa frequenza si generano i BATTIMENTI, caratterizzato da un suono di intensità variabile che raggiunge un valore massimo tante volte in un secondo quant'è la differenza delle frequenze delle onde emesse dalle due sorgenti.         






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