Domande generali

Da "Fisica, onde Musica": un sito web su fisica delle onde e del suono, acustica degli strumenti musicali, scale musicali, armonia e musica.

Qual è la differenza tra suono e rumore?

  • Risposta breve, ma un po' semplicistica: Il suono è caratterizzato da un'onda periodica nel tempo, mentre il rumore da un'onda irregolare e disordinata.
  • La vera risposta è lunga perché i concetti di suono e rumore non dipendono solo dalle caratteristiche oggettive dell'onda sonora percepita, ma anche dal soggetto che percepisce. Dipendono cioè dall'interazione tra l'onda e il sistema percettivo che li coglie, trasforma e analizza. Ogni risposta che indichi un solo parametro fisico che caratterizza l'onda indipendentemente dal sistema percettivo è irrimediabilmente imprecisa.

Perché si parla di principio di sovrapposizione delle onde, e non di legge di sovrapposizione?

"Sovrapposizione" è la proprietà fisica delle onde che, matematicamente, corrisponde alla somma algebrica delle funzioni d'onda. Per esempio, date due onde del mare ψ1 e ψ2, la loro somma algebrica sarà una terza onda ψ3, la cui altezza è data, punto per punto, dalla somma delle altezza sul pelo dell'acqua delle due onde.

\psi _{3}=\psi _{1}+\psi _{2}.

Fino a qui non abbiamo usato nessuna legge fisica e nessun principio fisico. Abbiamo solo costruito matematicamente un'onda a partire da altre due onde.

Adesso passiamo alla fisica, che ci dice che il moto di un'onda soddisfa una certa legge fisica: l'equazione d'onda. Ciò significa che sia l'onda ψ1, sia l'onda ψ2 soddisfano l'equazione d'onda. Indichiamolo per semplicità così:

F(\psi _{1})=0
F(\psi _{2})=0

Cosa possiamo concludere riguardo all'onda ψ3: anch'essa soddisferà l'equazione d'onda, oppure rimane un oggetto matematico senza alcun contatto con la fisica?

F(\psi _{3})=0???

Nella realtà la risposta è: dipende. Dipende dal tipo di onde, dal regime in cui esse si sovrappongono, dalle possibili interazioni che si verificano tra le onde, ecc. Il che significa che potremmo essere costretti ad usare diverse equazioni d'onda in circostanze diverse.

La realtà è complicata, ma, il cervello umano ama i modelli semplici e potenti, e quindi i fisici hanno subito identificato il caso più semplice, che è anche quello maggiormente diffuso in cui l'onda prodotta dalla sovrapposizione di due onde è ancora un'onda.

F(\psi _{3})=0!!!

Insomma, se questa assunzione è valida, date ψ1 e ψ2, anche ψ3 si comporterà come un'onda, e, viceversa, data ψ3, potremo sempre scomporla in una combinazione di ψ1 e ψ2.

Potente, non è vero?

Tuttavia, siccome questa non è una legge di natura, ma un'assunzione, che va verificata o falsificata di volta in volta, si parla di principio fisico, e non di legge fisica.

Ho letto che la sovrapposizione di due onde sinusoidali in opposizione di fase produce la quiete (le due onde si "cancellano"). Ma allora dove va l'energia di ciascuna delle due onde?

Se il suono è un'onda, è possibile costruire delle "lenti" o degli "specchi" acustici?

Certamente! Tipici esempi di entrambi questi dispositivi si vedono nelle sale da concerto progettati appositamente in funzione di una buona acustica. In queste sale bisogna raggiungere una riverberazione ottimale che permetta, anche in sale di grande capienza, di poter godere della musica non amplificata prodotta da strumenti o voci, senza tuttavia comprometterne l'intelligibilità. Specchi e deflettori (che altro non sono se non pannelli di legno lisci e rigidi di varie forme) sono posti in posizioni in cui il suono va deviato o diffuso in modo da raggiungere anche gli ascoltatori in tutte le posizioni in modo il più uniforme possibile. Effetto opposto hanno i pannelli fonoassorbenti (quei pannelli bucherellati di materiale poroso che assorbono il suono, anziché rifletterlo). Questi sono usati per smorzare riverberi e risonanze indesiderate ad esempio nei cinema, dove la potenza dei diffusori è notevole, rispetto al volume della sala.

Kammermusiksaal.jpg Vele kammermusiksaal.jpg
Kammermusiksaal della Philharmonie di Berlino. L'edificio è stato progettato con una particolare attenzione all'acustica, per essere la sede ufficiale dei Berliner Philharmoniker. Proprio sopra l'area riservata all'orchestra si notano larghi pannelli leggermente curvi somiglianti a vele, che hanno l'effetto di riflettere il suono nel modo più uniforme possibile nell'ambiente circostante. Si noti che il pubblico siede tutt'attorno all'orchestra senza che la percezione del suono proveniente da essa sia sostanzialmente differente. A destra un dettaglio delle vele.

A parte gli specchi acustici curvi (tipicamente quella serie di pannelli che si pongono alle spalle di un complesso quando si esibisce in un teatro), che, proprio perché curvi, hanno un effetto lente, le lenti acustiche propriamente dette sono costituite da strati di materiali sagomati in cui il suono cambia velocità di propagazione, analogamente a quanto avviene nelle lenti ottiche. Esse sono particolarmente usate nei sensori e nei generatori di segnale dei SONAR, e servono per concentrare e amplificare il segnale. Anche nei trasduttori ad ultrasuoni usati ad esempio in campo medico per le ecografie, si usa sfruttare le proprietà delle lenti acustiche per adattare l'impedenza acustica della sonda metallica a quella del corpo umano, per lo più composto di acqua.

Il suono si propaga sempre in linea retta?

  • La risposta è no per tutti i tipi di onde. La propagazione di un'onda dipende dalle caratteristiche del mezzo in cui essa si propaga, e, in particolare, essa è tanto più rettilinea quanto più il mezzo è omogeneo nella regione di spazio in cui l'onda si propaga.
  • In un mezzo omogeneo (quindi senza ostacoli, e con proprietà che non cambiano da un punto all'altro dello spazio), la propagazione delle onde sonore, come di quelle luminose, è rettilinea, ma, in presenza di ostacoli, o cambiamenti di densità o di altre proprietà del mezzo, i fronti d'onda possono incurvarsi. Questo fenomeno è detto "rifrazione".
  • Le onde luminose hanno lunghezze d'onda dell'ordine di mezzo millesimo di millimetrometro, e perciò servono ostacoli molto piccoli per vedere queste deviazioni dalla propagazione rettilinea (si veda la sezione diffrazione). Le onde sonore udibili, invece, hanno lunghezze d'onda dell'ordine del metro, e quindi l'interazione con praticamente tutti gli oggetti quotidiani provoca fenomeni di distorsione dei fronti. Una prova evidente di questo fatto è la capacità del suono di aggirare ostacoli come persone, macchine, a volte edifici.
  • Vedi anche le sezioni diffrazione e diffrazione del suono, rifrazione e rifrazione del suono.

Puoi inoltre verificare di persona questi fenomeni in modo interattivo nel laboratorio virtuale. Segui le istruzioni contenute nelle pagine Laboratorio virtuale: esperimenti sulla rifrazione e Laboratorio virtuale: esperimenti di diffrazione.

Esistono i "miraggi sonori" come esistono quelli ottici?

  • Sì. Entrambi i miraggi si producono quando si ha una propagazione curvilinea delle onde (sonore o luminose) in un luogo dove invece ci si aspetterebbe che essa fosse rettilinea, quale un grande spazio aperto.
  • Inteso in senso più ampio un miraggio è un'illusione ottica, e anche in questo caso il parallelo si mantiene, in quanto esistono le illusioni acustiche

mascheramento, e battimenti.

Perché il fulmine produce il rumore del tuono?

Come sappiamo, un fulmine è un'intensa scarica elettrica che attraversa l'atmosfera. Una fortissima differenza di potenziale produce una scarica in grado di ionizzare l'aria che attraversa trasformandola istantaneamente in un plasma incandescente alla temperatura di decine di migliaia di gradi centigradi. Questo fatto produce una rapidissima espansione, e la conseguente produzione di un'onda d'urto che si propaga all'aria circostante. Il livello di pressione di questa onda d'urto raggiunge facilmente i 120 dB, ed è in grado di provocare perciò lesioni permanenti dell'orecchio. Tuttavia la sua energia viene dissipata rapidamente, e l'onda d'urto si trasforma, ad una certa distanza, in un'onda sonora vera e propria, che viene appunto percepita come il rumore del tuono.

Perché quando un fulmine cade vicino si sente un suono secco, mentre quando cade lontano il tuono è non solo più debole, ma anche più lungo e confuso?

  1. Come spiegato nella risposta sull'origine del tuono, il tuono è inizialmente un'onda d'urto, e non un'onda sonora. La differenza sta nel fatto che in un'onda d'urto le proprietà del mezzo (come la pressione) subiscono una variazione improvvisa (discontinua) attraverso il fronte d'onda. Caratteristiche simili hanno il rumore degli scoppi o il "bang" supersonico. Da vicino l'orecchio subisce dunque una forte sollecitazione in un tempo brevissimo, e percepisce il rumore solo nell'istante in cui passa il fronte d'onda. Ad una certa distanza, tuttavia, l'energia del fronte tende a disperdersi (vedi dispersione) e a sparpagliarsi nello spazio. Il fronte d'onda diventa più liscio e continuo, e l'energia viene trasmessa all'orecchio in un tempo più lungo. Ecco perché il rumore corrispondente risulta meno "secco".
  2. In ambienti in cui sono presenti ostacoli (come accade quando un temporale si scatena in una valle), a confondere il rumore del tuono contribuiscono anche le riflessioni (vedi riflessione) che l'onda subisce contro gli ostacoli, che creano onde secondarie che arrivano all'orecchio in tempi successivi rispetto all'onda diretta.
  3. Un'ultima osservazione: il suono del tuono in lontananza appare anche molto più "cupo" (una sorta di rimbombo). Ciò significa che esso è costituito solo da onde di bassa frequenza che, durante il tragitto, solo molto meno assorbite dall'aria rispetto a quelle di frequenze maggiori (vedi a questo proposito potenza di una sorgente sonora)

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