Domande suono

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

Esiste un ambiente completamente privo di suoni?

  • Per la propagazione del suono è necessaria la presenza di un mezzo materiale. Infatti il suono è un onda elastica meccanica, che può esistere solo se esistono degli elementi oscillanti che la trasmettono. Se, mediante una pompa, aspiriamo l'aria da un contenitore, il suono prodotto da un oggetto che si trovi all'interno del contenitore viene attenuato fino a scomparire del tutto. Ciò accade anche se il vuoto non è estremamente spinto (qualche Torr, corrispondente a qualche centinaio di Pa è ottenibile con una pompa da laboratorio scolastico). A maggior ragione il suono non si può propagare nello spazio interplanetario dove il vuoto è incredibilmente più spinto di quello ottenibile in qualunque laboratorio terrestre (da 10-6 a <3×10-17 Torr, corrispondenti a 100 µPa ÷ 3×10-15 Pa).
  • Di conseguenza tutti i film in cui astronavi solcano lo spazio con rombo di motori sono spettacolari, ma inaccurati. Allo stesso modo non è possibile sentire un'esplosione, e nemmeno essere investiti da un'onda d'urto (che è anch'essa un'onda elastica), ma solo, eventualmente, dal flusso di detriti prodotti nell'esplosione stessa.
  • In atmosfera normale è possibile costruire una particolare camera anecoica. Essa è un ambiente interamente rivestito di materiale fonoassorbente, e isolato dai rumori esterni. Il suono si può propagare liberamente nella camera, ma non viene in alcun modo riflesso dalle pareti della camera, né può giungervi dall'esterno. La camera anecoica permette di effettuare misurazioni e registrazioni della sorgente del suono senza alcun effetto dovuto all'ambiente. Molte registrazioni di performance vocali si effettuano in questo ambiente aggiungendo in seguito effetti di riverbero ottenuti manipolando elettronicamente il suono. Permanere in una camera anecoica è tuttavia particolarmente fastidioso, e ci fa risaltare l'importanza dell'ambiente sonoro in cui viviamo quotidianamente immersi, magari senza accorgercene.
  • Le onde elettromagnetiche, invece, si propagano nel vuoto perché il campo elettromagnetico non necessita di un mezzo che lo supporti. Tuttavia è possibile costruire una camera anecoica anche per certi tipi di onde elettromagnetiche (tipiche sono quelle per lo studio degli apparati a radiofrequenza).

Qual è il suono più forte che è possibile produrre?

Il suono è il prodotto di una successione di compressioni e dilatazioni in un mezzo elastico. L'aria è una miscela di gas e, al livello del mare, possiede una pressione di equilibrio di 1 atmosfera (corrispondente, nel sistema internazionale di unità di misura, a circa 101 Pa). È quindi evidente che la massima dilatazione teoricamente ottenibile è quella che porta il mezzo ad una pressione di 0 Pa (vuoto spinto). L'onda sonora corrispondente deve perciò indurre una variazione della pressione di ± 101 Pa, corrispondente ad un livello di pressione sonora di 194 dB (si veda livelli di pressione sonora). Un tale suono, anche quando fosse fisicamente generabile, non sarebbe però percepibile, perché esso supera la soglia del dolore umana (che corrisponde ad un suono di circa 120 dB(SPL), si veda percezione dell'intensità). È naturalmente possibile produrre in aria compressioni maggiori di 1 atmosfera, ma la perturbazione corrispondente non si comporta più come un'onda sonora, bensì come un'onda di shock.

Tanto per avere un'idea, indicando con dB(SPL) i decibel del livello di pressione sonora (Sound Pressure Level):

  • L'espansione in un'onda d'urto a 172 dB(SPL) può produrre la condensazione istantanea dell'umidità dell'aria sotto forma di nebbia. Nel filmato qui accanto si osserva l'apparire e scomparire istantaneo di diverse "nuvole" di vapore attorno ad un F-18 in volo radente. Le "nuvole" sono causate dalla presenza di onde di shock in prossimità di alcuni profili aerodinamici, dove il flusso d'aria passa da supersonico a subsonico (singolarità di Prandtl-Glauert). Per il verificarsi del fenomeno non è necessario che il velivolo stesso viaggi a velocità transonica, ma solo che il flusso d'aria in certi punti lo faccia. Lo stesso fenomeno è anche visibile durante manovre brusche a velocità subsoniche, durante i lanci dello Space Shuttle, e in alcuni filmati di esplosioni nucleari.

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  • Un'onda d'urto a 163 dB(SPL) può infrangere il vetro ordinario di una finestra (vedi anche l'apposita domanda e risposta)
  • Un essere umano non sopravvive ad un'onda di shock di 200 dB(SPL);
  • Lo Space Shuttle al decollo produce un flusso di gas con velocità di circa 5 km/s, corrispondente ad un livello di pressione sonora di 215 dB(SPL) ad 1 m di distanza. Fortunatamente le onde di shock decadono con la distanza più rapidamente delle onde sonore, e quindi la distanza di sicurezza per assistere al lancio è circa 5 km.
  • Si stima che la bomba atomica lanciata su Hiroshima il 6 agosto 1945, della potenza di 20 Megaton, abbia prodotto un'onda di shock pari a 248 dB
  • L'eruzione del 1883 del vulcano Krakatoa, situato in Indonesia tra le isole di Java e Sumatra, fu udita sulle coste dell'Australia (3000 km di distanza), e nell'isola Rodriguez (a 5000 km di distanza nell'oceano indiano). Produsse uno tsunami di 30 m a 300 km di distanza, e la variazione di pressione atmosferica fece oscillare i barometri a centinaia di km di distanza, provocando anche istantaneamente l'apparire e lo sparire della nebbia. Si stima che il livello di pressione sonora all'origine fosse di 310 dB(SPL), il che causò un'onda di shock che fece il giro del mondo 36 volte prima di estinguersi, dopo un mese.

Si ricordi che i dB sono una scala logaritmica, e che la pressione corrispondente raddoppia ogni 6 dB.

Che relazione c'è tra la frequenza di un suono e la sua altezza?

Non accontentatevi della risposta semplicistica che la frequenza dell'onda sonora determina l'altezza del suono.

Questa risposta è abbastanza soddisfacente solo se si parla di un singolo suono puro (cioè di un'onda armonica) sufficientemente lungo e collocato in un preciso intervallo di ampiezza e frequenza e in condizioni ideali.

Una risposta più completa è anche molto più complessa e affascinante perché, nella determinazione dell'altezza percepita del suono, concorrono molti fattori. La determinazione dell'altezza da parte del cervello è un fenomeno che, partendo da un segnale sonoro, procede attraverso il complicato sistema uditivo umano, il che significa che il segnale originario è manipolato e trasformato diverse volte prima di arrivare al cervello sotto forma di pacchetti di impulsi elettrici.

Ne segue che la determinazione dell'altezza, come pure delle altre grandezze percettive di un segnale sonoro, è una proprietà non solo del suono, ma anche delle caratteristiche fisiologiche del sistema uditivo, e, infine, dell'imponente azione di selezione e trasformazione operata dal cervello su tutti i segnali che esso elabora.

Se un suono è composto da tanti suoni armonici di diversa frequenza, quale armonico determina l'altezza del suono che percepisco?

Di nuovo non accontentatevi della risposta semplicistica secondo cui la fondamentale (cioè la componente armonica di frequenza più bassa) determina l'altezza percepita.

Non esiste un'unica risposta semplice a questa domanda, perché l'altezza percepita dipende in realtà da molti fattori concorrenti. Si può dimostrare semplicemente che, in alcuni casi la rimozioni della fondamentale (e a volte di diverse altre prime armoniche) non modifica sostanzialmente l'altezza percepita, mentre in altre condizioni, lasciando la fondamentale invariata, e modificando frequenze o ampiezze delle armoniche superiori, l'altezza percepita sembra cambiare notevolmente.

È vero che l'intensità sonora è proporzionale al quadrato della pressione? Perché?

Per rispondere seguiamo inizialmente un ragionamento dimensionale, per determinare un'espressione utile dell'unità di misura dell'intensità sonora.

Come puoi vedere alla pagina Percezione dell'intensità l'intensità sonora I si misura in W/m2. Chiamiamo L e T le dimensioni di lunghezza e tempo. L'intensità dunque ha le dimensioni di una potenza W su una superficie (L2). La potenza W ha le dimensioni di un'energia E su tempo T, e l'energia E quelle di una forza F per lunghezza L. Riassumendo:

[I]={\frac  {W}{L^{2}}}={\frac  {E}{L^{2}T}}={\frac  {FL}{L^{2}T}}={\frac  {F}{L^{2}}}{\frac  {L}{T}},

dove il simbolo le parentesi quadre significano "dimensioni di".

Ma F/L2 è una forza su superficie, cioè una pressione P, mentre L/T, lunghezza su tempo è una velocità U. Quindi abbiamo una relazione generale tra intensità, pressione e velocita':

I\propto PU

Ora, se definiamo l'impedenza Z come nella pagina sull'Impedenza, cioè come il rapporto


Z={\frac  {P}{U}},

e sostituiamo nell'espressione di I, otteniamo banalmente

I\propto PU=P{\frac  {P}{Z}}={\frac  {P^{2}}{Z}}.

Tutto questo da un punto di vista puramente matematico è semplice. Piuttosto è meno ovvio intuire che tipo di grandezza sia Z. In effetti non è una semplice costante, perché pressione e velocità possono essere sfasate tra loro, e inoltre Z dipende in generale dalla frequenza dell'onda.

Per averne esempi un poco più avanzati si veda anche la pagina Impedenza acustica.


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