Lab tubi sonori

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

In questa serie di esperimenti viene fatta passare un'onda sonora attraverso canne aperte, chiuse, "svasate" ad una estremità. Il ruolo di sorgente dell'onda è negli strumenti musicali, "interpretato" dal musicista che, tramite le labbra e il suo fiato, mette in oscillazione la colonna d'aria all'interno della canna dello strumento musicale. per tale motivo nel seguito useremo indifferentemente, per indicare il luogo fisico in cui è situata la sorgente, amche il termine "imboccatura".

Riflessione del suono agli estremi di un tubo cilindrico aperto

  1. Istruzioni
  2. Osservazioni
    • Si osserva la nascita, all'estremità aperta della canna, di un'onda riflessa (in controfase). All'estremità della canna aperta abbiamo un nodo di pressione (il valore della pressione è vincolato ad essere uguale a quello della pressione atmosferica). Dal punto di vista della pressione l'estremo aperto si comporta come un estremo fisso e l'onda di pressione inverte, nella riflessione, la sua fase (da verde a rosso).
    • Oltre all'onda riflessa è presente un'onda trasmessa che si irradia nell'ambiente e i cui fronti d'onda divengono ben presto sferici.
    • La frequenza di "default" è scelta ad un valore così basso da non far interferire l'onda riflessa con l'onda generata dalla sorgente. Aumentando la frequenza è possibile far "interferire" tali onde: regolando il valore della frequenza con l'apposito cursore è possibile "indovinare" una configurazione stazionaria in cui l'onda riflessa e generata dalla sorgente si incontrano in controfase determinando la formazione di nodi.
  3. Argomenti collegati: vedi Riflessione nelle corde, Interferenza tra onde riflesse, Riflessione del suono, Strumenti musicali, Rifrazione in una dimensione
  4. Per saperne di più: vedi Impedenza, Adattamento di impedenza, Rifrazione del suono, Tromba, Flauto, Oboe, Clarinetto

Riflessione del suono di un tubo cilindrico aperto con fori

  1. Istruzioni
    • Clicca qui per avviare l'applet Onde 2D e seleziona dal menù in alto a sinistra Strumenti: canna cilindrica aperta.
    • Selezione il comando Stop, Cancella Onde e Modifica pareti
    • Agendo con il mouse (trascinandolo su di una parete) pratica un foro nella canna cilindrica (circa a metà della lunghezza della canna)
    • Deselesiona Stop
  2. Osservazioni
    • Si osserva la nascita, già in corrispondenza del foro, dell'onda riflessa (in controfase). È come se il foro, mettendo il tubo in comunicazione con l'esterno, determinasse un nuovo nodo di pressione (ora il valore della pressione è vincolato ad essere uguale a quello della pressione atmosferica anche in corrispondenza del foro);
    • L'effetto netto è quello di una diminuzione della lunghezza effettiva della canna cilindrica. Tale effetto è fondamentale per modificare le lunghezze d'onda stazionare della canna e quindi l'altezza del suono che essa emette.
    • In prossimità dei fori vi è un irraggiamento dell'onda non trascurabile (il suono esce anche dai fori!!). Nella tromba la modifica delle frequenze emesse viene ottenuta per lo più tramite pistoni che allungano il percorso dell'aria attraverso il tubo. Il suono della tromba è quasi completamente irraggiato dall'estremità aperta (e svasata).
  3. Argomenti collegati: vedi Riflessione nelle corde, Interferenza tra onde riflesse, Riflessione del suono, Strumenti musicali, Rifrazione in una dimensione
  4. Per saperne di più: vedi Impedenza, Adattamento di impedenza, Rifrazione del suono, Tromba, Flauto, Oboe, Clarinetto
  5. Altri esperimenti
    • Prova a modificare la dimensione del foro: l'effetto di riflessione "anticipata" è trascurabile se il foro è troppo piccolo rispetto alle dimensioni trasversali della canna. In questo caso la lunghezza effettiva della canna è intermedia tra quella reale e la distanza foro-imboccatura.

Riflessione del suono agli estremi di un tubo cilindrico semiaperto

  1. Istruzioni
  2. Osservazioni
    • Si osserva la nascita, all'estremità chiusa della canna, di un'onda riflessa (in fase). L'estremità della canna chiusa impedisce l'oscillazione longitudinale delle molecole (lo spostamento ha un nodo); ciò favorisce la variazione di pressione tra un valore massimo (corrispondente alla massima densità possibile) e un valore minimo (corrispondente alla massima rarefazione). Abbiamo cioè un ventre di pressione (è come se l'estremo chiuso fosse, per la pressione un estremo libero). L'onda di pressione non si inverte nella riflessione (da verde a rimane verde).
    • L'estremità chiusa ovviamente impedisce all'onda di irradiarsi nell'ambiente.
    • La frequenza di "default" è scelta ad un valore così basso da non far interferire l'onda riflessa con l'onda generata dalla sorgente. Aumentando la frequenza è possibile far "interferire" tali onde: regolando il valore della frequenza con l'apposito cursore è possibile "indovinare" una configurazione stazionaria in cui l'onda riflessa e generata dalla sorgente si incontrano in controfase determinando la formazione di nodi.
  3. Argomenti collegati: vedi Riflessione nelle corde, Interferenza tra onde riflesse, Riflessione del suono, Strumenti musicali, Rifrazione in una dimensione
  4. Per saperne di più: vedi Impedenza, Adattamento di impedenza, Rifrazione del suono, Tromba, Flauto, Oboe, Clarinetto

Canna con allargamento e restringimento

  1. Istruzioni
  2. Osservazioni

Propagazione in un condotto curvo

  1. Istruzioni
  2. Osservazioni
    • La simulazione mostra che la curva, benché ad angolo retto, non modifica sostanzialmente la propagazione delle onde sonore nel condotto, che si comporta come un unico cilindro diritto di lunghezza totale pari alla somma dei due bracci
    • Prova a variare la frequenza dell'onda
    • Disegna tu stesso altre forme di canna curva, e verifica se la propagazione viene modificata.

Riflessione del suono agli estremi di un corno conico ed esponenziale

  1. Istruzioni
    • Clicca qui per avviare l'applet Onde 2D e seleziona dal menù in alto a sinistra Strumenti: corno conico 1.
    • Per modificare l'apertura del corno conico seleziona dal menù in alto a sinistra Strumenti: corno conico 2.
    • Per modificare la "svasatura" del corno seleziona dal menù in alto a sinistra Strumenti: corno esponenziale.
  2. Osservazioni
    • l'onda riflessa sembra quasi assente; in realtà essa ha un'intensità molto bassa. Per visualizzarla meglio aumenta l'Intensità agendo sull'apposito cursore.
    • l'onda riflessa in corrispondenza dell'estremità del corno, colpisce, indietreggiando anche le pareti e viene da queste ulteriormente riflessa. Essa dà luogo a figure di interferenza più simili a quelle di una membrana bidimensionale che a quelle di una corda. Il problema perde il suo carattere monodimensionale.
    • allargando l'apertura del corno conico l'onda riflessa ha'intensità ancora inferiore. Evidentemente l'adattamento di impedenza con l'esterno è ancora più graduale e fa diminuire il coefficiente di riflessione.
    • nel caso del corno esponenziale l'onda riflessa è praticamente assente; evidentemente l'adattamento di impedenza tra le diverse sezioni trasversali del corno adiacenti e dell'ultima sezione con lo strato di aria esterno è ottimale.
  3. Argomenti collegati: vedi Riflessione nelle corde, Interferenza tra onde riflesse, Riflessione del suono, Strumenti musicali, Rifrazione in una dimensione
  4. Per saperne di più: vedi Impedenza, Adattamento di impedenza, Rifrazione del suono, Tromba, Clarinetto, Acustica di strumenti a fiato modello, Canna conica, Canna mista
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