Rifrazione del suono

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  • Il suono è un'onda, e come tale è soggetto al fenomeno della rifrazione. Ciò significa, che l'onda sonora cambia direzione di propagazione quando attraversa regioni in cui si propaga con diverse velocità. Naturalmente si ha rifrazione anche al passaggio del suono tra mezzi diversi.
  • Per poter calcolare con precisione il cambiamento di direzione bisogna conoscere nel dettaglio come cambia la velocità del suono al variare delle proprietà e della natura del mezzo. Per questo si rimanda all'apposita sezione velocità del suono, mentre, nelle sezioni seguenti, esaminiamo qualitativamente alcune situazioni in cui la rifrazione del suono gioca un ruolo importante.

Rifrazione del suono nell'aria

Dovuta ai gradienti di temperatura

Gradiente costante

  • La velocità del suono in un gas di composizione fissata e all'equilibrio, dipende solo dalla (radice quadrata della) sua temperatura (si vedano le sezioni velocità del suono ed equazione delle onde sonore per i dettagli).
  • La tendenza generale della temperatura dell'aria nell'atmosfera è di diminuire con la quota: più si sale più fa freddo.[1]
  • Consideriamo allora, per esempio, un'onda sonora che parte da un punto a terra. L'onda diffusa da un punto e' inizialmente sferica.
  • Quando il fronte raggiunge una quota sufficiente, tuttavia, la sua velocità diminuisce, mentre la parte dell'onda che si propaga a bassa quota continua a propagarsi con la stessa velocità.
  • Il risultato netto è quindi che il fronte si curva verso l'alto.
  • Di conseguenza è possibile che, a terra, ad una certa distanza dalla sorgente, il suono non giunga affatto. I "raggi" sonori sono stati deflessi per rifrazione verso l'alto.
  • Qui sotto un'animazione del fenomeno, che puoi anche sperimentare con l'Applet Onde 2D (vedi miraggi ed altri strani fenomeni)
onde intensità
Rifrazione suono normale.gif I rifrazione suono normale.gif
onde sonore sferiche in aria con indice di rifrazione crescente verso l'alto (atmosfera normale)
  • Esistono tuttavia situazioni in cui si ha un'inversione termica, come accade talvolta in estate durante una notte serena dopo una giornata calda.
  • Il terreno può perdere calore rapidamente per irraggiamento, e l'aria diventare più fredda vicino a terra che in quota.
  • Le onde emesse da una sorgente sonora a terra saranno allora più lente vicino a terra che in alto, e i fronti d'onda si curveranno verso terra.
  • In questa situazione il suono sarà in grado di raggiungere punti che non avrebbe potuto raggiungere in condizioni di temperatura costante e potrebbe essere udito molto più lontano rispetto a quanto accadrebbe in circostanze diverse.
  • Qui sotto un'animazione del fenomeno, che puoi anche sperimentare con l'Applet Onde 2D (vedi miraggi ed altri strani fenomeni)
onde intensità
Rifrazione suono inversione.gif I rifrazione suono inversione.gif
onde sonore sferiche in aria con indice di rifrazione decrescente verso l'alto (atmosfera con inversione termica)

Gradiente irregolare

Avete notato che il rumore del motore di un aereo spesso ci giunge irregolare e incostante, anche se l'aereo sta viaggiando in modo uniforme?
Questo effetto può essere spiegato mediante il fenomeno della rifrazione se si ricorda che il suono per giungere a terra dall'aereo deve attraversare masse d'aria spesso turbolente, caratterizzate da temperature differenti. Il fenomeno è del tutto analogo, anche se su altra scala, al fenomeno di scintillio delle stelle, che si verifica a causa della rifrazione questa volta dei raggi luminosi da parte dell'atmosfera.

Dovuta al vento

L'esperienza di suoni lontani "portati dal vento" è piuttosto comune. Forse meno comune è accorgersi che la natura di questo fenomeno non è il "trasporto", ma la rifrazione. Vediamo perché.

  • Osserviamo innanzitutto che un vento uniforme non ha sostanzialmente alcun effetto sul suono. Non può "trasportarlo" in modo significativo per il semplice motivo che il suono, in generale si propaga ad una velocità molto maggiore del vento. Il suono in aria viaggia ad una velocità di circa 1200 km/h, mentre il vento raggiunge velocità 10 volte inferiori solo durante gli uragani (durante i quali il rumore sovrasta qualunque suono), mantenendosi, in condizioni normali, a velocità tra le 100 e le 1000 volte inferiori.
  • Tuttavia l'intensità del vento è mediamente sempre minore vicino al suolo che in quota, a causa dell'attrito e degli ostacoli presenti vicino a terra.
  • Un "raggio sonoro" orizzontale che si propaga in favore di vento viene perciò piegato verso il basso, mentre, se si propaga controvento, viene deflesso verso l'alto.
  • Si verifica quindi una situazione qualitativamente analoga al caso del gradiente termico: il suono che si propaga in favore di vento corrisponde a quello che si propaga in un'inversione termica, e viaggia più lontano.

Rifrazione del suono nell'acqua

  • Anche l'acqua del mare e degli oceani ha una temperatura variabile con la profondità.
  • È chiaro quindi che il suono subisce rifrazione anche in acqua. Questo fatto e di fondamentale importanza per gli animali o i natanti che usano onde sonore per la navigazione.
  • La rifrazione, in fatti, deviando le onde sonore dal loro cammino rettilineo, le può concentrare o far divergere, esattamente come le lenti fanno con le onde elettromagnetiche, creando illusioni acustiche ed ingannando i sonar (artificiali o naturali che siano). La temperatura dell'acqua inoltre può subire brusche variazioni locali a causa della presenza di correnti termiche.
SOFAR.png
  • Anche trascurando le variazioni locali c'è un'importante differenza tra acqua ed aria: l'acqua è praticamente incomprimibile, e quindi anche la sua pressione contribuisce a cambiare la velocità del suono a grandi profondità [2].
  • Gli effetti della temperatura sono quindi più sensibili vicino alla superficie, mentre quelli della pressione sono più importanti nel profondo.
  • Il risultato è che, la velocità del suono nell'oceano in funzione della profondità dapprima decresce, ma poi, raggiunto un valore minimo, torna a crescere fino a raggiungere il valore massimo sul fondo.
  • Poiché, come si è detto sopra, le onde sonore sono piegate dalla regione dove il suono è più veloce, alla regione dove il suono è più lento, ne consegue che i suoni oceanici tendono ad essere convogliati in un "canale" in cui la velocità del suono ha un valore minimo.
  • Attraverso la rifrazione, quindi, si viene a creare un canale privilegiato sottomarino (diremmo una guida d'onda naturale) che permette al suono di propagarsi sott'acqua a grandissime distanze.
  • Questo canale, detto SOFAR (SOund Fixing and Ranging) si trova a profondità di 600-1200 m alle medie latitudini, mentre si sposta in profondità ai tropici, ed in superficie alle alte latitudini.

Rifrazione del suono all'interfaccia aria-acqua

Nei due paragrafi precedenti abbiamo esaminato la rifrazione del suono separatamente nei due mezzi aria e acqua, dovuta, per lo più, alla presenza di gradienti termici. Ora ci chiediamo: che cosa accade quando un suono che è generato in aria colpisce la superficie dell'acqua? O viceversa, che ne è dei suoni prodotti in acqua: sono udibili anche all'esterno?

  • Sappiamo che la velocità del suono è molto maggiore in acqua che in aria (di circa 4.5 volte), quindi è logico attendersi che le onde sonore si comportino, al passaggio tra aria e acqua, all'opposto di quanto fanno le onde luminose. Cioè le onde luminose tendono ad avvicinarsi alla normale, mentre le onde sonore tenderanno ad allontanarsene.
  • L'analogia è corretta, ma il calcolo preciso porta ad una conclusione qualitativamente molto differente!
  • Infatti, bisogna tenere presente che i due fluidi differiscono anche per la densità: quella dell'acqua è circa 1000 volte superiore a quella dell'aria. Questo fatto fa sì che sia estremamente difficile trasferire energia elastica dall'aria all'acqua e viceversa tramite le onde sonore. Si dice che le impedenze dei due mezzi non sono adattate. Il nostro sistema uditivo è, in pratica, un meraviglioso sistema per adattare l'impedenza e trasferire l'energia delle onde sonore al liquido della coclea.
  • Quindi, quando un suono si produce in aria e colpisce l'acqua, o viceversa, accade che l'onda sia praticamente completamente riflessa (vedi sia riflessione sia rifrazione) !
  • Un fenomeno simile si ha per la luce al di sotto dell'angolo limite per la riflessione totale. Tale angolo, per un suono generato in aria e inviato verso la superficie dell'acqua vale solo 13°. Anche al di sotto di questo angolo la trasmissione è debolissima.
  • Non è quindi possibile spaventare i pesci gridando da fuori dell'acqua! Diversa è la situazione se stiamo con i piedi nell'acqua, perché allora il nostro corpo funge da adattatore di impedenza, e può trasmettere parte delle vibrazioni (ma non ho dati quantitativi disponibili in merito)

Rifrazione del suono all'interfaccia aria-corpo umano

La conclusione che abbiamo tratto nel caso di passaggio delle onde sonore tra aria e acqua vale anche quando il suono passa dall'aria al corpo umano, che ha densità simile a quella dell'acqua. Il coefficiente di trasmissione è bassissimo.

Un momento, allora come mai l'ecografia funziona?
Avete notato che, prima di applicare la sorgente dell'ecografo al paziente l'area di contatto viene cosparsa con un misterioso gel? Bene. Il gel serve ad adattare l'impedenza dell'emettitore di ultrasuoni a quella del corpo umano, consentendo agli ultrasuoni di propagarsi all'interno. Visita questa pagina se vuoi qualche informazione ulteriore sulle tecniche ecografiche.

Laboratorio virtuale

  • Puoi visualizzare e seguire "in diretta" nella sua evoluzione nel tempo il fenomeno della rifrazione in diverse configurazioni utilizzando l'applet che trovi alla pagina Applet Onde 2D.
  • Puoi anche eseguire alcune esperienze guidate passo-passo seguendo le istruzioni che trovi alla pagina Laboratorio virtuale: esperimenti sulla rifrazione

Approfondimenti e collegamenti

  • Il sito Ocean Explorer della NOAA (National Oceanic and Atmosferic Organization) del governo degli Stati Uniti contiene molte interessanti notizie sull'acustica oceanica, e include, in particolare, numerosi articoli e raccolte di filmati e suoni marini.

  1. All'equilibrio in condizioni ideali si può dimostrare il gradiente termico è dato dalla formula {\frac  {\Delta t}{\Delta h}}=-{\frac  {\gamma -1}{\gamma }}{\frac  {t}{h}}, che corrisponde ad una diminuzione di 1 grado centigrado ogni 100 m di altitudine.
  2. Ricordiamo che i liquidi incomprimibili la pressione aumenta linearmente con la profondità (legge di Stevino). In particolare la pressione aumenta di un'atmosfera circa, per ogni 10 metri di profondità

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