Diffrazione del suono
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Cos'è la diffrazione
Quando un'onda incontra sulla sua strada un ostacolo o è costretta a passare attraverso una piccola fenditura, sotto certe condizioni fisiche che indagheremo, manifesta un comportamento peculiare: essa (e con essa l'energia che trasporta) è in grado di raggiungere anche punti che non sarebbero raggiungibili se la propagazione avvenisse per raggi d'onda rettilinei. È come se l'onda si "rompesse" (da cui il nome del fenomeno dal latino "diffractus", participio passato di diffringere, coniato per la prima volta da F. M. Grimaldi nel 1665) e si ricomponesse, sparpagliandosi, al di là dell'ostacolo o della fenditura.
Diffrazione del suono
Essendo il suono un'onda, esso è soggetto, in determinate condizioni, al fenomeno della diffrazione. Tali condizioni sono illustrate, in generale, nella pagina relativa alla diffrazione e possono riassumersi dicendo:
- un'onda è in grado di passare attraverso una fenditura senza modificare apprezzabilmente la forma dei suoi fronti d'onda se la dimensione della fenditura è molto maggiore della lunghezza d'onda dell'onda. Nel caso in cui la fenditura è stretta (di dimensioni molto minori della lunghezza d'onda) il fronte d'onda dell'onda incidente si deforma e diventa pressoché sferico. Se vuoi vedere tali effetti visita il nostro laboratorio virtuale Onde 2D eseguendo l'esperienza descritta alla pagina:
- un'onda è in grado di "aggirare" un ostacolo se le dimensioni dell'ostacolo sono minori della (o confrontabili con la) lunghezza d'onda dell'onda incidente. Anche in questo caso visitando il nostro laboratorio virtuale Onde 2D puoi eseguire le esperienze descritte alle pagine
In questa pagina illustriamo i fenomeni specifici di diffrazione del suono. Visto che il criterio per stabilire la presenza o meno di diffrazione è un criterio relativo alla lunghezza d'onda, ti invitiamo a leggere la pagina relativa alla lunghezza d'onda del suono. Per comodità riportiamo i dati là illustrati: il suono ha una lunghezza d'onda che va da 1,7 cm (suoni acutissimi a 20000 Hz alla soglia di udibilità superiore) fino a 17 metri (suoni gravissimi a 20 Hz alla soglia di udibilità inferiore).
Direzionalità del suono
Quando un suono viene irradiato da una sorgente (ad esempio un altoparlante) ci accorgiamo che i suoni acuti (frequenze alte e lunghezze d'onda corte) escono soprattutto in avanti, come un fascio, mentre i suoni gravi (basse frequenze e grandi lunghezze d'onda) si diffondono in tutte le direzioni: spostandosi di lato, o dietro l'altoparlante, il suono diventa più cupo. Ciò è del tutto coerente con il primo criterio illustrato in precedenza: in questo caso la sorgente è l'altoparlante (anziché la fenditura). Se hai eseguito gli esperimenti, avrai visto queste due situazioni:
| feritoia grande | feritoia piccola |
|---|---|
| rispetto alla lunghezza d'onda | |
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| In questo caso il suono (acuto, di piccola lunghezza d'onda) conserva la direzione impressagli dalla sorgente (fenditura o altoparlante che sia). È per tale motivo che gli altoparlanti per gli acuti vanno orientati verso gli ascoltatori. | In questo caso il suono (grave, di elevata lunghezza d'onda) non ha direzionalità precisa: per questo in un impianto audio basta un solo altoparlante per i bassi (subwoofer), che può stare quasi ovunque nella stanza. Questo ha una conseguenza importante anche nel caso della voce: essendo la nostra bocca sufficientemente piccola rispetto alle lunghezze d'onda del parlato, i fronti d'onda emessi sono pressoché sferici. |
Capacità di aggirare gli ostacoli da parte del suono
Quando un suono incontra un ostacolo, la sua capacità di aggirarlo dipende, come stabilito dal secondo criterio generale precedentemente enunciato, dal rapporto tra la dimensione dell'ostacolo e la lunghezza d'onda del suono. Nel caso del suono potremmo dire, a parità di dimensioni dell'ostacolo,
- suoni più gravi (di maggior lunghezza d'onda) aggirano più facilmente gli ostacoli
Tale fatto ha una serie di importanti conseguenze:
- i suoni gravi riescono a superare l'ostacolo rappresentato dalla testa di una persona. Ciò fa sì che:
- un suono grave aggira la nostra testa e arriva a entrambe le orecchie con quasi la stessa intensità: la testa non fa "ombra". Valutando i tempi di ritardo tra l'arrivo ad un orecchio e all'altro il nostro sistema percettivo è comunque in grado di ricavare informazioni riguardo alla localizzazione della sorgente sonora. Per i suoni acuti, invece, la testa fa ombra e l'orecchio più lontano dalla sorgente riceve un suono più debole: anche questa differenza di intensità serve a localizzare la sorgente.
- se ascoltiamo una persona che sta parlando ponendoci alle sue spalle, fatichiamo a comprendere quel che dice. Il fatto è che solo le onde a bassa frequenza riescono ad aggirare la testa di chi parla e a pervenire al nostro orecchio. Questo, come spiegato nella pagina relativa alla voce, rende difficile il riconoscimento delle formanti dei suoni vocalici.
- in ogni caso gli ostacoli della vita di tutti i giorni (un albero, un muretto, una colonna) hanno dimensioni piccole o confrontabili rispetto alla lunghezza d'onda di gran parte dei suoni usati nel parlato e nella musica. È per tale motivo che il suono li aggira facilmente! (non accade certo con la luce che ha lunghezze d'onda piccolissime rispetto alla dimensione di un albero: la luce viene arrestata e dietro l'albero si forma quell'ombra nella quale spesso ci siamo trovati a riposare in una giornata assolata).
Verifica la comprensione
Una persona parla dietro l'angolo di un edificio: la senti, ma non la vedi. Perché il suono aggira l'angolo e la luce no?
Risposta. Le lunghezze d'onda della voce vanno da qualche centimetro a qualche metro, confrontabili con le dimensioni dell'ostacolo e del passaggio: il suono si diffrange e raggiunge anche la zona "in ombra". La luce ha lunghezze d'onda di meno di un millesimo di millimetro, milioni di volte più piccole dell'edificio: prosegue in linea retta e dietro l'angolo resta l'ombra.Perché si capisce peggio una persona che parla voltandoci le spalle?
Risposta. La testa di chi parla è un ostacolo di circa 20 cm. Le componenti gravi della voce, con lunghezze d'onda più grandi, la aggirano; quelle acute, con lunghezze d'onda di pochi centimetri, vengono in gran parte bloccate. Arrivano quindi soprattutto le basse frequenze, mentre si indeboliscono le formanti più alte, che servono a distinguere le vocali e le consonanti.In un impianto audio gli altoparlanti per gli acuti vanno orientati verso gli ascoltatori, mentre un unico altoparlante per i bassi può stare quasi ovunque. Perché?
Risposta. Un altoparlante si comporta come un'apertura da cui esce il suono. Per i suoni acuti la sua dimensione è grande rispetto alla lunghezza d'onda e il suono esce come un fascio diretto in avanti. Per i suoni gravi, con lunghezze d'onda di metri, l'altoparlante è piccolo rispetto alla lunghezza d'onda e il suono si diffonde in tutte le direzioni.Un suono di 100 Hz e uno di 5000 Hz incontrano una colonna larga 50 cm. Quale dei due la aggira più facilmente?
Risposta. Quello di 100 Hz, che ha una lunghezza d'onda di circa 3,4 m, molto maggiore della colonna. Il suono di 5000 Hz ha una lunghezza d'onda di circa 7 cm, molto minore della colonna: dietro di essa si forma una zona d'ombra per questo suono.Approfondimenti e collegamenti
- Un principio molto utile per comprendere, seppur in modo qualitativo, cosa accade ad un'onda quando incontra un ostacolo od una fenditura è quello di Huygens. Visita questa pagina se vuoi saperne di più.
- Il fenomeno della diffrazione sonora gioca un ruolo di fondamentale importanza nella progettazione di ambienti chiusi dotati di una "buona acustica". Tali aspetti sono approfonditi nella pagina relativa all'acustica architettonica.
- Il fenomeno della diffrazione sonora è in qualche modo complementare a quello della riflessione sonora. Se vuoi avere una visione più completa di quel che accade quando un'onda sonora incontra un ostacolo visita anche la pagina relativa alla riflessione del suono.
- Nelle pagine relative agli strumenti musicali e in particolare in quella dedicata alla tromba, potrai ascoltare un'interessante registrazione effettuata ponendo il microfono davanti o alle spalle del trombettista. La modifica percepibile del timbro dello strumento è da imputarsi proprio alla diversa capacità delle varie frequenze di aggirare l'ostacolo rappresentato dalla testa del trombettista.
- Domande e risposte correlate:
