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.

• Per una spiegazione più esaustiva, con esempi acustici, diagrammi e un dialogo sull'argomento si vedano le pagine suono o rumore?, diversi tipi di rumore e percezione dell'altezza.
• Vedi la sezione generalità sul suono per un'introduzione sull'argomento, e la sezione dai suoni alla musica per il rapporto rumore-suono in musica.

Nelle immagini dell'ondoscopio con due sorgenti, l'interferenza costruttiva corrisponde alle zone chiare o a quelle scure?

A nessuna delle due in particolare. Nell'ondoscopio la luce attraversa l'acqua e viene proiettata su uno schermo: le creste delle onde si comportano come lenti convergenti e producono strisce chiare, mentre gli avvallamenti (i cavi dell'onda) la fanno divergere e producono strisce scure. Il contrasto tra chiaro e scuro è quindi tanto maggiore quanto più è grande l'ampiezza dell'onda in quel punto.

• Nelle zone di interferenza costruttiva l'acqua oscilla con ampiezza massima: lì si vede un'alternanza molto contrastata di chiaro e scuro, che si sposta mentre le onde avanzano (nelle foto appare come una fila di macchie chiare e scure alternate).
• Nelle zone di interferenza distruttiva l'acqua resta quasi ferma: lì si vede una striscia di luminosità uniforme, grigia, che resta immobile.

Le linee "grigie e ferme" che si irradiano dalla zona tra le due sorgenti sono quindi le linee nodali (interferenza distruttiva), mentre le zone a forte contrasto tra di esse sono quelle di interferenza costruttiva. Lo stesso fenomeno si può osservare nel laboratorio virtuale (vedi interferenza tra due sorgenti puntiformi) e alla pagina sull'interferenza.

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 progettate 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 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 usano strati di adattamento (e un gel) per adattare l'impedenza acustica della sonda a quella del corpo umano, per lo più composto di acqua, mentre una lente acustica sulla sonda serve a focalizzare il fascio.

Si può focalizzare il suono con un "reticolo a zone", come si fa con la luce?

Sì, ma con limitazioni importanti. Il reticolo a zone (detto anche lente di Fresnel a zone) non sfrutta la rifrazione, come le lenti acustiche descritte nella risposta precedente, ma la diffrazione e l'interferenza.

• Il reticolo è uno schermo formato da anelli concentrici alternativamente aperti e chiusi. Ogni punto delle zone aperte si comporta come una sorgente secondaria. I contributi di tutte le zone aperte giungono nel punto focale con fasi simili e si sommano costruttivamente. Gli anelli chiusi bloccano proprio i contributi che arriverebbero al fuoco in opposizione di fase: senza gli anelli chiusi questi cancellerebbero in parte i primi.
• Per dimensionare gli anelli basta una condizione sui percorsi. Se D è il percorso più breve dalla sorgente al fuoco, i confini tra un anello e il successivo si trovano dove il percorso vale D + λ/2, D + λ, D + 3λ/2 e così via, dove λ è la lunghezza d'onda da focalizzare. Sono aperte le zone in cui il percorso supera D di una quantità compresa tra 0 e λ/2, tra λ e 3λ/2, tra 2λ e 5λ/2 ecc. (oppure, in alternativa, tutte le altre). Nel caso più semplice, un'onda piana che incide su uno schermo piano con il fuoco a distanza f, il raggio dell'n-esimo confine vale

${\displaystyle r_n=\sqrt{n\lambda f+\frac{n^2{\lambda }^2}{4}}}$

La stessa condizione vale anche per una sorgente vicina o per uno schermo curvo, ma allora i calcoli sono più complicati.

Le limitazioni sono due.

• Il reticolo funziona per una sola lunghezza d'onda. Poiché la distanza focale vale circa ${\displaystyle f\approx r_1^2/\lambda }$, frequenze diverse sono focalizzate a distanze diverse: raddoppiando la frequenza raddoppia anche la distanza focale. Con un suono complesso, come la musica, ogni componente si concentra in un punto diverso. Esistono inoltre fuochi secondari più deboli a distanze f/3, f/5 ecc.
• Per il suono le dimensioni sono enormi. A 1000 Hz la lunghezza d'onda in aria è di circa 34 cm: con il fuoco a 10 m il primo confine ha un raggio di circa 1,85 m, il secondo di 2,63 m, il terzo di 3,23 m. Per le basse frequenze servirebbero strutture grandi come edifici. Inoltre il "fuoco" non è un punto ma una regione larga almeno quanto la lunghezza d'onda.

Per questo i reticoli a zone si usano soprattutto dove le lunghezze d'onda sono piccole, come nel caso dei raggi X (per i quali le lenti ordinarie non funzionano) o degli ultrasuoni.

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. Nel primo caso il fenomeno è detto "diffrazione", nel secondo "rifrazione".
• Le onde luminose hanno lunghezze d'onda dell'ordine di mezzo millesimo di millimetro, 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.

È possibile deviare un suono con un altro suono?

In condizioni normali no. Ai livelli che incontriamo nella vita quotidiana il suono si propaga in regime lineare. Vale quindi il principio di sovrapposizione: due onde che si incrociano non si urtano come due palle da biliardo, ma si attraversano. Nella regione in cui si sovrappongono si forma una figura di interferenza (zone di rinforzo e zone di indebolimento), ma oltre quella regione ciascuna onda prosegue come se l'altra non ci fosse mai stata. Non si può quindi, per esempio, "spingere via" il rumore del traffico con un fascio di onde sonore, udibili o no.

Il suono si può invece deviare agendo sugli ostacoli o sul mezzo in cui si propaga:

• per riflessione, come fanno le barriere antirumore o gli specchi acustici (vedi la domanda sulle lenti e sugli specchi acustici);
• per diffrazione, che fa "girare" il suono attorno ai bordi degli ostacoli;
• per rifrazione: la velocità del suono dipende dalla temperatura dell'aria e dal vento. Le loro variazioni con l'altezza dal suolo curvano i "raggi" sonori (vedi anche la domanda sui miraggi sonori).

Un suono può influenzarne un altro solo a intensità estreme, quando il mezzo non si comporta più in modo lineare (vedi effetti non lineari). Su questo principio si basano gli altoparlanti "parametrici": emettono un fascio di ultrasuoni intenso e molto direzionale, all'interno del quale le non linearità dell'aria generano un suono udibile che resta concentrato in una zona ristretta. In questo caso però non si devia un suono esistente: se ne crea uno nuovo.

Infine si può ridurre un rumore sovrapponendogli un'onda uguale in opposizione di fase (vedi la domanda sul controllo attivo del rumore). Il metodo funziona bene solo in spazi piccoli, come nelle cuffie. In ogni caso non sposta il rumore altrove.

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

• Per la descrizione generale del fenomeno di curvatura dei raggi vedi la sezione dedicata alla rifrazione, e sperimenta nel laboratorio interattivo seguendo le istruzioni che trovi alla pagina miraggi ed altri strani fenomeni.
• Per lo studio del caso specifico dei miraggi sonori, e delle condizioni in cui si possono produrre vedi la sezione rifrazione del suono.
• Per ascoltare diverse illusioni acustiche vedi le pagine effetti e illusioni acustiche, bande critiche,

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, sono molto meno assorbite dall'aria rispetto a quelle di frequenze maggiori (vedi a questo proposito potenza di una sorgente sonora)

Che cosa sentirebbe chi si allontanasse da un'orchestra più veloce del suono?

Lo si può calcolare con l'effetto Doppler. Se un ascoltatore si allontana a velocità u da una sorgente ferma, che emette con frequenza f in aria ferma, sente la frequenza

${\displaystyle f^{\prime }=f\frac{c-u}{c}}$

dove c è la velocità del suono.

• Se u è minore di c tutti i suoni risultano più gravi e la musica più lenta.
• Se u è uguale a c l'ascoltatore viaggia insieme alle onde e non sente più nulla di nuovo.
• Se u è maggiore di c l'ascoltatore raggiunge le onde emesse in precedenza e le incontra in ordine inverso: sente la musica al contrario.

Lord Rayleigh notò che a velocità u = 2c il fattore (c − u)/c vale −1: l'ascoltatore sentirebbe il brano alla stessa velocità e alla stessa intonazione dell'originale, ma suonato al contrario. Naturalmente l'esperimento è irrealizzabile: a velocità supersoniche il rumore aerodinamico e le onde d'urto (vedi il bang supersonico) coprirebbero qualunque musica.

E la relatività? Le correzioni relativistiche all'effetto Doppler diventano importanti solo per velocità vicine a quella della luce, centinaia di migliaia di volte maggiore di quella del suono in aria: per le onde sonore la formula classica è sempre adeguata. La relatività ha comunque una curiosa conseguenza musicale. Il tempo scorre più lentamente per chi viaggia a velocità vicine a quella della luce, quindi se due gemelli musicisti cominciassero a suonare lo stesso brano, uno restando sulla Terra e l'altro partendo per un viaggio velocissimo, al ritorno il viaggiatore si troverebbe molte battute indietro. Non per un difetto dei suoi strumenti, ma perché per lui è passato meno tempo.