ONDE SONORE

Quando una corda, una lamina, un diapason vibrano creano negli strati d’aria circostante delle compressioni e delle rarefazioni che detti strati trasmettano ai seguenti, si generano cioè delle onde elastiche che si propagano nell’aria. Quando queste compressioni e rarefazione dell’aria, che sono parallele alla direzione di propagazione (si tratta perciò di onde longitudinali), incontrano la membrana dell’orecchio trasmettono la vibrazione a quest’ultima: Non tutte le vibrazioni vengono però percepite dal nostro orecchio come suono. Perché ciò accada la frequenza di vibrazione deve essere compresa tra circa 16 Hz e 12000Hz. Le vibrazioni al di sotto e al di sopra di dette frequenze, chiamate soglie di udibilità, non sono recepite come suoni e vengono anche chiamate infrasuoni e ultrasuoni.

Le caratteristiche di un suono sono:

a)    L’altezza. Un suono può essere basso o acuto. Tale caratteristica è legata alla frequenza di vibrazioni. I suoni bassi sono quelli con frequenza minore, i suoni acuti quelli con frequenza maggiore.

b)    L’intensità. Un suono può essere forte o debole. L’intensità è legata all’energia trasportata dall’onda ad ogni secondo e per ogni metro quadro. I=P/S dove P=E/t è la potenza e S è la superficie attraversata. La sua unità di misura è W/m2. Siccome l’energia è legata all’ampiezza di vibrazione al quadrato anche l’intensità dipende dal quadrato dell’ampiezza di vibrazione. La sensazione sonora, che varia al variare delle caratteristiche del suono e della persona, cresce molto lentamente al crescere dell’intensità sonora e raddoppia se l’intensità diventa dieci volte maggiore. Perciò il livello di intensità sonora si misura in decibel ed è definito da Ls=10log10(I/I0) dove I0 è la minima intensità udibile dall’orecchio ed è circa 10-12W/m2.

c)    Il timbro. Un suono della stessa ampiezza e della stessa frequenza può essere più o meno puro. Ogni suono infatti è composto dal sovrapporsi di più frequenze, la fondamentale e quelle multiple della fondamentale. La maggiore o minore presenza di frequenze secondarie fanno cambiare la forma d’onda e quindi il timbro del suono. Il nostro orecchio infatti è capace di rilevare le singole frequenze di cui è composto un suono complesso. Due strumenti musicali che emettono la stessa nota hanno timbro diverso. Hanno la stessa frequenza fondamentale, ma sono composti da un sovrapporsi di un numero diverso di frequenze secondarie.

ECO

Se l’onda sonora incontra un ostacolo viene riflessa e si ha il fenomeno dell’eco. Tale fenomeno non è sempre udibile: Infatti l’orecchio riesce a percepire due suoni in modo distinto se gli arrivano all’orecchio distanziati da 1/10 di secondo e siccome la velocità del suono nell’aria è di circa 330m/s, se si emette un suono verso una parete riflettente che dista meno di 33m, il suono riflesso arriverà al nostro orecchio dopo un intervallo di tempo minore di un 0,1s da quello emesso, per cui non distingueremo due suoni distinti. Se la parete è troppo lontana durante l’andata e il ritorno l’onda avrà perso molta della sua intensità, per cui non sarà percepibile. Questo è il motivo per il quale il fenomeno dell’eco è osservabile solo  in particolari circostanze.

EFFETTO DOPPLER

Se la sorgente sonora si muove verso il ricevitore o viceversa la frequenza del suono che si ascolta è più acuta di quella che si ascolterebbe se entrambi fossero fermi. Se invece sorgente e ricevitore si allontanano la frequenza ascoltata è più bassa. Il suono della sirena di un’ambulanza è più stridulo quando l’ambulanza si avvicina e più basso quando la stessa si allontana.

Sorgente ferma e ricevitore in moto.

Sia v la velocità dell’onda e vr la velocità del ricevitore che si allontana. Rispetto all’aria, mezzo di propagazione dell’onda, lambda è la distanza fra due massimi. Se ad un certo istante l’osservatore percepisce un massimo, il successivo lo percepirà dopo un intervallo di tempo Delta t necessario a che l’onda percorra lo spazio s che è la somma di lambda più lo spazio che nello stesso intervallo di tempo ha percorso il ricevitore.

s=lambda+vrDt=vDt; Dt=lambda/(v-vr)

L’intervallo di tempo Dt è il periodo T’ percepito dal ricevitore, mentre lambda=vT con T periodo dell’oscillazione emessa dalla sorgente.

T’=v/( v-vr)T

f’=f(v-vr)/v

L’osservatore che si allontana dalla sorgente sentirà una frequenza minore di quella emessa. Se l’osservatore si avvicina alla sorgente sarà

f’=f(v+vr)/v

e percepirà una frequenza maggiore di quella emessa.

Sorgente in moto e osservatore fermo.

Sia v la velocità dell’onda rispetto all’aria e vs la velocità della sorgente sempre rispetto all’aria. Ammettiamo che la sorgente al tempo t emetta un massimo. Dopo un periodo T si sarà spostata verso l’osservatore di uno spazio s=vsT, mentre il primo massimo avrà percorso uno spazio s’ pari alla lunghezza d’onda l=vT. La distanza fra questi due massimi, che sarà la lunghezza d’onda l’ vista dall’osservatore, è:

lambda’=lambda-s=vT-vsT=(v-vs)T=vT’

T’=T(v-vs)/v

f’=fv/(v-vs)

Anche in questo caso se la sorgente si avvicina il suono è più acuto, mentre se si allontana è più basso.

f’=fv/(v+vs)