IL Suono: TEORIA - STUDIo - CENNI STORICI

1


Introduzione

Suono

Fenomeno fisico di carattere ondulatorio che stimola il senso dell'udito. Le vibrazioni sonore percepibili dall'orecchio dell'uomo si collocano a frequenze comprese tra i 15 e i 20.000 hertz. Il significato del termine suono è stato esteso dai fisici moderni anche a fenomeni ondulatori che si verificano in campi di frequenza situati al di fuori del campo di udibilità dell'orecchio umano; in particolare, ai suoni di frequenza superiore ai 20.000 hertz, che sono detti ultrasuoni.

L'ORECCHIO UMANO

Il suono è costituito da onde meccaniche longitudinali: le molecole del mezzo in cui si propagano si muovono parallelamente alla direzione di propagazione dell'onda. Un'onda sonora che viaggi attraverso l'aria non è altro che una successione di rarefazioni e compressioni di piccole porzioni d'aria; ogni singola molecola trasferisce energia alle molecole adiacenti e, dopo il passaggio dell'onda, ritorna pressappoco nella sua posizione iniziale.



2

Caratteristiche fisiche

Vibrazione di una corda pizzicata

 

Qualunque suono semplice, come quello di una nota musicale, è descritto da tre diverse caratteristiche percettive: l’altezza, l’intensità e il timbro. Ciascuna di esse corrisponde a una grandezza fisica propria dell'onda associata: alla frequenza, all’ampiezza e allo spettro, rispettivamente. Il rumore, invece, è un suono complesso, dato dalla sovrapposizione casuale di frequenze diverse, non armonicamente correlate, che quindi non può essere descritto da questi tre parametri.

2.1

Frequenza

Onda di pressione generata nell'aria dalla corda

La frequenza rappresenta il numero di oscillazioni al secondo che l’onda compie durante la sua propagazione. Da essa dipende l’altezza del suono: maggiore è la frequenza, più alto è il suono percepito. Più precisamente, i suoni gravi hanno una frequenza dell’ordine delle decine di hz, mentre i suoni più acuti hanno una frequenza dell’ordine delle migliaia di hz.

 

La frequenza è la grandezza su cui si basa l’organizzazione dei suoni in scale musicali e la teoria dell’armonia. Un'ottava, infatti, è per definizione l'intervallo che separa due note con frequenze l’una il doppio dell'altra. L’intervallo di un’ottava è suddiviso a sua volta in sette intervalli di frequenze, corrispondenti alle sette note musicali. Ogni coppia di note consecutive è caratterizzata da un rapporto di frequenze ben definito; ad esempio, il rapporto tra la frequenza del re e quella del do è uguale a quello tra il sol e il fa e corrisponde a un tono; il rapporto tra il fa e il mi, invece, come quello tra il do e il si, corrisponde a un semitono. Più in generale, a ogni intervallo compreso fra due note qualsiasi corrisponde un rapporto di frequenze dato: ad esempio, una quinta rappresenta l'intervallo fra due note che hanno un rapporto di frequenze di 3/2; una terza maggiore corrisponde al rapporto di frequenze 5/4.

Lo spettro

Una legge fondamentale dell’armonia afferma che due note emesse contemporaneamente producono un suono eufonico, ovvero armonioso all'orecchio, se le loro frequenze distano di un'armonica; per estensione, un accordo di più note è eufonico se le frequenze delle note stanno in rapporti di piccoli numeri interi. In caso contrario si produce una dissonanza.

2.2

Ampiezza

Grafico di un onda sonora

L'ampiezza di un'onda sonora rappresenta il massimo spostamento, rispetto alla posizione di equilibrio, che le molecole del mezzo di propagazione compiono al passaggio dell’onda; al crescere dell'ampiezza, aumenta la forza con la quale viene colpito il timpano dell'orecchio e quindi l'intensità con cui il suono è percepito.

 

Dall’ampiezza dipende l’intensità del suono, vale a dire il rapporto tra la potenza trasportata dall’onda e la superficie su cui essa incide. L’unità di misura di questa grandezza nel Sistema internazionale è il watt/m2. Più comunemente, in acustica si suole esprimere l’intensità dei suoni in termini di una grandezza fisica ad essa collegata: il livello di intensità, L, definito come

L = 10 Log (I/I0),

dove il simbolo Log rappresenta il logaritmo in base 10, I l’intensità sonora e I0 un’intensità sonora di riferimento, che in genere coincide con quella del suono più basso percepibile dall’orecchio umano. L’unità di misura del livello di intensità sonora è il decibel (dB).

2.3

Timbro

Grafico dell'onda di pressione generata
 da un piano e da un violino



Una stessa nota, ad esempio il la nella scala diatonica del do maggiore, suonata con la stessa intensità da un pianoforte, un violino e un diapason, produce una sensazione uditiva diversa perché, pur avendo frequenza identica, ha nei tre casi un timbro diverso. Mentre il la emesso dal diapason ha, con buona approssimazione, frequenza pari esattamente a 440 Hz, quello prodotto dal violino o dal pianoforte ha come componente di frequenza dominante quella fondamentale (di 440 Hz), ma contiene suoni di frequenze multiple: 880, 1320, 1760 Hz. L'intensità relativa di queste altre componenti, dette armoniche, determina il timbro della nota.

2.4

Velocità del suono

MEZZO

VELOCITÀ
 (metri al secondo)

Aria 331
Acqua 1450
Piombo 1230
Ferro 5130
Granito 6000
La velocità del suono in alcuni materiali

La velocità di propagazione di un'onda sonora è definita come il prodotto della sua lunghezza d'onda per la frequenza. Dipende dal mezzo di propagazione e, in uno stesso mezzo e alla stessa temperatura, è uguale per tutte le frequenze.

La velocità del suono nell'aria secca, alla temperatura di 0 °C, è di 331,6 m/s, ma aumenta al crescere della temperatura; a 20 °C, ad esempio, raggiunge il valore di 344 m/s. Essa, infatti, risulta proporzionale alla radice quadrata del rapporto tra pressione e densità: poiché al crescere della temperatura la densità diminuisce, la velocità, che è inversamente proporzionale alla radice di quest’ultima grandezza, aumenta.

Nei liquidi e nei solidi, la velocità del suono è maggiore che nell’aria: anche in questo caso è inversamente proporzionale alla radice quadrata della densità, ma direttamente proporzionale alla radice quadrata del modulo di elasticità. Quest’ultimo è un parametro legato alle proprietà elastiche del mezzo; così, per un mezzo fluido quale è l’acqua, la velocità del suono è poco minore di 1525 m/s a temperature ordinarie e cresce rapidamente all'aumentare della temperatura. In un mezzo solido come il rame, è di circa 3353 m/s a temperature ordinarie ma, a causa della diminuzione di elasticità, diminuisce all'aumentare della temperatura; infine nell'acciaio, che risulta più elastico del rame, il suono si propaga a una velocità maggiore: a temperature ordinarie, di 4877 m/s.

2.5

Rifrazione, riflessione e interferenza

Nei mezzi caratterizzati da densità uniforme, le onde sonore si propagano in linea retta. Esattamente come avviene per la luce, però, quando incidono sulla superficie di separazione tra due mezzi distinti, subiscono i fenomeni della rifrazione e della riflessione, che le portano a deviare dalla traiettoria originaria.

La riflessione del suono spiega il fenomeno dell'eco: le onde sonore, incidendo su una superficie riflettente, vengono in parte rimbalzate indietro e percepite due volte. Si trova sfruttata in natura, da animali come il pipistrello e i mammiferi odontoceti, che se ne servono come sistema di localizzazione, e dall’uomo, per il funzionamento di strumenti come il sonar e il megafono. Quest’ultimo è costituito da un tubo a forma di imbuto, che rinforza il fascio di onde sonore in entrata, provocando la riflessione di una parte di quelle in uscita sulle pareti divergenti del tubo. Con lo stesso principio si possono raccogliere e convogliare suoni in un punto preciso rivolgendo l'apertura più larga verso la sorgente del suono, come avviene nel condotto uditivo dell'orecchio umano.

Nella propagazione delle onde sonore si manifestano, inoltre, fenomeni di diffrazione e interferenza.

3

Sensibilità ai toni

 

Decibel

Condizione ambientale

140

Soglia del dolore

120

Clacson potente, a un metro

100

Interno della metropolitana

80

Strada a circolazione media

70

Conversazione normale, a un metro

60

Ufficio commerciale

40 

Biblioteca

20

Studio di radiodiffusione

0

Soglia di udibilità

Ampiezza sonora (Decibel)



Come si è detto, l'orecchio umano è sensibile a suoni di frequenza compresa tra i 15 e 20.000 Hz. La sensibilità, tuttavia, varia a seconda del particolare intervallo di frequenze: quello in cui è più alta è compreso tra i 1000 e i 2000 Hz.

La capacità di risoluzione dei suoni, ovvero di distinguere due note pure poco diverse in frequenza o in altezza, dipende dall’intervallo di frequenze e dall’intensità. Per suoni di moderata intensità, nella gamma di frequenze in cui l'orecchio è più sensibile, si può percepire una differenza di ampiezza del 20% (1 decibel, dB), e una differenza di frequenza di circa lo 0,3% (circa un ventesimo di una nota). In questa stessa gamma, la differenza tra il suono più debole percepibile e quello più forte che possa essere avvertito senza provocare sensazione di dolore è pari a circa 120 dB (corrispondente a una differenza d'ampiezza di mille miliardi di volte).

Note di frequenza identica ma di intensità molto diversa possono sembrare di altezza leggermente differente; inoltre, mentre ad alte intensità l'orecchio ha la stessa sensibilità alla maggior parte delle frequenze, a basse intensità è molto più sensibile alle frequenze medie. Di conseguenza, uno strumento di riproduzione dei suoni perfettamente funzionante può sembrare difettoso nella riproduzione a basso volume sia delle note più acute sia di quelle più gravi.

4

Cenni storici

I fenomeni acustici elementari sono sempre stati oggetto di speculazione presso gli antichi. Lo studio dei meccanismi e delle proprietà fisiche del suono, tuttavia, ha assunto un carattere scientifico e sistematico soltanto a partire dal XVII secolo, con le ricerche di Galileo.

Gli antichi greci non si curarono molto degli aspetti scientifici del suono, anche se coltivarono un grande interesse per la musica, considerandola l'applicazione più naturale dell'aritmetica pura. Il filosofo Pitagora scoprì che un'ottava rappresenta un rapporto di frequenze di due a uno, ed enunciò la legge che mette in relazione le armonie di note con i rapporti numerici; egli considerava le note musicali come 'numeri applicati', contrapposti ai 'numeri puri' propri dell'aritmetica. Aristotele, in una breve annotazione sul suono, avanzò ipotesi corrette e accurate sul suo meccanismo di generazione e trasmissione; tuttavia, fino al 1600, mancarono studi scientifici sperimentali sull'argomento.

Il primo a intraprendere uno studio rigoroso del suono fu Galileo. Nella sua opera Discorsi e dimostrazioni matematiche intorno a due nuove scienze attinenti alla meccanica, egli enunciò la relazione tra altezza e frequenza, le leggi dell'armonia e della dissonanza, e diede inoltre una spiegazione teorica di come la frequenza naturale di vibrazione di una corda tesa, e quindi degli strumenti a corde, dipenda dalla lunghezza, dal peso e dalla tensione della corda. Grazie a Galileo, l'acustica entrò finalmente nel dominio della scienza.

4.1

I secoli XVII e XVIII

Alcuni studi sperimentali furono eseguiti dal matematico francese Marin Mersenne che, misurando il tempo di ritorno dell'eco, diede una stima della velocità del suono con un errore inferiore al 10%. Mersenne si cimentò per primo anche nella determinazione della frequenza di una nota di altezza data. Egli misurò la frequenza di vibrazione di una lunga, pesante corda, il cui movimento di vibrazione era così lento da poter essere facilmente seguito a occhio nudo; poi, in base a considerazioni di carattere teorico, dedusse la frequenza di una corda corta e leggera, capace di produrre suoni udibili.

Nel 1660, lo scienziato Robert Boyle dimostrò la necessità di un mezzo, solido, liquido o gassoso, per la propagazione dei suoni. Egli sospese una campana in un contenitore chiuso in cui era stato praticato il vuoto, e mostrò che, nonostante la campana venisse sollecitata, non si avvertiva alcun suono.

La trattazione matematica della teoria del suono fu iniziata da Isaac Newton che, nella sua opera Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (I principi matematici della filosofia naturale, 1687) dimostrò come la propagazione del suono attraverso qualunque fluido dipendesse solo da proprietà misurabili, come elasticità e densità, e calcolò la velocità del suono nell'aria.

Nel XVIII secolo si fecero progressi soprattutto a livello teorico. Il calcolo differenziale si rivelò un nuovo potente strumento per l'indagine scientifica in molti campi. I matematici Jean-Baptiste le Rond d'Alembert, Giuseppe Luigi Lagrange, Johann Bernoulli ed Eulero si dedicarono allo studio di proprietà quali l'altezza e il timbro di suoni prodotti da particolari strumenti, nonché allo studio del meccanismo di trasmissione del suono in diversi mezzi. La completa trattazione matematica del suono, però, si fonda sull'analisi armonica, scoperta da Jean-Baptiste-Joseph Fourier nel 1822 e applicata alla teoria del suono da Georg Simon Ohm.

Il fenomeno dei battimenti - variazioni periodiche dell'ampiezza del suono, effetto della sovrapposizione di due o più onde sonore di frequenza molto simile - furono scoperti intorno al 1740 dal violinista italiano Giuseppe Tartini e dall'organista tedesco Georg Sorge.

4.2

I secoli XIX e XX

L'altoparlante



Il XIX secolo fu un periodo di conquiste e progressi nel campo dell’acustica. Alla prima misura accurata della velocità di propagazione del suono in acqua, effettuata nel 1826 dal matematico francese Jacques Sturm, seguirono numerosi esperimenti, eseguiti mediante strumenti come lo stetoscopio e la sirena, che portarono alla determinazione della legge fondamentale secondo cui la velocità di propagazione del suono dipende dalla densità e dall'elasticità del mezzo, ma non dalla frequenza dell'onda.

Gran parte dell'attenzione fu poi dedicata alla ricerca di un criterio di standardizzazione delle altezze; nel 1859, il governo francese stabilì che il la che segue il do centrale nella tastiera del pianoforte corrispondesse alla frequenza di 435 Hz, standard successivamente accettato in molte parti del mondo.

Durante il XIX secolo furono inoltre inventati apparecchi come il telefono, il microfono e diversi tipi di registratore, ma solo nel XX secolo i fisici poterono disporre di strumenti che resero lo studio quantitativo del suono semplice e accurato. Mediante oscillatori elettronici, oggi si possono infatti produrre elettronicamente onde di qualunque tipo, che possono poi essere convertite in suoni per via elettromagnetica o piezoelettrica. Al contrario, è possibile, per mezzo di un microfono, convertire i suoni in correnti elettriche che poi possono essere amplificate elettronicamente e analizzate da un oscilloscopio a raggi catodici. La tecnologia moderna permette la registrazione e la riproduzione del suono ad alta fedeltà.

L'articolo proviene da:
Suono," Microsoft® Encarta® Enciclopedia Online 2009
http://it.encarta.msn.com © 1997-2009 Microsoft Corporation. Tutti i diritti riservati.



HOME