Un tipo di onde meccaniche
Quando definiamo un’onda sonora dobbiamo innanzitutto precisare che ha bisogno di un mezzo per propagarsi, a differenza per esempio delle onde elettromagnetiche.
Per produrre un suono serve infatti una sorgente in grado di compiere vibrazioni elastiche, come può esserlo la corda di uno strumento o la membrana che ricopre un tamburo. Pensiamo altrimenti al diapason, uno strumento metallico a forcella che appoggiato su una superficie emette una nota.
Il suono dunque non ha la possibilità di propagarsi nel vuoto, motivo per cui lo spazio è silenzioso. Noi però, come per la luce, siamo in grado di percepire questo fenomeno solo entro un certo range. Usiamo perciò l’espressione onde acustiche per riferirci a quelle che pur derivando da vibrazioni elastiche non sono percepibili dal nostro orecchio, come gli ultrasuoni.
Le proprietà di un’onda sonora
Per correttezza precisiamo che pur trattandosi a loro volta di fenomeni studiati dalla branca dell’acustica le onde sonore sono solo quelle comprese nell’intervallo fra i 20 Hz e i 200 Hz.
Un Hertz, ovvero l’unità di misura della frequenza secondo il Sistema Internazionale, corrisponde al reciproco del secondo, ovvero 1 Hz = s-1.
Questa grandezza esprime infatti le oscillazioni che questa compie in un secondo e si ricava con la formula f = 1/2π√k/m, dove nel dettaglio:
- k è una costante che è legata alla rigidità del materiale che compone la sorgente da cui nasce l’onda sonora. Pensando alle corde degli strumenti musicali possiamo trovare nylon, seta, acciaio o budello.
- m rappresenta invece la massa della corda o della membrana che vibra producendo il suono.
Da questa formula pare evidente che più sale il valore della costante k maggiore sarà la frequenza: queste grandezze sono dunque in un rapporto di proporzionalità diretta.
Se invece ad aumentare è la massa della corda allora la frequenza diminuisce: quelle più spesse infatti emettono suoni più gravi. Pensiamo per esempio alla differenza di timbro che possiamo notare tra un violino e un contrabbasso.
Dato che ogni corda presenta due estremi può oscillare con delle frequenze di risonanza stazionaria (fn) che ricaviamo dalla formula fn = νn/2L. Con n intendiamo un numero intero positivo, L rappresenta la lunghezza della corda mentre v è la velocità di trasmissione del suono lungo la corda. Non va confusa con la velocità del suono dell’aria, che invece è fissa per ogni sorgente e vale 340 m/s.
La velocità di propagazione
Abbiamo detto che un’onda sonora si propaga all’interno di un corpo in generale secondo una velocità che può variare e che indichiamo con ν.
Per determinarla facciamo ricorso alla formula ν = √Pel/ρν, dove Pel rappresenta la pressione a cui risulta soggetta la superficie del corpo, ma la si definisce modulo di elasticità. Invece ρν rappresenta la densità volumetrica del corpo in esame e la si esprime in kg/m3.
In un gas serve considerare anche la temperatura, infatti più questa è alta maggiore sarà la densità del suono. A temperatura ambiente abbiamo 340 m/s, ma se la temperatura è inferiore (per esempio a 0°C) il valore si abbasserà (in questo caso specifico 329 m/s). Per correggere la misura si introduce sotto radice il fattore γ, che va a moltiplicare il modulo di elasticità.
Per calcolare quella che abbiamo quando un suono si propaga nell’aria usiamo il valore della pressione atmosferica (P0 = 105 N/m).
Per quanto riguarda l’acqua dovremo fare una distinzione fra quando siamo in acqua dolce o in acqua salata- Infatti ρdolce = 1000 kg/m3 e ρsalata = 1025 kg/m3, ma in entrambi i casi avremo una velocità di gran lunga superiore a quella che c’è in aria. In particolare siamo su una velocità di circa 5 volte superiore, il che spiega come mai per i cetacei sia così semplice comunicare fra di loro anche se distanti.
La riflessione e l’assorbimento di un’onda sonora
Se però l’onda sonora incontra un ostacolo costruito in materiale fonoassorbente non si ha la riflessione, bensì il suono finisce con l’essere assorbito. L’assorbimento porta alla riduzione del riverbero, un fenomeno che si sfrutta negli auditorium o nei teatri per aumentare l’intensità e la profondità di un suono.
Un materiale in grado di assorbire i suoni presenta delle caratteristiche precise. Prima di tutto la porosità, ovvero la presenza di spazi vuoti all’interno dove è racchiusa dell’aria. Questa infatti contribuisce a dissipare l’energia posseduta dalle onde sotto forma di calore. Per questo le stanze insonorizzate si rivestono con la gommapiuma (poliuretano a essere precisi): un materiale leggero, facile da installare e molto efficace.
Oltre al poliuretano tra i materiali fonoisolanti più utilizzati troviamo la lana di vetro, una fibra ricavata dalla fusione di vetro e sabbia silicea, porosa e utilizzata come base per pannelli isolanti. A partire da rocce basaltiche si può ottenere una fibra simile, la lana di roccia, che ha anche il vantaggio di resistere all’usura e di presentare resistenza al fuoco. Un materiale naturale che per quanto meno efficiente dei precedenti rimane un buon isolante acustico è il sughero.
La diffrazione del suono
Questo fenomeno riguarda tutti i tipi di onde e si verifica nel caso in cui l’ostacolo che incontrano propagandosi non sia di dimensioni sufficienti per respingerle o assorbirle.
La diffrazione si verifica nel momento in cui l’onda sonora riesce ad aggirare l’ostacolo o a passare attraverso una fenditura. Per riuscirci in genere modifica il proprio fronte d’onda, ma tutto dipende dalla sua frequenza. Le onde con frequenze basse infatti superano più agevolmente gli ostacoli.
