L'onda sonora
Un'onda sonora è la variazione di pressione in un mezzo di propagazione. E' caratterizzata da una zona di compressione e di rarefazione.
Qual è l'origine delle onde sonore? Le onde sonore ( o onde acustiche ) hanno origine dalla vibrazione o dalla oscillazione di un corpo e si propagano verso l'esterno in ogni direzione. Essendo onde non spostano la materia.
Si tratta onde elastiche e longitudinali rispetto alla direzione di propagazione.
Le caratteristiche dell'onda sonora
Le principali caratteristiche di un'onda sonora sono le seguenti:
- L'ampiezza
- La frequenza
- Il timbro
L'ampiezza dell'onda sonora
Un'onda sonora può essere semplice o complessa.
- Un'onda sonora semplice è un suono puro.
- Un'onda sonora complessa è composta da più onde acustiche sovrapposte.
Un esempio di suono puro è quello trasmesso da un diapason quando vibra.
Cos'è il diapason? Il diapason è un barra di acciaio piegata a forma di U. Quando viene colpito in uno dei due rami, il diapason comincia a vibrare emettendo un'onda sonora sinusoidale ( suono puro ).
Quanto maggiore è la vibrazione, tanto maggiore è l'ampiezza dell'onda.
Pertanto, l'ampiezza d'onda è l'intensità ( o potenza ) del suono.
L'intensità del suono si misura in Watt / m2.
Nota. L'intensità del suono può essere misurata anche in relazione alla capacità umana di ascoltarlo. In questo caso si usano i decibel ( dB ). Il suono più basso udibile dall'uomo è indicato come zero decibel ( circa 10-12 Watt/m2). Oltre i 120 decibel, invece, il suono diventa doloroso.
La frequenza dell'onda sonora
La frequenza dell'onda sonora è determinata dalla lunghezza d'onda.
Tra frequenza (f) e lunghezza d'onda (λ) c'è una relazione inversa.
Quanto minore è la lunghezza d'onda, tanto maggiore è la frequenza, ossia il numero di cicli che l'onda riesce a compiere in un secondo.
Esempio. L'onda B ( rossa ) compie molte oscillazioni complete in un secondo. Viceversa, l'onda A ( nera ) ha una lunghezza d'onda maggiore e compie soltanto mezzo ciclo. Pertanto l'onda A ( nera ) ha una frequenza minore dell'onda B ( rossa ).
I suoni con frequenza minore sono suoni gravi mentre quelli con frequenza maggiore sono suoni acuti.
La frequenza dei suoni si misura in Hertz ( Hz ).
Un Hertz misura il numero dei cicli completi compiuti dall'onda in un secondo.
Esempio. Un'onda che compie 10 giri in un secondo è un'onda con una frequenza pari a 10 Hertz.
L'uomo può udire soltanto i suoni compresi in un range di frequenze da 16 a 20.000 Hertz.
I suoni con frequenza inferiore a 16 Hz sono detti infrasuoni.
I suoni con frequenza superiore a 20.000 Hz sono detti ultrasuoni.
Sia gli infrasuoni che gli ultrasuoni non sono udibili dall'orecchio umano.
Il timbro dell'onda sonora
Il timbro è la forma dell'onda sonora, dipende dalla vibrazione da cui ha origine il suono.
Ad esempio, il diapason emette un suono puro detto armonica. In un diagramma cartesiano è rappresentano da una sinusoide ( onda A ).
Un altra sorgente emette un'onda con la stessa lunghezza d'onda e ampiezza dell'armonica ma ha una forma diversa ( onda B ).
Le due onde sonore hanno un timbro differente.
Perché le onde sonore hanno forme differenti?
Qualsiasi onda sonora compelssa è composta dalla sovrapposizione di onde sonore più semplici dette armoniche.
La sovrapposizione può riguardare due o più onde ed essere regolare o irregolare, ordinata o disordinata. Per questa ragione le onde sonore hanno una forma diversa.
In conclusione, il timbro dell'onda sonora dipende dalle armoniche che la compongono.
Nota. Quando un'onda sonora è composta da moltissime onde sovrapposte si parla di rumore.
L'analisi armonica di Fourier
Secondo Fourier qualsiasi onda sonora può essere scomposta in più sinusoidi.
Nota. Questo vale per tutte le onde sonore non sinusoidali purché siano periodiche, ossia si ripetano allo stesso modo dopo un certo lasso di tempo.
Le onde sinusoidali che identificano le componenti dell'onda sonora si distinguono in due tipologie.
- Armonica fondamentale. E' la sinusoide con la stessa frequenza del segnale da scomporre.
- Armoniche successive. Sono le altre sinusoidi che, sommate all'armonica fondamentale, consentono di ricreare il segnale di origine.
La propagazione delle onde sonore
Le onde sonore si propagano rispettando tutte le leggi della meccanica ondulatoria.
