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L’origine fisica del suono

Questo weekend, da Venerdì 19 a Domenica 21 giugno 2015, si terrà la Festa della Musica di Rivoli. Molti saranno le
canzoni e i suoni che riempiranno le vie e le piazze della cittadina. 
Ma… cos’è un suono?

Ciò che percepiamo come “suono” è l’elaborazione operata dal cervello del segnale trasformato, in genere in impulsi elettrochimici, di un’onda sonora ricevuta e percepita da parte del sistema uditivo umano.

Onda sonora – definizione:

In fisica un’onda è una perturbazione che si propaga nello spazio.
Per perturbazione si intende, in fisica, lo scostamento più o meno sensibile e di durata più o meno breve di un fenomeno o di una grandezza dal suo andamento regolare.

L’onda sonora è un particolare tipo di onda in cui la perturbazione è la variazione di pressione indotta dal corpo vibrante (per esempio la corda di una chitarra o la membrana di un tamburo) nel mezzo circostante (di solito l’aria).
Tale variazione di pressione è in grado di propagarsi nel mezzo come una successione di rarefazioni e condensazioni (cioè di variazioni di densità del mezzo).

Pagina su sorgente vibrante e sull’onda di pressione prodotta:

Video (in inglese) che spiega le basi del fenomeno “onda sonora”:



Nota: è fondamentale, per la propagazione di un’onda sonora, la presenza di un mezzo, sia esso solido, liquido o gassoso. Nello Spazio, dove si ha il vuoto cosmico (ovvero densità prossima allo zero), il suono non si può propagare e regna il silenzio.



L’onda sonora e la sua propagazione sono descritte da una serie di parametri fisici, e pertanto oggettivi, quali frequenza, ampiezza, velocità di propagazione, lunghezza d’onda, ecc.
Si tratta di proprietà dell’onda sonora e del mezzo indipendenti dall’ascoltatore.

Quando il suono raggiunge le nostre orecchie entrano in gioco altri parametri, legati all’elaborazione a livello sensoriale e cerebrale dello “stimolo”. Essi dipendono dal soggetto che ascolta. Ne sono esempio l’altezza, l’intensità, il timbro, ma anche qualità più impalpabili come la gradevolezza, la consonanza, l’armonia.

Il suono è quindi frutto della concatenazione tra una serie di parametri oggettivi  e una serie di parametri soggettivi.
 
E’ possibile mettere in correlazione queste due serie di parametri, nel senso che i parametri soggettivi sono risposte a parametri fisici.

Vediamo un paio di ESEMPI:

Suoni acuti e suoni gravi – frequenza onda sonora:
La frequenza è definita come il numero di oscillazioni nell’unità di tempo in un punto fissato. Se come unità del tempo di misura si usa il secondo, allora la frequenza si misura in Hertz [Hz].
L’orecchio umano medio riesce a percepire i suoni che hanno una frequenza compresa tra 16 e 20.000 Hz. I suoni alti o acuti sono quelli la cui frequenza è prossima a 16.000 Hz, quelli bassi sono quelli con frequenza più vicina ai 16 Hz.

Video: Spettro audio umano (si consiglia un ascolto a volume moderato):




Oltre le soglie: i suoni non udibili.
Gli infrasuoni sono i suoni con frequenza inferiore a 16 Hz; gli ultrasuoni quelli con frequenza superiore ai 20.000; ultrasuoni e infrasuoni sono entrambi oltre la soglia dell’udibilità umana.

Suoni forti e suoni deboli – intensità – ampiezza onda sonora:
L’ampiezza dell’oscillazione determina l’intensità del suono.
L’ampiezza, in fisica, è la massima variazione di una grandezza in un’oscillazione periodica.
Il suono trasporta energia man mano che si propaga (lo conferma il fatto che un suono molto intenso può mandare in frantumi i vetri di una finestra!).
L’energia al secondo per metro quadro è indicata come intensità. In altre parole, l’intensità è l’energia per unità di tempo e di superficie.
Si può dimostrare che l’intensità I di un suono è direttamente proporzionale al quadrato all’ampiezza dell’onda.
L’unità di misura dell’intensità nel Sistema Internazionale è il watt su metro quadro (W/m2).
Esiste un’intensità minima che l’orecchio umano riesce a percepire, pari a Imin = 10-12 W / m2. Esiste anche un’intensità massima Imax = 10-2 W / m2 oltre alla quale si possono verificare danni per l’orecchio.
All’interno di questo intervallo, si distribuiscono i suoni che sentiamo, in termini di suoni deboli (più vicini alla soglia di intensità minima) e forti (più vicini alla soglia di Intensità massima).

Fonti foto:
1) Foto di Federico Mo
2) Daniel Palacios, Waves