Le onde sonore

Le onde sonore

Caratteristiche fondamentali

Quando il nostro orecchio viene raggiunto da variazioni longitudinali di pressione dell'atmosfera aventi carattere ondulatorio con ampiezza superiore a un certo valore (circa 2 ∙ 10 Pa) e con frequenza compresa fra i 16 e i 16 000 Hz, un individuo normale percepisce un effetto fisiologico che denominiamo suono.

La trasformazione dell'effetto fisico, consistente in stati di compressione e rarefazione dell'aria, in percezione uditiva, inizia nell'orecchio e termina nel cervello. I fenomeni sonori sono quindi molto complessi da interpretare in quanto intrisi di oggettività fisica e soggettività psichica.

Un'onda sonora è un'onda longitudinale che si propaga nell'aria, la quale si comprime e si rarefa periodicamente poiché il percorso oscillatorio delle molecole ha la stessa direzione del fronte d'onda. Queste variazioni di densità dell'ambiente possono essere così percepite dal nostro organo uditivo.

Il modo più semplice di produrre un suono è quello di porre in vibrazione un corpo, ad esempio la corda di una chitarra o la membrana di un tamburo.

Consideriamo un tubo cilindrico immerso nell'aria, con un'estremità libera e uno stantuffo nell'altra. Mediante la rapida vibrazione longitudinale dello stantuffo si producono nel tubo zone di maggiore densità e zone di minor densità che si propagano dalla direzione dello stantuffo all'esterno. Una qualunque sezione del tubo sarà interessata, nel tempo, da stati di addensamento, di densità normale, di rarefazione e così via secondo la legge oraria del moto armonico [ st = so sen (ωt) ].

Ammettendo perciò che all'istante zero la pressione nella sezione A valga zero, negli istanti successivi i valori P della pressione in A saranno calcolabili con la relazione [P Pmax sen (2πt/T)], essendo T il periodo dell'onda di pressione.

Le onde sonore si propagano nell'aria a temperatura ambiente ad una velocità di circa 341 m/sec.

L'intensità del suono

L'intensità I di un suono è, in prima approssimazione, associata all'energia dell'onda fisica che perviene all'orecchio dell'uditore. A sua volta questa energia è proporzionale al quadrato del valore massimo P della pressione dell'onda sonora e perciò si può scrivere: [I = k P²max dove k indica una costante di proporzionalità diretta.

Quando si parla di intensità sonora occorre specificare se ci si sta riferendo all'intensità fisica o all'intensità fisiologica del suono. Il primo tipo di intensità è dato dalla relazione soprascritta ed è quindi dipendente solo dal valore della pressione massima dell'onda sonora; il secondo tipo dipende invece anche dalla risposta fisiologica dell'orecchio. Questa risposta è fortemente dipendente dalla frequenza del suono e quindi suoni caratterizzati da un identico valore di Pmax ma di frequenza diversa possono essere percepiti con intensità diversa.

Per tenere conto di questo fatto occorre considerare due grandezze distinte:

• Il livello della pressione sonora   [simbolo lps]
• Il livello della sensazione sonora [simbolo lss]

Il primo dei due livelli è misurato dalla pressione dell'onda espressa in pascal, il secondo dei due livelli è misurati in phon.

Altezza e timbro di un suono

Com'è noto, i suoni che percepiamo, possono essere acuti, gravi ecc. Il termine tecnico usato per definire queste sensazioni è altezza.

L'altezza di un suono è associata alla frequenza delle vibrazioni longitudinali che lo producono: suoni alti corrispondono ad alte frequenze, suoni bassi a basse frequenze. La frequenza di un suono non è però sufficiente a caratterizzarlo completamente. Infatti, siamo perfettamente in grado di distinguere due strumenti diversi che stanno producendo la medesima nota e, ancor più, siamo in grado di distinguere un'identica nota cantata da due individui diversi. Per comprendere ciò bisogna tenere presente che un suono come quello della voce umana o di uno strumento musicale è solitamente costituito da una frequenza  fondamentale e da un insieme di frequenze multiple della fondamentale dette armoniche superiori.

La perturbazione di frequenza fondamentale è quella che partecipa alla formazione del suono con la massima intensità, mentre le sue armoniche hanno intensità minore. Due suoni che abbiano la medesima frequenza fondamentale, ma che possiedano armoniche di intensità diversa, vengono percepiti con altezza identica ma con una caratteristica distintiva che viene denominata timbro del suono.

Il timbro di un suono è dunque associato alla composizione armonica delle onde che partecipano alla sua costituzione.