Il suono

Cos’è il suono

Nonostante la percezione del suono sia una esperienza comune e all’ordine del giorno, pochi conoscono le leggi che governano il suono.

Senza la pretesa di poter sviscerare un argomento così vasto, il quale richiede un studio approfondito dell’acustica (ovvero quella branca della fisica che si occupa dei fenomeni legati al suono) e della psicoacustica (che invece si occupa dello studio inerente la percezione soggettiva umana del suono), proviamo comunque a chiarire in maniera semplificata il rapporto che esiste tra noi ed il suono.

Cos’è il suono e perché lo percepiamo

Il suono è una interpretazione che fa il nostro cervello di fenomeni fisici ondulatori. 

Qualsiasi oggetto che fa vibrare il materiale in cui è immerso (aria, acqua..), provoca un movimento dello stesso, che se intercettato da un essere vivente può essere interpretato come suono.

Un oggetto cadendo per terra fa vibrare il pavimento e gli oggetti circostanti.

Queste vibrazioni vengono trasmesse alle molecole d’aria, giungono all’orecchio ed il cervello le interpreta come rumore.

Quando, ad esempio, una corda di chitarra viene sollecitata dal plettro essa vibra, trasmettendo questa vibrazione all’aria, ovvero il mezzo per raggiungere le nostre orecchie.

Il suono è, quindi, un fenomeno ondulatorio che il sistema orecchio/cervello traduce in una sensazione psichica.

Per comprendere cos’è il suono, va analizzato sia dal punto di vista fisico, come fenomeno ondulatorio in un mezzo elastico sia dal punto di vista della nostra percezione, come fenomeno soggettivo.

Si parla, quindi, rispettivamente di acustica e psicoacustica.

Come si propaga il suono

Il suono si propaga nell’aria ed in ogni materiale elastico: acqua, legno metalli… mentre, non si trasmette in materiali non elastici come il piombo o nel vuoto.

Generalmente la trasmissione avviene per il movimento delle particelle del materiale elastico.

Queste ultime vengono “urtate” dall’onda sonora e si “spingono” l’un l’altra, trasmettendo l’informazione da particella a particella.

Ognuna di esse viene urtata da quella precedente, subisce una oscillazione e torna nella posizione di partenza.

Questo movimento è definito “danza delle particelle”.

La distanza alla quale viene trasmesso il suono dipende dall’elasticità del materiale. 

È maggiore nell’aria o nell’acqua, mentre è decisamente minore nel legno.

La velocità alla quale viene trasmesso il suono è direttamente proporzionale alla densità del materiale in cui si propaga.

Nell’aria è di circa 343 metri al secondo a 20° C.

Per dare l’idea di cos’è il suono e come si propagano le onde sonore si fa spesso riferimento al sasso gettato in uno stagno.

Quando il sasso colpisce il pelo dell’acqua, produce delle increspature della superficie che si propagano in tutte le direzioni contemporaneamente.

Quindi si formano circonferenze concentriche che si espandono fino a disperdersi.

Increspature del suono

Il suono nello spazio tridimensionale

Le onde sonore sono simili alle increspature riportate nell’immagine sovrastante, con la differenza che nello spazio si propagano come sfere tridimensionali, mentre le increspatura sull’acqua somigliano a circonferenze bidimensionali.

Per visualizzare un’onda sonora in modo bidimensionale, basta disegnare il grafico di una funzione sinusoidale.

Onda sonora

Onda sonora

Sull’asse delle ascisse si pone il tempo, su quello delle ordinate la pressione (quella dell’aria ad esempio) o l’intensità.

In corrispondenza di una rarefazione (pressione minore), il grafico avrà un picco negativo, in corrispondenza di una compressione (pressione maggiore) il grafico avrà un picco positivo.

Per comodità, nell’origine degli assi possiamo scegliere di porre la pressione atmosferica dell’aria in quiete, in modo che le rarefazioni siano negative e le compressioni positive.

Questa raffigurazione è molto efficace visivamente, ma rappresenta solo una situazione ideale in cui l’onda sonora è regolare e semplice.

In realtà ogni onda sonora può essere considerata come la somma di più onde sinusoidali semplici.

Cos’è il suono: Ampiezza e Decibel

L’ampiezza di un’onda sonora è la misura di quanto è “forte” il suono che udiamo (Volume).

Cerchiamo di comprendere il decibel considerando il caso più comune nella pratica delle misurazioni acustiche.

La misurazione effettuata con il fonometro, è riferita alla pressione delle particelle del mezzo che trasporta il suono.

Per le misurazioni i fisici hanno stabilito una pressione di riferimento pari a 0.00002 Pa (Pascal: unità di misura della pressione).

Questa pressione di riferimento è molto piccola e rappresenta la minima variazione di pressione udibile.

Calcolare il valore in decibel del suono

Per calcolare il valore in decibel, si considera il rapporto tra la pressione calcolata col fonometro e quella di riferimento. 

Tuttavia, per questioni di comodità di calcolo, non viene considerato direttamente questo rapporto ma il suo logaritmo.

Grafico logaritmo

Andamento logaritmico

La caratteristica curva logaritmica, mostra che i livelli in dB non seguono assolutamente un andamento lineare. È interessante sapere che un raddoppio della pressione sonora avviene quando un suono è aumentato di circa 6 dB, a prescindere dal valore di partenza.

Se in un certo punto dello spazio, col fonometro, rileviamo un valore di pressione acustica pari a P, allora il valore SPL (Sound Pressure Level) in dB, sarà pari a 20 moltiplicato per il logaritmo di P, diviso la pressione di riferimento.

Il grafico dei livelli sonori SPL è costituito da una curva che ha un andamento detto appunto “andamento logaritmico” 

La conseguenza del modo in cui si calcolano i decibel è che i valori non vanno mai sommati.

Se due suoni simultanei, e nello stesso punto, producono 100 dB SPL ciascuno (pressione di 100.000 Pascal), insieme non produrranno 200 dB (letale per le orecchie) ma 106 dB SPL (200.000 Pascal).

Calcolare il valore in decibel del suono

Il grafico in alto mostra coma la somma tra livelli SPL non è uguale alla somma aritmetica.

Ipotizzando di avere due suoni di 60 e 70 dB SPL, la loro differenza sarà di 10 dB.

In corrispondenza di 10 dB (ascisse) troviamo sul grafico il valore 2 (ordinate).

Ciò vuol dire che avremo un livello complessivo di 72 dB e non di 130 dB.

La frequenza dell’onda sonora

Una nota musicale può essere grave o acuta.

Questa sensazione psicoacustica, in fisica, è legata alla frequenza dell’onda sonora.

Per comprendere il concetto di frequenza pensiamo ad una ruota che gira: se ad esempio compie 10 giri completi in un secondo, possiamo dire che il movimento della ruota ha una frequenza di 10 giri/secondo.

Tale concetto è strettamente legato a quello di ciclo: un ciclo è un’intera serie di operazioni che si completano in modo definito e poi ricominciano: la frequenza è il numero di cicli al secondo.

Nell’onda sonora il ciclo è quello che va da un suo picco a quello successivo (si pensi alla sinusoide); per cui la frequenza indica quante oscillazioni, da picco a picco, compie l’onda sonora in un secondo.

L’unità di misura della frequenza è l’Hertz (Hz): un Hertz è pari ad un ciclo al secondo.

Il multiplo dell’Hz, più usato in ambito musicale è il kHz, che sta per kilo-Hertz: 1000 Hertz.

Le frequenze percepibili dall’orecchio umano sono quelle comprese, più o meno, tra i 20Hz e i 20KHz.

La lunghezza d’onda

Il concetto di frequenza è legato a quello di lunghezza d’onda.

Sapendo che la frequenza indica i cicli al secondo e che la velocità del suono nell’aria è di circa 343 metri al secondo, possiamo stabilire quanto sia “lungo” un suono di una certa frequenza prima di compiere un ciclo.

Un suono composto dalla sola frequenza pari a 1000 Hz, compirà un ciclo in 343/1000 metri, ossia approssimativamente 34 centimetri.

Da notare che suoni di bassa frequenza, da 20Hz fino a circa 300 –  400Hz, hanno bisogno di uno spazio piuttosto lungo per poter compiere un ciclo intero: un suono di 34 Hz, ad esempio, ha bisogno di circa dieci metri per compiere un ciclo intero…