Suono

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Il suono (dal latino sonus) è la sensazione data dalla vibrazione di un corpo in oscillazione. Tale vibrazione, che si propaga nell'aria o in un altro mezzo elastico, raggiunge l'orecchio che, tramite un complesso meccanismo interno, è responsabile della creazione di una sensazione "uditiva" direttamente correlata alla natura della vibrazione.

Come tutte le onde, anche quelle sonore sono caratterizzate da una frequenza (che nel caso del suono è in diretta, ma non esclusiva, relazione con la percezione dell'altezza) e un'intensità (che è in diretta, ma non esclusiva, relazione con il cosiddetto "volume" del suono). Inoltre, caratteristica saliente delle onde sonore è la forma d'onda stessa, che rende in gran parte ragione delle differenze cosiddette di timbro che si percepiscono tra diverse tipologie di suono.

[modifica] Altezza

Per approfondire, vedi la voce Onda sonora.

L'altezza è la qualità che fa distinguere un suono acuto da uno grave. Dipende in massima parte dalla frequenza ma anche dalla intensità. L'orecchio umano percepisce solo i suoni che vanno da 16 a 16.000 oscillazioni al secondo. Al di sotto abbiamo gli infrasuoni, al di sopra gli ultrasuoni. Il sonar, ma anche i delfini ed i pipistrelli percepiscono gli ultrasuoni mentre gli elefanti percepiscono gli infrasuoni.

La pratica musicale copre una gamma di suoni, le cui fondamentali vanno dal do grave che ha circa 65 oscillazioni semplici al secondo al do acuto che ha 8276 oscillazioni semplici. La voce umana ha un registro ancora più limitato. Per calcolare l'altezza dei suoni, è stato scelto come punto di riferimento il La3 (= ottava centrale del pianoforte) che chiamiamo diapason o corista. La frequenza del diapason, che fino al XIX secolo variava di Paese in Paese e anche a seconda del tipo di musica da eseguire (sacra, da camera etc.) è stata determinata da diversi congressi: nel 1885, al Congresso di Vienna, si stabilì che il La3 corrispondesse a 870 oscillazioni semplici che, a loro volta, corrispondevano a 435 oscillazioni doppie. Ora invece il valore di riferimento, stabilito dalla Conferenza di Londra del 1939, è 440 vibrazioni doppie, quindi 880 semplici.

[modifica] Volume e intensità

Il volume^[1] che viene spesso anche chiamato - colloquialmente ed erroneamente - intensità, è la qualità sonora associata alla percezione della forza di un suono, ed è determinato dalla pressione^[2] che l'onda sonora esercita sul timpano: quest'ultima è a sua volta determinata dall'ampiezza della vibrazione e dalla distanza del punto di percezione da quello di emissione del suono.^[3] In particolare, la pressione di un'onda sonora sferica emessa da una sorgente puntiforme risulta essere proporzionale al reciproco della distanza:

$\tilde{p} \sim \frac{1}{r}$

$\frac{\tilde{p}_1} {\tilde{p}_2} = \frac{r_2}{r_1}$

$\tilde{p}_1 = \tilde{p}_{2} \frac{r_2}{r_1}$

p = pressione; P = power

Per misurare il volume percepito di un suono, si fa spesso riferimento al livello sonoro, che viene calcolato, in decibel,^[4] come segue: $L_\mathrm{p}=10\, \log_{10}\left(\frac{{p}^2}{{p_0}^2}\right) =20\, \log_{10}\left(\frac{p}{p_0}\right)\mbox{ dB}$

nella formula, p indica la pressione quadratica media, mentre p₀ è una pressione sonora di riferimento (soglia del silenzio^[5] circa equivalente al rumore provocato da una zanzara a tre metri di distanza) comunemente posta 20 µPa (2 10^-5 N/m²) in aria e a 1 µPa in acqua. La misura in decibel risulta più appropriata per indicare il livello sonoro percepito, perché la risposta dell'orecchio umano è all'incirca logaritmica.^[6]

L'intensità di un'onda sonora è invece definita come la quantità di energia che passa attraverso l'unità di area nell'intervallo di tempo unitario. Quindi se l'energia E passa attraverso l'area A nel tempo t, l'intensità I dell'onda è $I = E / A t = P a c / A$ , dove si è tenuto conto della definizione di potenza P_ac come rapporto fra l'energia e il tempo in cui viene sviluppata ( $P a c = E / t$ ).^[7]

L'intensità si può esprimere anche a partire dalla pressione e dalla velocità dell'onda (indicando con T il periodo dell'onda): $I = \frac{1}{T} \int_{0}^{T}p(t) \cdot v(t)\,dt$

Nel caso di un'onda sferica (sorgente puntiforme), l'intensità, in funzione della distanza è data da

$I_r = \frac{P_{ac}}{A} = \frac{P_{ac}}{4 \pi r^2} \,$ .

Come si può vedere l'intensità decresce come il reciproco del quadrato della distanza: $I \sim {p^2} \sim \dfrac{1}{r^2} \,$ e quindi molto più rapidamente della pressione $p \sim \frac{1}{r}$ ^[8]

Anche per l'intensità si dà una definizione di livello in unità logaritmiche (decibel^[9]):

$L_I=10 \log_{10} \frac {I}{I_o} \,$

In questo caso l'intensità di riferimento I_o vale 10^-12W/m².

[modifica] Timbro

Il timbro, è la qualità che, a parità di frequenza, distingue un suono da un altro. Il timbro dipende dalla forma dell'onda sonora, determinata dalla sovrapposizione delle onde sinusoidali caratterizzate dai suoni fondamentali e dai loro armonici. Dal punto di vista della produzione del suono, il timbro è determinato dalla natura (forma e composizione) della sorgente del suono e dalla maniera in cui questa viene posta in oscillazione.

La scomposizione di un suono nelle proprie componenti sinusoidali fondamentali è detta analisi in frequenza. La frequenze vengono misurate in Hz, ovvero oscillazioni al secondo. Le armoniche di un suono sono suoni con frequenze che sono multipli interi del suono principale. Nella musica, tanto più un suono è composto da diverse componenti, tanto più esso risulta complesso: si va dal suono di un flauto dolce, composto dalla fondamentale e da pochissime armoniche, al suono degli strumenti ad arco, composto da moltissime frequenze armoniche secondarie.

Tanto più le frequenze secondarie che si sovrappongono alla principale non sono armoniche (ovvero hanno frequenze che non sono multipli interi della fondamentale), tanto più ci si avvicina al rumore.

[modifica] Suoni e rumori

Si può distinguere il concetto di suono da quello di rumore. Il suono è in generale una sensazione che nasce nell'uomo quando una perturbazione meccanica si propaga in un mezzo elastico facendolo vibrare. Per questa ragione molto spesso abbiamo a che fare con suoni i cui stimoli acustici hanno le componenti in frequenza (vedi trasformata di Fourier) multipli della frequenza fondamentale. Il rumore è comunemente identificato come una sensazione uditiva sgradevole e fastidiosa o intollerabile. L'orecchio umano è più sensibile agli stimoli acustici le cui frequenze siano comprese fra i 16 Hz e i 20 kHz.

[modifica] Note

^ Vedi anche:
- Corso di Fisica della Georgia State university
- Calcolatore d'intensità sonora
^ Cioè forza per unità di area: nel Sistema Internazionale di unità di misura, la pressione è espressa in pascal (simpbolo pa) cioè Newton su metro quadro.
^ Si tratta in effetti di una sovrapressione, cioè della variazione di pressione determinata dal suono.
^ A volte indicati come dBspl (dB sound pressure level - livello di pressione sonora) per distinguerli dall'analoga misura di livello d'intensità.
^ Oltre alla soglia del silenzio, si trovano anche riferimenti alla cosiddetta soglia del dolore, che però ha una definizione assi più soggettiva. I valori riportati variano tra i 120 e i 140 dB, corrispondenti a pressioni comprese tra 20 e 200 pascal.
^ In realtà bisognerebbe anche tenere conto del fatto che la risposta dell'orecchio umano dipende anche dalla frequenza del suono.
^ Nel Sistema Internazionale di unità di misura, l'intensità è quindi espressa in watt su metri quadri ( $W / m 2$ )
^ Valgono anche le relazioni (analogamente al caso della pressione)

$I \propto \frac{1}{r^2} \frac{I_1}{I_2} = \frac{{r_2}^2}{{r_1}^2} I_1 = I_{2} \cdot {r_{2}^2} \cdot \frac{1}{{r_1}^2} \,$
^ A volte indicati come dB-SIL (dB sound intensity level - livello di intensità sonora) per distinguerli dall'analoga misura di livello di pressione.