L’acustica è la parte della fisica che studia il suono, la perturbazione di tipo ondulatorio che si propaga in un mezzo elastico e che crea una sensazione uditiva (dai 16 ai 20.000 Hz). Lo studio fisico dei fenomeni sonori si estende al di sopra e al di sotto del campo delle frequenze cui l’orecchio umano è sensibile, ossia agli ultrasuoni (udibili da alcuni animali come i cani) e agli infrasuoni.
Il suono è prodotto dalla vibrazione di un corpo in un mezzo materiale, come l’aria o l’acqua; la vibrazione si tramette alle particelle del mezzo, generando un’onda elastica (onda sonora o acustica).
La trasmissione del suono, che abbisogna di un mezzo materiale, a differenza della luce, avviene per onde; la propagazione si verifica per onde longitudinali, a eccezione che nei solidi, dove si manifestano onde trasversali. La perturbazione si propaga in ogni luogo con una velocità che varia in relazione alle caratteristiche fisiche del mezzo; nell’aria, in condizioni normali e vicino al suolo, la velocità del suono è compresa fra i 330 e i 345 m/s; nei liquidi e nei solidi la velocità è molto maggiore (nell’acqua quasi 1.500 m/s, mentre nel titanio e nell’alluminio supera i 6.000 m/s). La velocità del suono nell’aria è molto inferiore a quella della luce (che, relativamente al suono, può essere considerata istantanea): calcolando l’intervallo in secondi (e moltiplicando per 340 circa) fra un lampo e il tuono, è possibile calcolare la distanza alla quale il fulmine è caduto.
Se il suono è puro, è rappresentato da una singola onda, mentre quando si sovrappongono più onde (spesso caoticamente) otteniamo un rumore. Per studiare le caratteristiche delle onde sonore è utile riferirsi al suono del diapason, uno strumento formato da un’asta d’acciaio a forma di U. Fatto vibrare, percuotendo una delle estremità (rebbi), produce onde acustiche con frequenza diversa a seconda del diapason stesso. Le onde emesse da un diapason sono sinusoidali, dove l’ampiezza dell’onda rappresenta il massimo dell’oscillazione dei rebbi.
Per ogni frequenza acustica esiste una soglia di udibilità del suono (intensità al di sotto della quale il suono non è percepibile) e una soglia del dolore (il superamento di tale soglia provoca dolore). Un suono è caratterizzato da altezza, intensità e timbro.
L’altezza dipende dalla frequenza delle vibrazioni e aumenta con essa: i suoni più gravi corrispondono a onde di frequenza minore (quindi di lunghezza d’onda maggiore), mentre i suoni più acuti corrispondono a onde di frequenza maggiore (quindi minori lunghezze d’onda).
L’intensità è definita come l’energia emessa nell’unità di tempo dalla sorgente sonora su una superficie di un metro quadrato ed è proporzionale al quadrato dell’ampiezza della vibrazione della sorgente. Viene considerata sotto due aspetti, ossia l’intensità oggettiva, proporzionale al quadrato dell’ampiezza delle vibrazioni, e l’intensità soggettiva, che è quella con cui il suono è percepito dall’orecchio umano. Per misurare i suoni percepiti dal nostro orecchio si usa una scala in decibel (dB), assegnando il valore zero al suono udibile più debole; per valori sopra i 120 dB sia ha la soglia del dolore, ma anche per esposizioni più o meno prolungate a suoni con 80-90 dB si possono avere danni uditivi irreversibili.
Il timbro dipende dalla forma delle vibrazioni; mentre un diapason emette un suono puro (il cui andamento è descritto da una sinusoide), uno strumento musicale emette onde che si sovrappongono non caoticamente come nei rumori, ma con determinate caratteristiche (armoniche). Un’armonica è una frequenza secondaria multipla di un’altra frequenza (detta fondamentale). Le armoniche sono quelle frequenze che, unitamente alla fondamentale, generano il timbro di un suono. È proprio questa caratteristica che differenzia la sensazione sonora provocata dalla stessa nota, suonata con strumenti diversi. Ogni suono può essere ricondotto alle sinusoidi che lo costituiscono con l’analisi armonica di Fourier (un segnale periodico non sinusoidale è sempre composto di un numero variabile di sinusoidi).
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