La propagazione delle onde sonore

Ogni giorno, ogni attimo, avvertiamo dei suoni grazie al nostro apparato acustico (o sistema uditivo, o udito, che è uno dei cinque sensi grazie ai quali percepiamo il mondo esterno). Le onde sonore vengono convogliate efficacemente all'interno del nostro padiglione auricolare (orecchie) che presenta una forma evolutivamente efficace, ossia simile ad una spirale, che ci permette di captare il più possibile e nel migliore dei modi tutti gli stimoli uditivi esterni per essere poi inviati al nostro cervello, che li rielabora in modo che ci siano comprensibili. Il suono è infatti un'onda. Per comprendere appieno però in che modo avviene la propagazione delle onde sonore dobbiamo prima illustrare cosa intendiamo con onda, procedere poi con la spiegazione delle sue principali proprietà fisiche, e concludere con l'illustrazione della diffusione delle onde sonore. Questa guida dunque vi spiegherà tutto ciò e alla fine capiremo in che modo il miagolio di un gatto, lo scoppiettio di un fuoco, il motore di un'auto o la voce di una persona giunge alle nostre orecchie, permettendoci di cogliere la ricchezza sonora del mondo che ci circonda. Il suono infatti è uno dei protagonisti fisici dell'ambiente in cui viviamo, da sempre.

• Un manuale di fisica
• Curiosità
• Un qualsiasi oggetto predisposto a vibrare (come una pentola) o la stessa voce

Un'onda è una perturbazione che si propaga trasportando energia ma non materia. Pensiamo ad una goccia che cade su una pozzanghera: si formano dei cerchi concentrici che si allargano sempre di più, verso l'esterno. In questo caso l'acqua è il mezzo materiale in cui l'onda si propaga, mentre la goccia caduta è la fonte (o sorgente) dell'onda. L'onda, cioè, mette in moto molecole d'acqua sempre più lontane, ma non trasporta materia, perché le molecole d'acqua assumono semplicemente un movimento da su a giù, senza spostarsi. Abbiamo spostamento di energia, ma non di materia, appunto.

In base alla direzione del movimento dell'onda, essa può presentare due proprietà fisiche: può essere trasversale, quando gli elementi del mezzo materiale si spostano perpendicolarmente al moto dell'onda; oppure longitudinale, quando gli elementi del mezzo materiale si spostano parallelamente al moto dell'onda. Per esempio, nel primo caso, abbiamo onde trasversali quando muoviamo l'estremità di una molla in modo perpendicolare alla stessa; nel secondo caso, abbiamo onde longitudinali quando muoviamo l'estremità della molla avanti e indietro.

Possiamo facilmente intuire come le onde sismiche, ossia i terremoti, siano sia longitudinali che trasversali perché assistiamo a un movimento dall'alto verso il basso, e da destra verso sinistra, e viceversa, in modo ritmico. Le onde sonore invece sono soltanto longitudinali. Le onde sonore appartengono infatti alla categoria delle onde elastiche, le quali sono onde che si propagano solo grazie alle proprietà elastiche del mezzo materiale che le fa da supporto. Per comprendere meglio questo concetto, basta pensare al fatto che le onde in una corda o in una sbarra d'acciaio o in una ringhiera sono elastiche perché hanno bisogno di questi supporti fisici per propagarsi; le onde radio e quelle luminose invece non sono onde elastiche perché riescono a propagarsi anche nel vuoto, cioè senza nessun mezzo materiale che le sostiene! Ed è per questo motivo che la luce del sole riesce a giungere fino alla Terra passando per il vuoto cosmico (lo spazio). Se l'onda luminosa fosse stata elastica nessun pianeta avrebbe mai potuto ricevere della luce.

A differenza della luce, dunque, le onde sonore (o acustiche) necessitano di un supporto fisico materiale per poter propagarsi. La sorgente del suono infatti è sempre un corpo che vibra. Se colpiamo una pentola, la vediamo vibrare e sentiamo un caratteristico suono. Se blocchiamo la pentola però, il suono cessa insieme alla vibrazione. Le stesse corde vocali con le quali parliamo sono delle piccole membrane tese che vibrano per effetto dell'aria che esce dai nostri polmoni. Il suono è poi un'onda longitudinale.

Il suono si propaga nell'ambiente che ci circonda grazie a un elemento fisico fondamentale: l'aria. Senza aria infatti non si sentirebbe alcun suono perché esso non sarebbe in grado di propagarsi. Nello spazio cosmico non è presente alcun suono o rumore di qualsiasi natura poiché non c'è l'aria che lo sostiene. La variazione d'aria così viene avvertita dal timpano, una membrana presente all'interno del nostro orecchio. Il timpano viene spinto verso l'interno o verso l'esterno a seconda della densità dell'aria. Questo movimento del timpano viene trasmesso con gli ossicini dell'orecchio medio alla cosiddetta chiocciola (una struttura a spirale riempita di liquido). L'oscillazione del liquido eccitano alcune terminazioni nervose producendo il segnale che con il nervo acustico giunge infine al nostro cervello. In questo modo percepiamo i suoni. Si tratta di un continuo "gioco" di oscillazioni.

Concludiamo la guida elencando le caratteristiche fisiche del suono. Un suono ha tre proprietà: altezza, intensità e timbro. L'altezza distingue un suono più acuto da uno più grave e dipende dalla frequenza dell'onda. Un suono è più alto quanto maggiore è la sua frequenza. L'intensità di un suono poi distingue un suono ad alto volume da uno più basso e dipende dall'ampiezza dell'onda. Onde con ampiezza maggiore trasportano un suono più udibile. Infine, il timbro di un suono dipende dalla particolare legge periodica con cui oscilla l'onda sonora, e ci permette di capire se il suono proviene da una tromba, un flauto o una persona.

• Come tutte le onde, anche il suono ha una velocità di propagazione che dipende dal materiale in cui si propaga e altre caratteristiche. La velocità in aria secca equivale a 332 m/s.
• Nell'acqua il suono è 5 volte più veloce che nell'aria.
• Rispetto alla luce il suono è molto più lento. Per questo vediamo prima il fulmine e solo dopo sentiamo il tuono.
• L'eco è dovuta alla riflessione delle onde sonore, cioè al loro rimbalzo su alcune superfici.
• L'effetto Doppler afferma che la frequenza di un'onda periodica, rilevata da un ricevitore in moto rispetto alla sorgente dell'onda, è diversa da quella rilevata da un ricevitore in quiete rispetto alla sorgente.
• Non tutti i suoni sono percepiti dal nostro sistema orecchio-cervello. Per essere udibile un'onda sonora deve avere una frequenza compresa tra 20 Hz e 20000 Hz. A frequenze inferiori troviamo gli infrasuoni; a frequenze superiori corrispondono gli ultrasuoni.
• In molti film di fantascienza vengono riprodotti rumori di esplosioni o altri tipi di suoni nello spazio cosmico. Questo è un noto errore della cinematografia poiché abbiamo visto che nello spazio aperto il suono non è presente. Tuttavia, i rumori rendono i film più spettacolari e coinvolgenti.

• Onda sonora
• Grandezze fisiche
• Spiegazione breve

• Come calcolare il duty cycle a onda quadra
• Come calcolare i coefficienti di assorbimento, riflessione e trasmissione
• Definizione, sorgenti e propagazione delle onde elettromagnetiche