Tutti voi certo avrete già sentito parlare o avrete direttamente sperimentato l’effetto dell’eco: tale fenomeno si produce quando le onde acustiche vanno a colpire una superficie in grado di farlo rimbalzare e ritornare indietro; ecco perché dopo un certo tempo è possibile riudire, totalmente o parzialmente, un suono od un rumore.
La superficie colpita dalle onde sonore funziona in modo simili a uno specchio: come questo è in grado di riflettere i raggi di luce, così una data superficie in una data posizione è in grado di rimandare sino a noi le onde sonore: con la differenza che, mentre i raggi di luce sono velocissimi, le onde sonore sono più lente e quindi impiegano più tempo per ritornare sino a noi, da qui l’effetto di ripetizione.
Questo principio viene sfruttato in particolare da speciali apparecchiature marine come lo:
Scandaglio Sonoro
Ecogoniometro
Ecòmetro
Poste in genere sotto la chiglia di una nave esse emettono, a distanze regolari di tempo, onde acustiche che si propagano nell’acqua, vanno a colpire il fondale e ritornano alla nave.
Misurando il tempo impiegato dall’onda sonora a propagarsi ed a ritornare indietro si può conoscere la profondità di quel dato specchio d’acqua: è infatti sufficiente dividere tale valore per due, ottenendo così il tempo impiegato dall’onda sonora per andare a urtare il fondale, e quindi moltiplicare il risultato per la velocità dell’onda sonora nell’acqua marina (che è di 1545 metri al secondo) si otterrà la profondità richiesta.
Ad esempio se il tempo impiegato dall’onda per andare e ritornare è di 10 secondi, si divide tale durata per due e si moltiplica per 1545, cioè: (10:2) x 1545 = 7725, rileveremo che in quel punto la profondità dell’acqua è di 7725 metri.
Queste apparecchiature possono essere utilizzate anche per rilevare sott’acqua la presenza di eventuali ostacoli (Bachi di pesci, relitti, etc.).
Tipico a questo proposito fu l’uso nella Seconda Guerra Mondiale del cosiddetto “SONAR” (Sound Navigation And Ranging) con il quale era possibile localizzare la presenza di sommergibili o mine: quando l’onda sonora incontrava un ostacolo e rimbalzava prima del dovuto, cioè prima di giungere al fondale, segnalava la presenza di un corpo “estraneo”.
Suoni e rumori presentano tre principali particolarità: Altezza, Intensità, Timbro.
Altezza
L’Altezza di un suono è il suo essere più acuto, più grave oppure uguale rispetto ad un altro suono.
Questa prima componente dell’acustica, in base alla quale ciò che noi udiamo ci risulta più o meno grave e profondo, oppure più o meno acuto e stridulo, dipende dal numero di oscillazioni compiute dalla sorgente acustica in una data porzione di tempo (in genere si assume, come unità di tempo, il minuto secondo): quanto più numerose, e quindi più fitte, sono queste oscillazioni, tanto più alto, cioè tanto più acuto e stridulo, ci risulta l’effetto acustico.
Ora, mentre il rumore, a causa dell’irregolarità delle sue onde ha un’altezza difficilmente misurabile con precisione, il suono, grazie all’uniformità delle sue vibrazioni, può essere distinto in varie frequenze. In altre parole, il suono ha un moto oscillatorio periodico, cioè dotato dello stesso numero di vibrazioni nella medesima unità di tempo.
Questo numero costante di vibrazioni si chiama periodo o anche Hertz (abbreviato Hz), dal nome del fisico tedesco Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894) che studiò questo fenomeno. Ecco pertanto,come si possono graficamente rappresentare due suoni diversi in base alla loro altezza. Il suono superiore il numero delle vibrazioni comprese in un secondo è maggiore che nel suono inferiore, il suono superiore è pertanto più acuto di quello inferiore.
Nei confronti dell’altezza il nostro orecchio possiede limiti abbastanza precisi: in particolare per essere da noi avvertito un effetto acustico deve possedere almeno 16 frequenze al minuto secondo, ossia vibrare 16 volte in un secondo, infatti un numero inferiore di 16 vibrazioni non è udibile da orecchio umano e si entra nel campo degli infrasuoni. D’altra parte un effetto acustico non deve neanche superare le 20.000 vibrazioni al minuto secondo, perché sarebbe inudibile per il nostro orecchio, il suono infatti apparterrà al campo degli ultrasuoni.
Questi limiti valgono solo per l’uomo: molti animali infatti hanno possibilità ben più ampie, soprattutto per quanto riguarda il campo delle alte frequenze;
Intensità
L’Intensità del suono è la forza con cui si sente un suono, che può essere perciò: forte, fortissimo, piano, pianissimo, pur restando immutata la sua altezza.
Questa seconda componente acustica, in base alla quale ciò che noi udiamo ci risulta più o meno forte o più o meno debole, dipende dall’ampiezza delle vibrazioni, cioè dal maggiore o minore spostamento compiuto dalle oscillazioni della sorgente acustica.
Ecco come si rappresenta lo stesso suono (cioè un suono sempre con la stessa altezza) ora debole, ora forte: Nel secondo caso le creste e gli avvallamenti dell’onda sono più accentuati, cioè più ampi rispetto al primo.
Due sono in particolare le misure con cui viene calcolata l’intensità: una si chiama watt, dal nome dell’inventore scozzese James Watt (1736-1819), indica la vera a propria energia posseduta dalle oscillazioni della sorgente acustica; l’altra invece,
detta decibel (abbreviato dB), dal nome del fisiologo scozzese Alexander Graham Bell (1847-1922) calcola l’intensità i base alla sensazione che l’intensità provoca in noi. Il massimo livello d’intensità che il nostro orecchio può percepire, prima di provare dolore e subire danni irreparabili, è di 120 dB, un livello che indica un’intensità un milione di milioni di volte più forte del minimo percepibile.
Il Timbro
Per Timbro del suono intendiamo quella qualità che ci permette di distinguere quale sia la fonte sonora del suono prodotto; in altre parole noi siamo in grado di riconoscere i vari strumenti, per esempio il suono del violino o del pianoforte, proprio grazie ai loro diversi timbri.
Questa terza componente di ogni effetto acustico, in base alla quale ciò che noi udiamo ci risulta dotato di un particolare “colore”, dipende dalla forma dell’onda generata dalla sorgente sonora. Poiché è facile immaginare che le forme di un’onda possano essere numerosissime, altrettanto numerosi possono essere i timbri.
La forma che determina il timbro del suono è data dalla presenza di altre onde, cioè di altri particolari suoni che si generano spontaneamente assieme al suono principale. Questi suoni sono chiamati armonici: ogni sorgente acustica che produce suono genera immancabilmente un dato numero ed un dato tipo di armonici conferendo così a quel suono un particolare timbro. Il maggiore o minore intervento di questo o di quegli armonici produce perciò un certo timbro, così come la maggiore o minore quantità di questa o quella vernice mescolata con altre di colore diverso, produce una certa sfumatura di colore.
In natura quindi non esistono suoni puri (cioè suoni privi di armonici): solo con particolari apparecchiature di laboratorio è possibile “costruire” suoni puri.
I suoni armonici hanno due caratteristiche:
Sono sempre puri
Sono sempre più acuti del suono fondamentale al quale conferiscono il timbro.
Per rendersi conto di come i suoni armonici, unendosi al suono fondamentale, diano origine a particolari forme d’onda, bisogna osservare gli schemi a fianco: Se al suono fondamentale uniamo il 2° ed il 3° armonico, otterremmo questa particolare forma d’onda, cioè questo timbro:
Riassumendo:
L’Acustica è la scienza che studia tutti gli effetti sonori.
La sorgente acustica è un qualsiasi corpo che, percorso, vibra producendo un effetto sonoro.
Il mezzo propagante trasmette le vibrazioni dalla sorgente acustica al ricevente.
Il ricevente (cioè l’orecchio) trasforma le onde sonore in stimoli che vanno a sollecitare il nostro cervello.
Timpano, martello, incudine, staffa e nervo acustico sono le parti dell’orecchio che elaborano e trasmettono le onde acustiche al cervello.
Il suono è un effetto acustico determinato da onde perfettamente costanti e regolari.
Il rumore è un effetto acustico determinato da onde acustiche disuguali e irregolari.
L’Altezza è la caratteristica del suono che dipende dal numero di vibrazioni (Hz). Quanto maggiore è il numero delle vibrazioni, tanto più acuto risulta il suono.
Gli infrasuoni sono quegli effetti acustici che hanno un numero inferiori a 16.
Gli ultrasuoni sono quegli effetti sonori con un numero di Hz che supera i 20.0000.
L’Intensità è la caratteristica del suono che varia secondo l’ampiezza delle vibrazioni. Quanto maggiore è l’ampiezza delle vibrazioni, tanto più forte risulta il suono.
I watt indicano la potenza fisica dell’intensità sonora.
I decibel indicano la potenza dell’intensità in base alla sensazione suscitata nell’ascoltare.
L’Inquinamento acustico deriva da un eccessivo uso e abuso di decibel.
Il Timbro è la caratteristica del suono che dipende dalla forma delle vibrazioni.
I suoni armonici sono quei suoni che concorrono, assieme al principale, alla formazione dell’onda sonora.
Due sono le principali categorie in cui gli effetti acustici possono venire distinti in base al tipo di onde che posseggono: se queste onde sono uguali fra di loro e costanti si ha il suono; se invece non sono uguali fra di loro né costanti si ha il rumore.
Se rappresentiamo le onde acustiche con una linea curva (sinusoide) potremo descrivere graficamente i due effetti come nelle figure sotto.
In musica si fa prevalentemente uso di suoni, cioè di vibrazioni acustiche regolari; ma non per questo i rumori sono del tutto esclusi, anzi! Come con la Musica concreta non mancano strumenti che producono rumori e composizioni che addirittura fanno essenzialmente uso di rumori e non di suoni.
L’acustica è la scienza che tratta tutti gli effetti sonori che incontriamo nella nostra vita: studia cioè come questi effetti si producono, come si propagano e come giungono al nostro orecchio. Per rendersi conto di tutto ciò, occorre studiare il fenomeno degli effetti sonori in quattro fasi:
Fase 1
La sorgente acustica
Ogni effetto acustico è causato dalle vibrazioni di un corpo elastico che, sottoposto ad una deformazione, tende a riprendere la sua forma primitiva: tenete presente che tutti i corpi solidi sono elastici, anche il marmo e l’acciaio, ed anche tutti i fluidi come l’acqua e l’aria. In altre parole quando noi percuotiamo un oggetto qualunque, causiamo in esso una deformazione, magari impercettibile, ma pur sempre presente. L’oggetto percosso si mette così a vibrare per un certo periodo di tempo e trasmette queste vibrazioni all’aria circostante.
Fase 2 – Il mezzo propagante
Per giungere sino a noi ogni effetto acustico ha bisogno di un mezzo propagante che trasmetta le vibrazioni della sorgente sonora: il principale mezzo propagante è l’aria.
Nel vuoto infatti, come nello spazio interstellare o sulla Luna, non si può avere alcun effetto sonoro, perché non vi sono elementi come l’aria che possano venire sollecitati. Il primo che studiò questo fenomeno fu Robert Boyle (1627-1691), un nobiluomo inglese appassionato di scienze che, con i suoi esperimenti, riuscì a dimostrare come in assenza d’aria qualunque effetto acustico non può avere luogo. Egli progettò e costruì una pompa per l’aspirazione dell’aria e la collegò ad una campana di vetro a chiusura ermetica, nella quale aveva posto un orologio dal robusto ticchettio: poté così notare che, dopo aver estratto l’aria, e creato il vuoto nella campana il ticchettio non era più percettibile.
L’aria che circonda la sorgente acustica viene dunque smossa dalle vibrazioni di questa: si produce così una serie di onde, che si diffondono intorno alla sorgente acustica allargandosi in cerchi concentrici e creando zone alterne di compressione e di rarefazione. La velocità con cui si spostano queste onde dipende dalla natura del mezzo propagante che utilizziamo, cioè dalla sua densità molecolare; quanto più è denso il mezzo propagante, tanto più veloce sarà lo spostamento di queste onde.
L’aria che circonda la sorgente acustica viene dunque smossa dalle vibrazioni di questa: si produce così una serie di onde, che si diffondono intorno alla sorgente acustica allargandosi in cerchi concentrici e creando zone alterne di compressione e di rarefazione. La velocità con cui si spostano queste onde dipende dalla natura del mezzo propagante che utilizziamo, cioè dalla sua densità molecolare; quanto più è denso il mezzo propagante, tanto più veloce sarà lo spostamento di queste onde.
Fase 3 – Il ricevente (l’Orecchio)
Grazie dunque al mezzo propagante l’effetto acustico può giungere al nostro orecchio e può quindi essere effettivamente percepito. Il nostro orecchio infatti è un prodigioso e complicato meccanismo che ha il compito di trasformare le onde del mezzo propagante in stimoli che vanno a sollecitare il nostro cervello. Innanzitutto le onde mettono in vibrazione la sottile membrana del timpano; ma le sue vibrazioni sono molto piccole e per essere percepite devono essere amplificate, cioè ingrandite. A ciò provvedono tre ossicini, martello, incudine e staffa, che triplicano l’energia delle onde emesse dal timpano e che trasmettono le vibrazioni all’ organo di Corti (dal nome di colui che per primo lo studiò), un complicatissimo e stupefacente meccanismo composto da 7500 elementi racchiusi nello spazio di circa 2 centimetri quadrati. Tale organo ha il compito di trasformare le onde acustiche in impulsi elettrici che, attraverso il nervo acustico, raggiungono finalmente il cervello.
Fase 4 – Il cervello
Il cervello, che per tanti versi può essere paragonato ad un prodigioso e ancora in gran parte misterioso computer, traduce gli stimoli acustici in vere e proprie sensazioni sonore. Questo processo, assai complicato, viene studiato dalla psico-acustica, una particolare scienza in base alla quale sappiamo che i vari effetti acustici non vengono percepiti da ciascuno di noi allo stesso modo: in altre parole ogni essere umano ha una sua sensibilità acustica, così come ha una sua sensibilità visiva; quando una persona dice che un dato oggetto è di colore “verde chiaro”, non può essere completamente sicura che un’altra persona “veda” quell’oggetto dello stesso colore; e questo vale per gli effetti acustici.
