Propagazione del suono

Abbiamo detto che il suono si propaga nei mezzi elastici, fra questi ovviamente l’aria. Per capire come questo avvenga in pratica consideriamo la struttura dell’aria. Questa è formata da tante molecole unite fra di loro da legami elastici. Possiamo immaginare le molecole di aria come sfere unite ad altre sfere tramite molle. Quando un corpo vibra, comunica il suo movimento alla prima molecola d’aria, (la prima sfera nel modello). Questa molecola spostandosi in avanti “spinge” la molecola successiva, la quale “spinge” quella a sua volta successiva, e così via. Un attimo dopo i legami elastici, (le molle nel modello), “richiamano” indietro la molecola nella sua posizione iniziale di equilibrio. Per effetto della forza d’inerzia la molecola supera il punto centrale di equilibrio, raggiungendo una posizione quasi speculare al punto di massima escursione in avanti. Questi movimenti si trasmettono alle molecole contigue in un certo tempo. Per effetto di tali movimenti avremo delle zone in cui vi è compressione dell’aria, e delle altre in cui vi è rarefazione. Queste diverse zone si ripeteranno a partire dalla sorgente, nel senso di propagazione del suono. Questo effetto prende il nome di onda longitudinale.

Si chiama onda longitudinale quella in cui la direzione dell’oscillazione e quella della

propagazione coincidono.

Data una sorgente di suono, questo si propaga allo stesso modo in tutte le direzioni. Possiamo dire che si propaga secondo fronti d’onda sferici. La superficie del fronte d’onda aumenta in proporzione col quadrato della distanza dalla sorgente.

Di conseguenza l’energia che possiede il fronte d’onda si distribuisce su tutta la superficie, per cui su una singola unità di superficie avremo un’energia che decresce proporzionalmente al quadrato della distanza. Siccome l’energia è proporzionale all’intensità sonora, possiamo dire che:

• L’intensità sonora decresce con il quadrato della distanza.

I = E / Δt·(4p·r²)

Volendo esprimere in decibel questa variazione:

• Raddoppiando la distanza, l’intensità sonora decresce di 6 dB

• Decuplicando la distanza, l’intensità sonora decresce di 20 dB

Quindi se ad esempio misuriamo un intensità di 100 dB ad un metro da un diffusore acustico:

• A due metri avremo 94 dB

• A dieci metri avremo 80 dB

Si nota quindi come il fattore distanza sia molto rilevante nell’attenuazione dell’intensità acustica.

In particolare se consideriamo una sorgente puntiforme di onde sferiche (es. un martello che batte su di un incudine). La potenza P generata dalla sorgente si consideri costante, ciò vuol dire che nell’unità di tempo viene inviata nello spazio una quantità costante di energia pari appunto a P. Se consideriamo che la propagazione di questa quantità di energia avviene mediante onde sferiche, abbiamo che I =  P / (4p·r²).

L’intensità di un onda sferica, in assenza di effetti dissipativi, decresce in misura inversamente proporzionale al quadrato della distanza dalla sorgente sonora. Poiché l’intensità è proporzionale al quadrato dell’ampiezza A (I=K’·A²) possiamo dire: l’ampiezza di un’onda sferica decresce in misura inversamente proporzionale alla distanza dalla sorgente sonora, A=K’’/r.

Velocità di propagazione del suono

Il suono si propaga ad una velocità che dipende dalla natura del mezzo elastico in cui si diffonde.

Inoltre tale velocità è influenzata, sebbene in misura minore, dalla temperatura, dalla pressione e dall’umidità. A seconda poi se il mezzo è un solido o un fluido, possiamo avere che nei solidi la propagazione può essere sia longitudinale che trasversale, mentre nei fluidi solo longitudinale.

In generale la velocità con la quale una perturbazione sonora si propaga in un fluido può essere scritta come:

Con K coefficiente di compressibilità del fluido e r densità del fluido. Per i solidi la relazione è identica solo che va sostituito K con altri parametri costanti.

Vediamo qual’è la velocità del suono in alcuni mezzi elastici (in metri/secondo):