Nozioni
di Acustica semplice
Introduzione
Un corpo che vibra genera compressione e decompressione
dell’aria, che si trasmette in tutte le direzione sotto forma di
onde. Le onde che raggiungono un orecchio animale o umano, vengono
raccolte dal padiglione auricolare e convogliate sulla membrana
del timpano. Questo è collegato con una catena di ossicini che
trasferiscono le vibrazioni ad un liquido presente nell’orecchio
interno. I movimenti del liquido stimolano i filamenti delle
cellule ciliate, che generano gli impulsi nervosi.
Ogni onda sonora
ha caratteristiche proprie come l'intensità o la lunghezza. Non
si può sentire un suono se non ha una intensità sufficiente a
far vibrare il timpano e lo stesso avviene se non ha la giusta
lunghezza d’onda (l).
Il numero di volte che una sorgente sonora vibra in un secondo
viene chiamata frequenza e viene espressa in Hertz, quindi se un
suono ha frequenza 100 significa che la sua sorgente vibra 100
volte in un secondo. L’orecchio umano è sensibile a frequenze
da 20 a 20.000 Hertz.
Il
suono
Generalmente, nel linguaggio comune, quando si parla di
suono si intende la sensazione psicologica legata all'ascolto.
Per descrivere un suono, in effetti, spesso usiamo aggettivi,
come ad esempio gradevole oppure fastidioso, che sono legati
alla sfera delle nostre emozioni. Ma come possiamo definire in
modo più esatto e oggettivo un suono? Per rispondere a questa
domanda ci conviene partire dalle origini e quindi, per prima
cosa, cercare di capire da dove nasce un suono. Se facciamo un
piccolo esperimento e pizzichiamo la corda di una chitarra ci
accorgiamo che, in questo caso, il suono è prodotto e nasce
proprio dalla vibrazione della corda.
Vibrazione di una
corda pizzicata
Per essere più
precisi possiamo dire che per vibrazione si intende un movimento
oscillatorio di un corpo attorno alla sua posizione di
equilibrio come quello mostrato dalla figura precedente. La cosa
interessante è che qualsiasi tipo di suono, non solo quello di
una corda di chitarra, è prodotto proprio da un fenomeno di
questo tipo in cui c'è un corpo, chiamato sorgente del suono,
che vibra. Ma come riesce questa vibrazione ad arrivare fino al
nostro orecchio per essere percepita? Quello che accade è che,
quando un corpo vibra, la sua vibrazione si propaga
nell'ambiente circostante sotto forma di un onda di pressione,
ed è proprio quest'onda che viene chiamata suono. Per
visualizzare questo fenomeno possiamo pensare all'onda che si
genera sulla superfice dell'acqua quando agitiamo una mano nel
liquido: più la vibrazione della mano è ampia e più sarà
alta l'onda che si propaga nell'acqua. Allo stesso modo più è
ampia l'oscillazione della corda e più sarà forte il suono che
ascolteremo.
Onda di pressione
generata nell'aria dalla corda
Da quello che
abbiamo appena detto ne deriva che noi possiamo ascoltare un
suono solo se esiste un mezzo attraverso il quale la vibrazione
del corpo si può propagare e generalmente questo mezzo di
propagazione è proprio l'aria che ci circonda. In realtà, però,
il suono si propaga in qualsiasi tipo di mezzo, solido liquido o
gassoso anche se con velocità diverse, come possiamo vedere
nella tabella che segue, da dove si deduce che la velocità del
suono cresce con la densità del mezzo in cui si propaga.
MEZZO
|
VELOCITÀ
(metri al secondo)
|
Aria |
331 |
Acqua |
1450 |
Piombo |
1230 |
Ferro |
5130 |
Granito |
6000 |
La
velocità del suono in alcuni materiali
Anche
l'attenuazione che subisce il suono - ovvero la diminuzione del
suo volume mentre viaggia - dipende dalla densità del mezzo di
propagazione e infatti per esempio, nell'acqua un suono si può
percepire ad una distanza molto maggiore che nell'aria.
Le
caratteristiche di un suono
Se andate a
guardare su un qualsiasi libro di musica vedrete che il suono si
definisce usando tre proprietà: altezza, intensità e timbro.
Ma cosa rappresentano questi nomi? Per capire come si collegano
queste grandezze al suono ci conviene osservare la forma
dell'onda di pressione che nasce da un corpo che oscilla e si
propaga nel mezzo circostante. Possiamo rappresentare quest'onda
su di un grafico come quello che segue.
Grafico di un onda
sonora
Se osservate la
figura vi accorgete che un onda sonora è caratterizzata dal fatto
che una stessa forma si ripete periodicamente. L'altezza di un
suono, chiamata più comunemente frequenza, è proprio l'inverso
del tempo che dura ogni ripetizione, che, a sua volta, viene
chiamato il periodo dell'onda. L'onda sonora in figura, per
esempio, ha un periodo che dura 1/100 di secondo e quindi una
frequenza pari a 100 oscillazioni al secondo. L'unità di misura
della frequenza si chiama Hertz, o in breve Hz, e quindi questa
frequenza vale 100 Hz. Ma come possiamo sentire la frequenza di un
suono? Niente di più facile! Più un suono è acuto e più la sua
frequenza cresce. Per dare un po' di numeri considerate che una
frequenza minore di 200 Hz è un suono basso mentre una frequenza
maggiore di 800 Hz è un suono acuto.
Passiamo ora alla
seconda proprietà di un suono, l'intensità. Come potete
immaginare con questo nome si intende l'ampiezza di un suono, il
suo volume. Ma come si misura questa volume? Così come per la
frequenza esiste un'unità di misura ad hoc, gli Hertz, anche in
questo caso per misurare l'ampiezza di un suono si usa un unità
particolare chiamata Decibel, e quando usiamo questa unità
facciamo riferimento proprio alla sensibilità dell'udito: un
suono appena percepibile infatti ha un ampiezza di 0 decibel -
abbreviato in Db - mentre un suono spacca timpani ha un ampiezza
di 120 Db. Ma diamo qualche altro esempio tra questi due
estremi:
Decibel
|
Condizione
ambientale
|
140
|
Soglia
del dolore
|
120
|
Clacson
potente, a un metro
|
100
|
Interno
della metropolitana
|
80
|
Strada
a circolazione media
|
70
|
Conversazione
normale, a un metro
|
60
|
Ufficio
commerciale
|
40
|
Biblioteca
|
20
|
Studio
di radiodiffusione
|
0
|
Soglia
di udibilità
|
Ampiezza
sonora (Decibel)
Ed ora vediamo
qualche sito su cui possiamo trovare qualche informazione in più
su quanto abbiamo detto:
http://www.racine.ra.it/ungaretti/labscie/acustica.htm
a questo indirizzo, per esempio, la scuola media statale
"Ungaretti" di Solarolo (RA) descrive, in un percorso
a esperimenti, le basi dell'acustica;
http://www.atnet.it/lstron/fisica/oscill/sim01.htm
qui, invece, possiamo trovare un laboratorio di fisica virtuale
con delle ottime animazioni che descrivono il comportamento di
un onda sonora e anche, per i più volenterosi, le equazioni
matematiche che la descrivono.
Il
timbro
L'ultima, e più complessa, caratteristica di un suono
è chiamata timbro. Possiamo dire che il timbro rappresenta la
carta di identità del suono. Per convincersene facciamo
suonare, per esempio, ad un violino e a un pianoforte la stessa
nota alla stessa ampiezza. Questi due suoni quindi avranno la
stessa altezza, la stessa intensità ma un timbro, e quindi un
identità, differente.
Grafico dell'onda
di pressione generata
da un piano e da un violino
Come vedete la
forma dell'onda è molto diversa nei due casi e si sarebbe
tentati di affermare che è proprio lei la responsabile del
timbro. Ma purtroppo questo non è del tutto esatto. In effetti
ci possono essere delle forme d'onda che appaiono differenti ma
hanno lo stesso suono. A prima vista potrebbe sembrare di essere
arrivati in un vicolo cieco, ma in realtà una via di uscita
esiste e la scoprì nel 1701 il francese Sauveur. Questo
scienziato, studiando le vibrazioni di una corda, intuì che
qualsiasi suono in realtà è formato da una somma di onde
elementari chiamate sinusoidi o armoniche. E questa scoperta
venne formalizzata, verso la fine del '700, dal matematico J. B.
Fourier che ne ricavò un celebre teorema che porta il suo nome.
Usando questo
teorema si vede che il timbro di un suono in effetti dipende
dalla quantità e dall'ampiezza delle sinusoidi che contiene così
come il sapore di una pietanza dipende dagli ingredienti che
usiamo per prepararla. Quindi, così come possiamo descrivere
una pietanza attraverso la lista dei suoi ingredienti, allo
stesso modo possiamo caratterizzare un suono specificando le
sinusoidi che lo formano. Questa lista degli ingredienti di un
suono ovvero delle sinusoidi che lo compongono, si chiama
spettro. Ma come si legge lo spettro di un suono? Se osservate
la figura seguente, che rappresenta uno spettro, potete
osservare che sull'asse orizzontale sono rappresentate, in
ordine crescente, le frequenze delle armoniche che compongono il
suono, mentre, l'ampiezza di ognuna di queste armoniche è
rappresentata dall'altezza della riga che la rappresenta.
Lo spettro
Se volete saperne di
più sullo spettro e sull'importanza che riveste nel mondo della
musica e dei suoni potete recarvi sul sito http://nts.csrf.pd.cnr.it/biblos/spettro-sonoro.htm
della "Biblioteca Umanistica Virtuale degli Organi di Ricerca
del CNR" dove troverete tutte le informazioni che vi possono
servire su questo argomento.
Alla pagina http://www-groups.dcs.st-and.ac.uk/~history/Mathematicians/Fourier.html
invece potrete trovare una breve biografia di Fourier (in
inglese).
La
percezione del suono
Un suono, come
abbiamo visto nel caso della corda di una chitarra, è un'onda
di pressione che parte da un oggetto che vibra e si propaga
nell'aria circostante. Per poter percepire quest'onda sonora
l'uomo utilizza l'orecchio, un organo complesso ed estremamente
sensibile. Ma non tutte le vibrazioni possono essere percepite
dal nostro orecchio e infatti, per esempio, noi non riusciamo a
sentire il suono di un fischietto per cani perché la sua onda
sonora ha una frequenza maggiore dell'intervallo in cui
l'orecchio è sensibile.
Teoricamente,
infatti, il nostro orecchio è in grado di ascoltare un suono
solo se la sua frequenza è compresa tra i 20 e i 20.000 Hertz.
Ma perché diciamo teoricamente? In realtà, in effetti
pochissimi individui sono in grado di ascoltare in un intervallo
così ampio. Molto più spesso la massima frequenza che
riusciamo ad ascoltare non è maggiore di 16.000 Hz.
E = orecchio
esterno, M = orecchio medio, I = orecchio interno
Ora che abbiamo
stabilito l'intervallo di frequenze che possiamo ascoltare, può
essere interessante cercare di capire come funziona il nostro
orecchio. Per vederlo partiamo dalla porta di ingresso, una
membrana elastica e sensibile che viene chiamata timpano. Il
suono, o meglio l'onda di pressione che penetra nel condotto, si
infrange contro il timpano che oscilla impercettibilmente -
qualche decimo di millimetro - seguendo le variazioni di pressione
dell'onda sonora. Il movimento del timpano viene poi amplificato e
trasferito tramite tre ossicini, che formano una specie di snodo
meccanico, ad un organo chiamato coclea o chiocciola per la sua
caratteristica forma a spirale.
Il timpano, gli
ossicini e la coclea
La chiocciola è
l'organo più delicato e complesso del nostro apparato uditivo.
Il suo compito è quello di convertire le vibrazioni meccaniche
che giungono dagli ossicini in impulsi elettrici che verranno
inviati al cervello utilizzando il nervo uditivo. Per effettuare
questa conversione la chiocciola si comporta come un
microscopico analizzatore spettrale contenuto nella nostra
testa: il suono infatti, prima di essere inviato al cervello
viene scomposto in una somma di armoniche ed è questa
scomposizione armonica che noi ascoltiamo.
Il modo in cui noi
percepiamo i suoni quindi, oltre che dai nostri gusti musicali,
dipende anche e soprattutto dal modo in cui risponde questo
sofisticato sistema di conversione, dalle sue caratteristiche.
Pensate che esiste una scienza, chiamata psicoacustica, che si
occupa proprio dello studio della percezione sonora.
Se siete
incuriositi dalla psicologia percettiva e alle sue applicazioni
vi consiglio di visitare il sito http://www.cens.polito.it/demartin/Contenuto/Monografia_su_mp3/Psicoacustica.htm
Se invece volete
conoscere un po' più in dettaglio come funziona il nostro
apparato uditivo e, in particolare, la chiocciola, vi suggerisco
un ottimo sito italiano che si trova all'indirizzo http://www.sissa.it/bp/Cochlea/italian/coclea.htm.
Ma a cosa serve
sapere tutte queste cose sulla percezione del suono?
Innanzitutto per capire la relazione che intercorre tra il suono
come fenomeno fisico e la sensazione che si prova durante
l'ascolto e poi perché conoscendo i meccanismi percettivi è
possibile sviluppare delle applicazioni come ad esempio la
famosa codifica MP3, che utilizzano questa conoscenza per
riuscire a comprimere un file di suoni e fare si che noi li
possiamo scaricare da Internet in minuti anziché ore.
La codifica MP3 in
effetti si basa proprio sul funzionamento dell'orecchio ed
infatti riesce ad eliminare dalla musica solo quelle
informazioni che il nostro orecchio non è in grado di
percepire. In ogni caso, se volete saperne di più su MP3 e sui
principi della codifica psicoacustica, potete andare sul sito http://www.tesre.bo.cnr.it/Services/Local/Beta/bs019598/0198/b198appr.htmdove
troverete una risposta a tutte le vostre domande oltre che una
panoramica sui principali programmi che si utilizzano per
suonare e registrare i file MP3.
Dal
suono all'elettricità
Ora che abbiamo
visto cos'è un suono e come siamo in grado di percepirlo, prima
di iniziare a parlare di bit e di computer ci conviene esaminare
come si converte un suono in un segnale di corrente. In effetti
è proprio questa trasformazione che ha consentito l'ingresso
della musica nelle nostre case attraverso radio, registratori e
dischi, e ancora oggi è necessario passare attraverso la
conversione dal suono ad un segnale elettrico, prima di
digitalizzare questo segnale elettrico e trasformarlo in bit da
far leggere al computer. Per capire come avvenga questa
trasformazione tra suono e elettricità dobbiamo per prima cosa
esaminare i due dispositivi che ci consentono di passare dal
mondo dei suoni, fatto di onde di pressione che si propagano
nell'ambiente, al mondo dei segnali elettrici che viaggiamo su
fili di rame e dispositivi elettronici. Questi due dispositivi
si chiamano microfono e altoparlante. Il funzionamento del
microfono simula quello dell'orecchio umano, che trasforma
l'energia del segnale sonoro in energia meccanica attraverso la
membrana del timpano. Anche nel microfono infatti c'è una
membrana che vibra e, successivamente, l'energia meccanica di
questa vibrazione viene trasformata in energia elettrica,
tenendo conto della velocità o dell'ampiezza dello spostamento
della membrana, usando un componente elettrico chiamato
condensatore. Nel caso dell'altoparlante, invece , è una
membrana di cartone a forma di cono che si occupa di generare
nell'aria circostante le onde di pressione che giungeranno al
nostro orecchio. Per poter oscillare seguendo le variazioni del
segnale elettrico questo cono è collegato ad una bobina
elettromagnetica che però, per essere messa in movimento
richiede un segnale elettrico di potenza sufficientemente alta
(qualche decina di Watt). Per raggiungere questa potenza si usa
un dispositivo chiamato amplificatore.
L'altoparlante
Una descrizione più
approfondita di come funzionano questi dispositivi, comunque, si
può trovare sul sito http://www.cfnt.provincia.si.it/corsi/segnali_audio_video/acustica.htm.
La trasformazione di un suono in un segnale elettrico è un
operazione fondamentale in campo musicale. Un segnale elettrico,
ad esempio, può essere memorizzato su di un nastro magnetico e
riascoltato in qualsiasi momento, oppure può essere trasmesso via
radio. Dal punto di vista delle applicazioni musicali, inoltre, si
può considerare la possibilità di trasformare il segnale
elettrico che rappresenta il suono applicando i cosiddetti
effetti, come ad esempio la simulazione del riverbero di un
ambiente o la distorsione del suono di una chitarra elettrica.
Oppure si può
generare ex-novo un segnale elettrico oscillante e poi
trasformarlo in un suono, come facevano i vecchi sintetizzatori.
Vi ricordate il famosissimo Moog?
Oggi i musicisti
amano ancora questi suoni elettrici, che adesso vengono chiamati
analogici per distinguerli da quelli digitali, che sono generati
dai computer, ed esistono numerosi siti per gli appassionati dei
vecchi sintetizzatori, come quello che vedete nella figura
seguente.
Un sintetizzatore
analogico
All'indirizzo http://www.vintagesynth.com/
per esempio c'è un vero e proprio museo virtuale dove potrete
trovare informazioni e foto su questi dinosauri della musica che
oggi, grazie alla musica Tecno, stanno vivendo una seconda
giovinezza e fanno ballare milioni di
persone.
Index
Sub |
Index
Demo | Links | Nozioni di Acustica avanzata
|