Durante la propagazione di un onda non c è trasporto di materia, ma propagazione di energia.

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1 ONDE Durante la propagazione di un onda non c è trasporto di materia, ma propagazione di energia.

2 ONDE ELASTICHE Un onda elastica è una perturbazione che si propaga in un mezzo senza movimento di materia Ogni punto del corpo elastico oscilla intorno alla sua posizione di equilibrio con moto periodico

3 ONDE SINUSOIDALI Facendo oscillando con legge armonica l estremo di una corda tesa si produce un onda sinusoidale Nei 4 istanti di tempo intervallati da un periodo T, l onda si sposta di una distanza pari a λ A = ampiezza Velocità dell onda vel = λ/t = λ ν Frequenza dell onda ν=1/t

4 Onde: caratteristiche Lunghezza d onda [m] (λ) Distanza, in un onda periodica, fra due creste successive o fra due punti con uguale velocità (vettoriale). Frequenza [Hz=s -1 ] (f oppure ν) Numero di ripetizioni di un onda nell unità di tempo. Periodo [s] (T) Intervallo di tempo fra due ripetizioni di onda uguali Velocità [m/s] (v) Velocità di movimento del fronte d onda Ampiezza (A) Legata alla quantità di energia trasportata. L unità di misura verrà specificata nel seguito. T = 1 f v = λ = λ f T

5 ONDE Durante la propagazione di un onda non c è trasporto di materia, ma propagazione di energia Si definisce intensità di un onda l energia che attraversa nell unità di tempo una superficie unitaria posta normalmente alla direzione di propagazione joule = 2 s m watt m 2

6 ONDE Le onde possono essere: longitudinali: la perturbazione è parallela alla direzione di propagazione dell onda trasversali: la perturbazione è ortogonale alla direzione di propagazione dell onda

7 ONDE SONORE Qual è la grandezza fisica che oscillando produce il suono? Un onda sonora consiste in oscillazioni della pressione dell aria (o di un altro mezzo elastico) Il suono è un onda longitudinale Un onda è udibile dall orecchio umano se la sua frequenza è compresa nell intervallo 20 Hz Hz

8 VELOCITA DEL SUONO (1) Velocità di un onda sonora Mezzo Velocità (m/s) Aria secca (20 o C) 343 Vapore (134 o C) 494 Acqua distillata 1486 Acqua di mare 1519 Piombo 1190 Rame 3810 Alluminio 5000 Acciaio 5200

9 VELOCITA DEL SUONO (2) Velocità del suono in aria (t=0 o )[*] v ~ 330 m/s ~ 1200 Km/h = 1 M [*]superata nel 1947 Transonico NUMERO DI MACH REGIME FENOMENI FISICI M<<1 Subsonico L'aria si oppone al moto per attrito e genera forze idrodinamiche di portanza che sorreggono gli aerei. M~1 Transonico Appaiono nuovi fenomeni idrodinamici, come il repentino formarsi di nuvole di condensazione o il collasso del flusso. 1.2<M<3 3<M<5 Supersonico I termini non lineari nell'equazione delle onde diventano importanti e non si può più applicare il principio di sovrapposizione. Nuove onde elastiche appaiono, con proprietà differenti dalle onde sonore: le onde di shock. Supersonico elevato Gli effetti termodinamici sulla compressione dell'aria diventano rilevanti: il velivolo scambia calore con l'aria. M>5 Ipersonico L'elevata temperatura può modificare lo stato di aggregazione dell'aria.

10 ONDE SONORE Caratteristiche di un suono Altezza: dipende dalla frequenza fondamentale dell onda (acuto alta frequenza, grave bassa frequenza) Timbro: dipende dal numero di armoniche che compongono l onda e consente l identificazione del suono Intensità: dipende dal quadrato dell ampiezza della vibrazione (debole bassa intensità, forte alta intensità)

11 ONDE SONORE Un suono può essere percepito dall orecchio umano quando la sua intensità è maggiore di I0 = W m 2 soglia di udibilità Legge di Fechner: le sensazioni fisiologiche prodotte da un onda acustica sono proporzionali al logaritmo dell intensità dell onda per cui si usa la scala dei decibell (db) Livello sonoro = 10 log 10 I I 0 db

12 ONDE SONORE

13 L'orecchio esterno è composto dal padiglione auricolare, dal condotto uditivo e dalla membrana timpanica. Il padiglione ha un ruolo primario nella localizzazione della fonte sonora nei piani verticali e nella combinazione binaurale determina inoltre la localizzazione spaziale nei piani orizzontali. La parte interna del padiglione o conca ha la orecchio esterno funzione di ridurre le turbolenze focalizzando le onde sonore. Il condotto uditivo che ha come scopo primario la protezione della membrana timpanica, con il sistema di auto pulizia.

14 L' orecchio medio collocato nella cavità timpanica contiene la catena ossiculare ed i muscoli ad essa collegati. Le funzioni principali dell'orecchio medio sono : adattamento di impedenza. Il suono nasce come vibrazione nell'aria e deve essere convertita in vibrazione di liquidi nell'orecchio interno senza perdere energia. orecchio medio Protezione contro i suoni elevati. I l nostro apparato uditivo ha un naturale limitatore contro i segnali troppo forti.

15 L'orecchio interno è una delle parti più importanti del nostro sistema uditivo, il suo compito è quello di convertire le vibrazioni meccaniche della catena ossiculare in segnali elettrici (neurosensoriali) da inviare, via nervo acustico, al sistema nervoso centrale. orecchio interno La parte principale consiste nella coclea la quale ha una struttura a chiocciola e contiene del liquido linfatico. All'interno troviamo la membrana basilare e l'organo del Corti.

16 Inquinamento acustico (1) L'inquinamento acustico è causato da un'eccessiva esposizione a suoni e rumori di elevata intensità. Questo può avvenire in città e in ambienti naturali. La legge n. 447/1995 art. 2 fornisce la definizione di inquinamento acustico: l'introduzione di rumore nell'ambiente abitativo o nell'ambiente esterno tale da provocare fastidio o disturbo al riposo e alle attività umane, pericolo per la salute umana, deterioramento degli ecosistemi, dei beni materiali, dei monumenti, dell'ambiente abitativo o dell'ambiente esterno o tale da interferire con le normali funzioni degli ambienti stessi.

17 Inquinamento acustico (2) Gli effetti del rumore sull'uomo sono molteplici e possono essere distinti in: danno (cioè alterazione non reversibile o solo parzialmente reversibile di un organo o di un sistema, obiettivabile da un punto di vista clinico e/o anatomo-patologico), ne esistono due forme: danno specifico: causato ai soggetti che si espongono per periodi prolungati a livelli di db(a) recando la perdita temporanea o irreversibile dell'udito (ipoacusia). Si riscontra soprattutto in ambiente lavorativo; danno non specifico: causato da un'esposizione sonora non sufficientemente elevata da recare danni specifici, però può, col tempo, apportare danni al sistema uditivo e causare malesseri di tipo psicofisico. Si riscontra in ambito urbano; disturbo (alterazione temporanea di un organo o di un sistema, obiettivabile attraverso procedure cliniche o strumentali); annoyance (sensazione di scontento o di fastidio generico, spesso influenzata oltre che dalla specifica sensibilità del soggetto, da fattori extra esposizionali e motivazionali).

18 Inquinamento acustico (3) L'inquinamento acustico urbano e in particolare quello dovuto a traffico di veicoli, determina in prevalenza effetti di annoyance e di disturbo, mentre assai raramente si può parlare di danno. La sensibilità individuale può far sì che effetti di disturbo e annoyance possano essere indotti dal fenomeno di "musicalizzazione" e "sonorizzazione" degli spazi pubblici, o aperti al pubblico, come bar, ristoranti, aeroporti, centri commerciali, piscine, spiagge, ecc. L'inquinamento acustico viene combattuto all'interno dell'ambiente casalingo con l'utilizzo di particolari materiali e tecniche per la costruzione e l'insonorizzazione, come il sughero o l'utilizzo di tessuti per i rivestimenti interni.

19 Inquinamento acustico (4)

20 Rumore di fondo La distanza dalla quale la comprensione della parola è ancora possibile, serve a definire il livello sonoro in un locale. Per una distanza di 1 metro fra chi parla e chi ascolta valgono i seguenti valori sperimentali: a)livello del rumore fino a 70 db : conversazione normale possibile b)livello del rumore a 80 db : comprensione a voce possibile c)livello del rumore a 90 db : comprensione difficile anche a voce alta d)livello del rumore a 100 db : comprensione possibile solo a voce altissima e)livello del rumore a 105 db : comprensione impossibile

21 Suono&Controllo (1) Per avere una idea dell'ordine di grandezza dell'intensità sonora possiamo dire che: un'onda di 160 db può infrangere il vetro di una finestra un essere umano è ucciso da un'onda di shock di 200 db lo Space Shuttle al decollo produce un'onda di shock di 215 db quindi per assistere al lancio occorre essere ad almeno 5 6 km di distanza.

22 Suono&Controllo (2) Il record è Il 12 uomo dello stadio di Seattle con un rumore (voce e piedi) di db

23 Suono&Controllo (3) Il controllo del rumore è, concettualmente, di due tipi: passivo, nel quale ci si allontana dalla sorgente del rumore, si interpongono fra la sorgente e il rivelatore barriere di materiali fonoassorbenti; attivo, cioè un sistema in grado di pilotare uno o più diffusori acustici in modo da generare un campo sonoro esattamente speculare rispetto al rumore da attenuare, così da cancellare il rumore disturbante per interferenza distruttiva.

24 Controllo passivo (1) Il controllo passivo o isolamento acustico è una tecnica che consente di ostacolare la trasmissione di energia sonora da un ambiente ad un altro interponendo, tra i due, un mezzo fisico di separazione. La finalità precipua dell'isolamento acustico consiste nel proteggere, ad esempio l'uomo dai rumori attenuandone o eliminandone la percezione attraverso la dissipazione dell'energia sonora. La difesa dai rumori mediante isolamento acustico riguarda sia i rumori che si propagano per aria (rumori aerei), sia quelli che si trasmettono attraverso percussioni, vibrazioni, trascinamento (rumori impattivi o rumori d'urto)

25 Controllo passivo (2) Se si considera un divisorio rigido omogeneo (es: parete, pannello), che separa l'ambiente che contiene la sorgente disturbante da un ambiente che si vuole isolare acusticamente, si potrà osservare che l'energia sonora (E i ) che incide sulla superficie del divisorio si divide in tre componenti fondamentali: una frazione (E r ) viene riflessa, una (E d ) assorbita e un'altra (E t ) oltrepassa il divisorio secondo la formula Definendo i coefficienti avremo ovviamente

26 Controllo passivo (3) Il parametro t prende il nome di coefficiente di trasmissione e caratterizza le proprietà di isolamento acustico del divisorio ovvero il suo potere fonoisolante R in db

27 Controllo passivo (4) Per un divisorio semplice e omogeneo inoltre vale la regola generale secondo cui il potere fonoisolante aumenta all'aumentare della massa dell'isolante stesso ma anche all'aumentare della frequenza dell'onda sonora incidente. Empiricamente possiamo scrivere dove m è la massa per unità di superficie (kg m -2 ) ed f è la frequenza dell'onda sonora incidente.

28 Controllo passivo (5) In definitiva il massimo risultato che si può ottenere in applicazione della legge della massa consiste in un incremento di isolamento acustico di 6 db per ogni raddoppio della massa. Per ottenere un isolamento acustico elevato senza ricorrere ad aumenti eccessivi del volume del divisorio si possono utilizzare divisori multipli (divisori doppi, tripli etc); in questi casi si potrebbe ipotizzare un potere fonoisolante pari a quello della somma dei poteri fonoisolanti dei singoli divisori. Di fatto, però, le inevitabili connessioni strutturali tra i divisori comportano che il miglior risultato conseguibile (per un divisorio doppio) è un aumento del potere fonoisolante di circa 10 db rispetto ad un singolo divisorio di massa equivalente.

29 Controllo attivo In linea di principio si tratta di registrare, con un microfono, il rumore da attenuare prima che giunga alla zona da proteggere e di elaborarlo in modo che il segnale di controllo si sommi al rumore proveniente dalla sorgente disturbante, con la stessa pressione sonora ed esattamente in controfase nei pressi dell attuatore di controllo (altoparlante). Il ritardo introdotto dall elaborazione deve essere esattamente eguale al tempo impiegato dal suono per percorrere la distanza dal microfono di riferimento e l attuatore. Le realizzazioni sono di due tipi: diretto e a retroazione.

30 Controllo attivo diretto Un sistema di controllo diretto riceve in ingresso un segnale, detto di riferimento, lo elabora opportunamente (equalizzazione e sfasamento) e lo manda in uscita all'attuatore (altoparlante) dove fisicamente avviene l'interferenza distruttiva delle onde acustiche, con conseguente abbattimento del disturbo. Un secondo segnale, detto di errore, rilevato a valle del controllo e fornito in ingresso al sistema di controllo permette un adattamento del sistema al fine di minimizzare il rumore residuo.

31 Controllo attivo a retroazione Un sistema a retroazione invece non utilizza un segnale di riferimento, ma agisce solo sull'errore residuo, rilevato mediante un microfono di controllo a valle del punto in cui l'attuatore agisce.

32 Controllo attivo Mentre il sistema diretto basa la propria funzionalità su misure in qualche modo predittive della perturbazione primaria, i sistemi retroattivi tentano di attenuare il rumore residuo rimasto a valle del punto in cui è posto l'attuatore. I sistemi retroattivi sono quindi migliori per ridurre la risposta transiente del sistema, mentre i sistemi diretti sono migliori nel funzionamento a regime. Se è possibile ottenere un segnale di riferimento con sufficiente anticipo, ovvero spazialmente lontano dalla zona in cui risiede l'attuatore del controllo, i sistemi di tipo diretto sono da preferire sugli analoghi retroattivi, poiché dotati di una maggiore stabilità intrinseca e sono in generale più efficaci.

33 ULTRASUONI Infrasuoni: hanno frequenze inferiori a 20 Hz (ad esempio le onde sismiche) Ultrasuoni: hanno frequenze superiori a 20 khz e sono largamente usati in diagnostica (ecografia) e terapia (riscaldamento dei tessuti irradiati)

34 EFFETTO DOPPLER Variazione della frequenza di un onda dovuta al moto relativo fra sorgente ed osservatore Moto dell osservatore Se l osservatore va incontro (si allontana) con una certa velocità, egli raccoglie in 1 secondo un numero di cicli maggiori (minori) di quelli che raccoglierebbe se si trovasse in quiete

35 EFFETTO DOPPLER Variazione della frequenza di un onda dovuta al moto relativo fra sorgente ed osservatore Moto della sorgente La sorgente emette i cicli ad intervalli di tempo T, ma si avvicina (si allontana) all osservatore per cui egli percepisce una frequenza maggiore (minore)

36 EFFETTO DOPPLER Indicando con ν 0 la frequenza propria dell onda, per la frequenza percepita ν, possiamo scrivere u ν ' = onda rivelatoreν 0 u onda ± u u sorgente dove u onda, u rivelatore ed u sorgente sono i rispettivi moduli delle velocità dell onda, del rivelatore e della sorgente.

37 EFFETTO DOPPLER Mediante l effetto Doppler è possibile controllare il flusso ematico all interno di un vaso sanguigno non invasivamente Dalla variazione di frequenza dell eco emessa dai globuli rossi in movimento si ricava la velocità di efflusso

38 EFFETTO DOPPLER Codici dei colori: flusso in avvicinamento alla sonda rosso ; in allontanamento blu