Dispense del corso di Fonia e Tecnico del Suono. anno accademico 2013/2014. Quarta lezione. Acustica di base

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1 Dispense del corso di Fonia e Tecnico del Suono anno accademico 2013/2014 Quarta lezione Acustica di base

2 Acustica L'acustica è quella branca della fisica che studia il suono, le cause che lo hanno generato e la sua propagazione attraverso un mezzo materiale. Lo studio dell'acustica può essere molto complesso, da un punto di vista fisico. Un determinato fenomeno può essere il risultato di molteplici cause, non tutte facilmente individuabili. Ad esempio, un gradiente di temperatura non considerato può causare una deviazione non prevista di un suono, dando un risultato totalmente inaspettato. Suono in campo libero In un campo libero il suono si propaga secondo linee rette, se non viene deviato, assorbito, diffratto, rifratto, diffuso e non è soggetto a effetti di risonanza. L'intensità diminuisce all'aumentare della distanza dalla sorgente sonora, poiché la superficie sulla quale insiste il suono è progressivamente maggiore. Ad ogni dimezzamento o raddoppio della distanza da una sorgente sonora si ha, rispettivamente, un aumento o una perdita di 6 dbspl. Riflessione del suono Se nel suo percorso il suono incontra una superficie, come ad esempio una parete, la sua direzione di propagazione viene riflessa. Riflessione da superfici piane I fronti d'onda sferici colpiscono la parete e, riflessi, tornano verso la sorgente come se provenissero da una sorgente-immagine collocata alla stessa distanza da quella reale, ma dietro la parete.

3 Se l'angolo d'incidenza è diverso da 90, l'angolo di riflessione è uguale all'angolo d'incidenza. Nel caso di una stanza abbiamo ben 6 superfici riflettenti, con altrettante sorgenti-immagine. Il suono viene riflesso da oggetti che sono grandi rispetto alla sua lunghezza d'onda. In una stanza di medie dimensioni, tutte le frequenze del parlato vengono riflesse, ma non vengono riflesse le basse frequenze (i 20Hz hanno lunghezza d'onda di 17mt). Questo crea un ascolto alterato di ciò che è stato emesso, perché vengono enfatizzate solo alcune frequenze ed in maniera disuguale. Riflessione da superfici convesse La riflessione su superfici convesse tende a disperdere l'energia sonora in molte direzioni, dando luogo alla diffusione del suono incidente.

4 Riflessione da superfici concave Il suono che colpisce una superficie concava tende a concentrarsi in un punto, il fuoco. Le superfici concave sferiche vengono usate per rendere fortemente direzionale un microfono, posizionandolo nel punto focale. L'efficacia dei riflettori dipende dal rapporto tra le loro dimensioni e la lunghezza d'onda del suono. Un riflettore del diametro di 1 metro fornisce buona direzionalità a 1kHz (lunghezza d'onda circa 34cm), ma non ha alcun effetto a 200Hz (lunghezza d'onda di circa 1,70mt). Onde stazionarie Supponiamo di avere due pareti parallele, solide e piane, poste a una certa distanza tra loro. Una sorgente sonora che si trova in mezzo emette un suono ad una determinata frequenza. Il fronte d'onda che investe una parete viene riflesso verso la sorgente, va a colpire l'altra parete dove viene ancora riflesso verso la prima parete, e così via. Si crea così un'onda stazionaria la cui frequenza dipende dalla distanza tra le due pareti. Il riflettore angolare Il riflettore angolare riceve il suono dalla sorgente e lo rinvia direttamente alla sorgente stessa. In una stanza abbiamo 4 angoli tridimensionali, formati da due pareti e dal soffitto, e questi creano molti problemi negli ascolti. In generale, in uno studio o in un ambiente acusticamente trattato, gli angoli formati tra le pareti e tra le pareti e il soffitto andrebbero eliminati.

5 Diffrazione del suono Il suono si propaga in linea retta fino a quando non incontra un ostacolo che gli può far cambiare direzione. Il processo attraverso il quale avviene questo cambio di direzione prende il nome di diffrazione. Più è corta la lunghezza d'onda (cioè più alta è la frequenza), meno è rilevante il fenomeno della diffrazione. Gli ostacoli in grado di diffrangere (piegare) il suono devono essere grandi rispetto alla sua lunghezza d'onda. Nella figura seguente, in A, le onde sonore incontrano un muro pesante, una parte viene riflessa, come ci si aspetterebbe, mentre la parte che incontra lo spigolo superiore viene diffratta, piegata, e lo spigolo stesso funge da nuova sorgente virtuale, inviando per diffrazione energia sonora nella zona d'ombra del lato posteriore alla parete. In B, il suono incontra una barriera solida che presenta un piccolo foro. Gran parte dell'energia viene riflessa dalla parete, ma una piccola parte che passa attraverso il foro dà luogo ad una sorgente virtuale puntiforme. Rifrazione del suono Abbiamo detto che la velocità del suono dipende dalla densità del mezzo in cui si propaga: maggiore la densità, maggiore la velocità. Quindi, se il suono nel suo percorso incontra mezzi con densità diverse, procederà attraverso questi con velocità diverse. La rifrazione modifica la direzione del suono a causa della differenza di velocità di propagazione in mezzi diversi.

6 Diffrazione e rifrazione sono due fenomeni diversi, da non confondere. Si ha rifrazione anche quando il suono si propaga nello stesso mezzo, ad esempio l'aria, ma nel suo procedere incontra un gradiente termico.

7 Risonanza Consideriamo una lamina bloccata a una sua estremità. Se questa lamina è in quiete e noi la sollecitiamo con una forza, ad esempio con un colpo, questa si metterà ad oscillare. Si può osservare che tale oscillazione sarà tanto più ampia quanto maggiore è la forza agente, ma la frequenza di tale oscillazione sarà sempre la stessa, indipendente dal tipo di sollecitazione che abbiamo fornito. Consideriamo una corda di chitarra. Se fatta vibrare, questa vibrerà con una sua frequenza caratteristica ed emetterà un certo suono. La frequenza a cui vibrerà la corda, cioè la sua frequenza naturale, dipende da molti fattori, come la lunghezza della corda, la sua tensione, il suo diametro, ecc.. Se avviciniamo alla corda ferma uno speaker che emette un suono, le vibrazioni emesse metteranno in movimento la corda. La corda inizierà a vibrare, e a produrre un suono, secondo la sua frequenza naturale (non secondo la frequenza del suono che la mette in movimento). Si dice in questo caso che la corda è stata messa in risonanza, o risuona per risonanza. La frequenza alla quale il nostro speaker fa vibrare la corda alla sua massima ampiezza è la frequenza di risonanza caratteristica della corda. Quanto più il suono emesso dallo speaker si avvicina alla frequenza di risonanza della corda, tanto più questa vibrerà con oscillazioni sempre più ampie. La risonanza è alla base del funzionamento di molti strumenti musicali, nei quali un corpo vibrante fa entrare in risonanza altre parti dello strumento studiate per amplificare il suono. Nella chitarra acustica, le vibrazioni prodotte dalle corde fanno entrare in risonanza la cassa acustica, amplificando il suono. In genere, le chitarre con la cassa più grande amplificano di più il suono, suonano di più, ed emettono bassi migliori, perché risuonano meglio anche alle frequenze più basse. Nell'organo a canne, abbiamo una canna per ogni nota che l'organo è in grado di emettere. Per ogni canna c'è un corpo vibrante che mette in risonanza l'aria contenuta all'interno della canna stessa, al fine di amplificarne il suono. Più le canne sono lunghe e di grande diametro, più bassi sono i suoni che l'organo può emettere. La risonanza è un fenomeno che interessa quasi tutti i corpi in grado di vibrare, non solo gli strumenti musicali.