Lezione 2 Fisica acustica, udito e cavità risonanti (materiale protetto da copyright, di uso esclusivo per gli allievi del corso)

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1 1. Esperimento del sale ballerino: Lezione 2 Fisica acustica, udito e cavità risonanti (materiale protetto da copyright, di uso esclusivo per gli allievi del corso) - Perché succede questo? Perché in mondo vibra! - Di ché natura è il suono? Ondulatoria meccanica: variazioni di pressione nello spazio. - Quando il sale salta di più? Quando le frequenze sono più basse! 2. L'onda acustica: cos'è? Tutti i corpi dotati di una certa elasticità possiedono una capacità fondamentale: la vibrazione. Come ben sapete la materia è composta da particelle. Bene, nella vibrazione le particelle che compongono l'oggetto oscillano attorno un punto di equilibro, in altre parole si muovono attorno a una loro posizione media. Per capire meglio questo immaginate un pendolo, quando lo colpite questo si sposta dalla sua posizione di equilibrio: prima si muove verso un lato, poi si ferma e torna indietro compiendo il percorso inverso. Si sta muovendo intorno a una posizione media (quella in cui sta fermo)! Vibrano le corde di un violino quando vengono sollecitate, vibra il vetro della vostra stanza quando nella strada passa un camion, vibrano le vostre corde vocali al passaggio dell'aria e vibra anche l'aria. Tutti i corpi solidi, liquidi e gassosi possono entrare in vibrazione e, mediante questo fenomeno, dare origine al suono e alla sua propagazione. Galileo, che aveva la brutta abitudine di osservare tutto quel che lo circondava, aveva notato tutto ciò già intorno al 1600! Non molto tempo dopo, un importante matematico dal nome Christian Huygens osservo' il seguente fenomeno: disponendo a fianco e sulla stessa parete due pendoli questi tendevano a sintonizzare il proprio movimento oscillatorio, quasi che "volessero assumere lo stesso ritmo". Da questi studi Huygens arrivò a definire quel fenomeno che oggi chiamiamo risonanza. Quando due corpi hanno lo stesso modo di vibrare e uno induce l'altro si sta compiendo la risonanza. È una sorta di invito al grande ballo della vibrazione. Nel grande ballo della vibrazione succede questo: una perturbazione fa vibrare un corpo, questo corpo che vibra induce alla vibrazione gli altri corpi che vibrano allo stesso modo, compreso il mezzo in cui il corpo si trova, ad esempio l'aria. Facciamo un esempio: quando il diapason vibra perturba le molecole d'aria circostanti. Le molecole adiacenti al diapason sono colpite e, acquisendo energia in seguito al colpo, esse stesse vibrano perturbando le molecole adiacenti. In questo modo l'energia acustica viene trasportata nell'aria.

2 Adesso mettiamo un po' di ordine in questi concetti e proviamo a suddividere questo fenomeno in diverse fasi: a) Stato di riposo e/o equilibrio delle molecole/particelle. b) Zona di compressione (alta pressione) delle particelle/molecole in seguito alla perturbazione. c) Zona di rarefazione (bassa pressione) delle particelle/molecole in seguito alla perturbazione. Nella seguente immagine potete vedere come il diapason vibra creando zone di compressione e rarefazione. Guardate le seguenti immagini: Riposo Compressione Ritorno a riposo Rarefazione Ritorno a riposo Compressione Ritorno a riposo Rarefazione Ritorno a riposo

3 Quando le punte del diapason si separano spingono le molecole d'aria comprimendole in una regione dello spazio. Le molecole hanno quindi subito una forza di spinta e, a loro volta, spingeranno le molecole successive. In seguito il diapason torna indietro, per qualche tempo si trova in posizione di riposo, dove non rimane per molto tempo! Ricordate il caso del pendolo? Se questo è arrivato all'estremo superiore destro, una volta che scende, non si ferma di scatto nella posizione di equilibrio ma la supera e ripete questo movimento finché gradualmente non perde la sua energia. La stessa cosa succede sia al diapason che alle molecole d'aria: superano la posizione d'equilibrio e si muovono nella direzione opposta, creandosi adesso una rarefazione delle particelle nella regione dove prima c'era una compressione, finché non si fermano e tornano di nuovo indietro. Come vedete le molecole vanno avanti e indietro finché hanno energia, quando vengono spinte vanno in avanti spostando le molecole che le seguono, quando non c'è una forza che le spinge tornano in dietro in maniera elastica. Una singola successione perturbazione-compressione-rarefazione costituisce una singola vibrazione. Se questo si ripete diverse volte otteniamo un'onda. Ora siamo in grado di definire l'onda acustica: un fenomeno per il quale, in seguito a un movimento vibratorio ripetuto, viene trasportata energia ma non materia attraverso un mezzo elastico. Possiamo riscontrare due tipi di onde diverse: Trasversali: in cui le particelle vibrano in direzione perpendicolare alla direzione di propagazione dell'energia. Longitudinali: in cui le particelle vibrano in direzione parallela alla direzione di propagazione dell'energia. Sono queste onde in cui si creano zone di alta e bassa pressione, da qui che le onde acustiche siano nella maggior parte longitudinali. 3. Perché l'onda viene rappresentata graficamente come una successione di picchi e avvallamenti successivi? Se consideriamo le zone di compressione come MASSIMI di pressione e le zone di rarefazione come MINIMI di pressione risulta facile rappresentarli graficamente come una successione di picchi (MASSIMI) e di avvallamenti (MINIMI) ottenendo una onda sinusoidale semplice.

4 4. La nostra voce però non è un suono semplice ma una sovrapposizione di più suoni semplici. Se vogliamo studiare la nostra voce è importante conoscere alcuni concetti che ci consentono di anatomizzarla, cioè suddividerla in parti più semplici: Frequenza : è il numero di cicli compiuti dalla vibrazione nell'unità di tempo. Ad esempio: quante volte il diapason parte dalla posizione di equilibrio, va avanti e indietro e torna nella posizione di equilibrio in un secondo? 1 ciclo per secondo = 1 Hertz. L'udito umano percepisce suoni che stanno nell'intervallo tra 20 e 20000Hz, in altre parole potremmo percepire le vibrazioni del diapason se questo vibra nell'intervallo compreso tra 20 volte al secondo e volte al secondo! E per quanto riguarda altre specie? Gatti è: Hz Delfini: Hz Elefanti: Hz Frequenza fondamentale : la voce è composta da più onde, ciascuna ha la propria frequenza! L'onda semplice che possiede la frequenza più bassa tra tutte quelle che compongono il suono complesso è la frequenza fondamentale. Corrisponde alla frequenza di apertura e chiusura delle pliche vocali. Parziali : sono tutte le altre onde semplici che accompagnano la frequenza fondamentale. Armoniche : sono parziali molto particolari, perché sono multipli interi della frequenza fondamentale. Timbro : è la somma della vostra frequenza fondamentale più gli armonici e la forma in cui questi armonici sono distribuiti. 5. Parametri acustici: Oltre ad anatomizzare la voce dobbiamo servirci di strumenti di misura! Lunghezza d'onda : distanza tra un punto dell'onda e il corrispondente punto nel ciclo successivo. Maggiore è la lunghezza d'onda minore è la frequenza! Ampiezza : Altezza dei massimi (picchi) e dei minimi (valli), corrisponde al punto di massima lontananza raggiunta da una particella. È una misura della forza dell'onda e quindi anche dell'energia. Intensità : energia che passa per un determinato punto nell'unità di tempo. Per misurare l'intensità si usa il decibel.

5 6. Le formanti Le onde sonore complesse presenti nella vostra voce sono il risultato della: Vibrazione delle pliche vocali: creazione della frequenza fondamentale e degli armonici; Successiva filtrazione dei suoni nelle cavità sopraglottiche risonanti: modulazione delle ampiezze delle armoniche. Quando variate il volume delle vostre cavità (faringe, naso bocca) variano le ampiezze degli armonici che producete: Più volume c'è più si rafforzano le armoniche di bassa frequenza. Meno volume c'è più si rafforzano le armoniche di alta frequenza. Questo fenomeno da vita a quelle che chiamiamo formanti, cioè gruppi di armonici rinforzati. 7. La risonanza Tutti i corpi hanno, secondo le proprie caratteristiche chimico-fisiche, una frequenza naturale. Cioè una capacità di vibrazione innescata da altre vibrazioni per risonanza. Le vostra ossa, cartilagini e muscoli hanno anche loro una frequenza di risonanza e, insieme alle cavità, amplificano o riducono l'intensità dei suoni prodotti dalle corde vocali. Quando le muoviamo, cioè articoliamo, cambiamo le frequenze naturali di vibrazione e rinforziamo altre componenti. Se usiamo la giusta vibrazione delle corde vocali, cioè quella per cui facciamo vibrare al meglio tutto il sistema di risonanza del nostro corpo, avremo un rendimento massimo della nostra voce: meno dispendio di energia e massimo risultato.