Parte - CAPTOLO V ONDE SONORE ED ULTRASUON NDCE 6. - ntroduzione 6. - Natura e velocità del suono 6.3 - Onde acustiche in movimento 6.4 - ntensità delle onde sonore 6.5 - Produzione di onde sonore. La voce umana 6.6 - Rivelatore di suoni. L orecchio umano 6.7 - La risposta del sistema uditivo 6.8 - Proprietà soggettive del suono: volume, tono e timbro 6.9 - Effetto Doppler nelle onde acustiche
6. - ntroduzione fenomeni sonori sono estremamente familiari a tutti e l emissione di un suono è proprio la prima cosa che noi facciamo al momento della nascita. Tuttavia nel linguaggio comune, quando si parla di suono, si intende spesso solo la sensazione psicologica legata all ascolto. Per descrivere un suono, in effetti, spesso usiamo locuzioni e aggettivi, come ad esempio gradevole oppure fastidioso, che sono legati alla sfera delle nostre emozioni. Per definire in modo più preciso ed oggettivo un suono potremo utilizzare i concetti che sono stati introdotti nel capitolo precedente. Abbiamo già appreso come il suono sia un onda di tipo longitudinale, ma come nasce un suono? Se facciamo un piccolo esperimento e pizzichiamo la corda di una chitarra ci accorgiamo che il suono è prodotto proprio dalla vibrazione della corda. n realtà, qualsiasi tipo di suono è prodotto da un corpo che vibra. Questa vibrazione si propaga nell ambiente circostante, in genere aria, sotto forma di variazioni di pressione. l suono è dunque proprio questa onda di pressione che viene generata e che arriva al nostro orecchio che la percepisce. Quindi noi possiamo percepire un suono solo se esiste un mezzo attraverso il quale esso si propaga. Questo modo di comportarsi è differente da quello che vedremo essere il comportamento delle onde elettromagnetiche (raggi X, infrarosso, microonde, luce visibile, onde radio) che sono in grado di propagarsi anche nel vuoto. Nei paragrafi seguenti cercheremo di comprendere qualcosa in più circa le proprietà fondamentali del suono (velocità di propagazione ed intensità trasmessa), le modalità per produrre e rivelare suoni. 6. - Natura e velocità del suono Come si è visto, un suono può essere originato dalla vibrazione di una corda. Un altro modo per produrre onde sonore è quello mostrato in fig. 6., in cui un tubo chiuso ad un estremità da un pistone mobile è riempito di un mezzo comprimibile come l aria. l pistone che oscilla avanti ed indietro ad una frequenza genera un onda sonora. Quando il pistone si muove in avanti esso comprime il mezzo ed un onda di compressione si propaga verso l esterno. Quando il pistone torna indietro, viene a formarsi una zona in cui la pressione è ridotta ed anche in questo caso un onda si propaga. Mentre l onda si propaga, le singole particelle che compongono il mezzo non si allontanano dalla loro posizione di riposo, ma oscillano intorno ad essa. Figura 6.. l modo oscillante del pistone mobile produce variazioni di densità e di pressione del fluido nel cilindro che si propagano verso destra con velocità v. La pressione varia all interno del cilindro come mostrato nel grafico. P 0 è la pressione all equilibrio.. La velocità v con cui un onda sonora si propaga in un mezzo è legata all intensità delle forze intermolecolari presenti nel mezzo stesso. A livello microscopico, queste forze possono essere descritte dal modulo di elasticità K. Questo parametro fisico mette in relazione la variazione di pressione P con la variazione di densità relativa e mostra come il modulo di elasticità abbia le stesse dimensione di una pressione e quindi le sue unità di misura siano N m -
P K (6.) Una opportuna trattazione permette di stabilire che la velocità v del suono dipende solo dal modulo di elasticità e dalla densità del mezzo tramite la seguente relazione k v = (6.) Alcuni valori rappresentativi della velocità del suono sono riportati in Tabella 6.. Tabella 6.. Velocità del suono in mezzi diversi Velocità Densità Mezzo (m s - ) (Kg m -3 ) Aria 343.05 Alcool etilico 0 79 Acqua (pura) 480 000 Sangue ( 37 C) 570 056 Vetro 5600 500 Alluminio 500 700 Rame 3560 8900 Come per tutte le onde la velocità v, la frequenza e la lunghezza d onda sono legate fra loro dalla relazione v = L intervallo di frequenze udibili dall orecchio umano si estende all incirca tra 0 Hz e 0000 Hz. Poiché la velocità del suono nell aria è pari a 343 ms - a tali frequenze corrispondono lunghezze d onde pari a 7, m e,7 cm. Suoni con frequenze superiori vengono detti ultrasuoni, mentre quelli con frequenze inferiori sono detti infrasuoni. Soprattutto gli ultrasuoni si presentano spesso in natura e vengono utilizzati in molte applicazioni mediche e tecnologiche (nella Parte del libro si discuterà degli ultrasuoni e delle loro applicazioni in medicina ed odontoiatria). Per esempio i pipistrelli possono emettere ed udire suoni con frequenze superiori a 0 000 Hz a cui corrisponde una lunghezza d onda pari a 0,87 cm. Per capire perché questi animali usino onde sonore di frequenza così elevata e lunghezze d onde così corte dobbiamo ricordarci che un onda può essere perturbata solo da oggetti di dimensioni simili o più grandi della sua lunghezza d onda; mentre resta imperturbata (o manifesta piccole distorsioni) quando incontra oggetti più piccoli di questa. pipistrelli essendo praticamente ciechi evitano gli ostacoli e si procurano il cibo utilizzando proprio l eco del loro verso (ecolocazione). Perciò la lunghezza d onda deve essere abbastanza corta da permettere la riflessione anche da parte di oggetti piccoli. D altra parte anche alcuni insetti che sono preda dei pipistrelli riescono a sentire gli ultrasuoni emessi ed ad attivare alcuni meccanismi di difesa. Esercizio l bagliore di un fulmine è percepito 5 s prima del suono del relativo tuono. Trascurando il tempo di trasmissione della luce, è possibile calcolare la distanza che separa l osservatore dal luogo in cui si è verificato il fulmine. soluzione La velocità del suono nell aria è v = 343 m/s, quindi la distanza L percorsa dal suono nell intervallo di tempo t = 5 s è : L = vt =343 ms - 5 s = 75 m Esercizio Se si batte con un martello un colpo su un binario di ferro si produce un suono che si propagherà sia nell aria che nel ferro del binario. Un osservatore posto alla distanza di 0.5 Km in prossimità del binario potrà ascoltare due distinti suoni separati da un intervallo di tempo t che è possibile calcolare. 3
soluzione: La velocità del suono nel ferro è v ferro = 530 ms - ed è maggiore di quella nell aria v aria = 343 ms - e quindi il suono che si è propagato nel ferro sarà ascoltato prima di quello cha ha viaggiato in aria. l tempo impiegato dal suono a percorrere la distanza L = 0,5 Km è pari a L / v ferro nel ferro ed L / v aria in aria. Quindi l intervallo di tempo t cercato è dato da: L v L v 500m 343ms 500m 530ms t aria ferro.36s 6.3 - Onde acustiche in movimento. Se guardiamo con attenzione quanto mostrato dalla fig. 6. e precedentemente utilizzato per introdurre il concetto di onda acustica possiamo considerare ciò che accade ad un sottile strato di aria x situato in una posizione lungo il tubo. Man mano che le onde si propagano lungo x questo elemento oscilla a sinistra ed a destra intorno al punto di equilibrio. Queste oscillazioni possono essere espresse analiticamente come nel capitolo precedente con una funzione di tipo sinusoidale s(x,t )= s m cos (kx-t) (6.3) dove s m è l ampiezza dello spostamento, cioè lo spostamento massimo intorno al punto di equilibrio, e k ed hanno lo stesso significato, rispettivamente, di numero d onda e pulsazione già introdotto nel capitolo precedente. Al muoversi dell onda, anche la pressione subisce variazioni sinusoidali che si può dimostrare essere pari a p =p m sin(kx-t) (6.4) p m è l ampiezza di pressione che rappresenta la variazione massima in positivo o in negativo della pressione generata dall onda. Si può dimostrare che p m = (v) s m (6.5) Esercizio 3 Un cilindro riempito di aria ha un estremità aperta e l altra chiusa da un pistone scorrevole. l pistone oscilla con una frequenza di 36000 cicli al minuto con una escursione massima di 0.0 mm. L oscillazione produce un onda nell aria di cui è possibile calcolare la frequenza e la variazione massima di pressione che essa produce. soluzione: la frequenza n del suono prodotto è uguale a quella dell oscillazione del pistone e quindi: = 36000 cicli al minuto= 36000/60 Hz = 600 Hz Dall eq. 6.5 è possibile ricavare la variazione massima di pressione P: P=(v) s m dove s m = 0.0 mm =0-5 m, v = 343 ms -, =.05 kg m -3 e =. Quindi : P = 343 m s -.05 kg m -3 6.8 600 s - 0 5 m = 3.6 Pa pari a circa il 0.0 % della pressione atmosferica media ( P =.0 0 5 Pa). Questo valore non è piccolo dato che l ampiezza massima P tollerabile dall orecchio umano è infatti circa 8 Pa. 6.4 - ntensità delle onde sonore Nel capitolo V si è visto che ad un onda in movimento è associato un trasporto di energia. Nel caso di un onda sonora molte volte è più importante valutare l energia (E) che per unità di tempo (t) e per unità di a- rea (A) che incide su di essa che l energia totale trasportata in un intervallo di tempo definito. Ricordiamo che l energia per unità di tempo ci fornisce la potenza che si misura in Watt. l rapporto tra la potenza e l area 4
di cui essa incide è pari all intensità che si misura dunque in (W/m ). n Tabella 6. sono riportate le intensità di alcuni fenomeni sonori Tabella 6. - ntensità sonore in W/m Suono ntensità (W m - ) Motore di un jet a 50 m 0 Martello pneumatico a m 0 - Traffico stradale 0-5 Conversazione a m 0-6 Bisbiglio a m 0-0 Respiro 0 - Soglia dell udito 0 - Sebbene il concetto di intensità sia stato introdotto a proposito del suono, esso vale per qualsiasi tipo di onda sia meccanica che elettromagnetica. Nel valutare l intensità di una sorgente sonora dobbiamo anche tener presente che allontanandoci da essa l intensità diminuisce. Questo accade perché l energia emessa dalla sorgente si distribuisce su una superficie via via più grande quando ci allontaniamo (vedi fig.6.) Figura 6.. Le onde sonore sono emesse dalla sorgente in tutte le direzioni dello spazio. Nella figura 6. è mostrata la propagazione di un segnale da una sorgente sonora supposta puntiforme. Le onde sonore si propagano in tutte le direzione dello spazio omogeneamente su una superficie sferica (fronte dell onde) che diviene sempre più grande al passare del tempo. Supponiamo che ci siano due ascoltatori posti a distanza r e r. Se non ci sono né riflessioni né fenomeni di dissipazione del suono e P è la potenza emessa dalla sorgente, l intensità rivelata dal primo ascoltatore è dove 4 r è l area della sfera di raggio P 4r (6.6) r. l secondo ascoltatore sente lo stesso suono con intensità 5
P 4r (6.7) La potenza P è la stessa nei due casi, mentre se si valuta l intensità in funzione dell intensità si trova r (6.8) r Quindi l intensità diminuisce con il quadrato della distanza; raddoppiando la distanza, l intensità diminuisce di un fattore 4. n generale l intensità ad una certa distanza r da una sorgente puntiforme di potenza P è P 4r (6.9) Questa relazione è valida nell ipotesi che il suono non venga né riflesso e né assorbito altrimenti questi fenomeni farebbero cambiare la quantità di potenza nelle varie posizioni considerate. Poiché un onda sonora, come detto precedentemente, è legata a variazioni di pressione si può mettere in relazione l ampiezza di variazione di pressione con l intensità sonora prodotta tramite l espressione seguente ( p) (6.0) v Esercizio 4 l suono dello sparo di un cannone è ascoltato da una persona posta a 50 m dal cannone con una intensità di 0-4 Wm -. Un altra persona posta ad una distanza di 400 m ascolta lo stesso colpo di cannone: l intensità del suono ascoltato è minore ed è calcolabile, come anche la potenza del suono all origine e la variazione massima di pressione P nelle immediate vicinanze del cannone (r = m). soluzione n accordo all eq. 6.8 l intensità del suono diminuisce proporzionalmente all inverso del quadrato della distanza percorsa dal suono stesso. Quindi per due osservatori posti a distanza r = 50m e r = 400 m dalla sorgente del suono, se l intensità del suono ascoltata dal primo osservatore è = 0-4 Wm -, l intensità del secondo osservatore è: r 0 r 400m 50m 4 6 0 Wm 3. Wm L eq. 6.6 ci permette di calcolare la potenza P del suono generata dal cannone. Usando i dati del primo osservatore (r = 50m e = 0-4 Wm - ) si ha: 4 50m 0 Wm 6. W P 4 r 4 3.4 3 Nelle immediate vicinanze del cannone ( r = m) l intensità risulta essere: r 50m 4 0 Wm 5Wm r m La variazione massima di pressione ΔP è calcolabile dall eq. 6.0, assumendo per densità e velocità del suono dell aria rispettivamente i valori =.05 Kg m -3 e v = 343ms -. v 3.05Kgm 343ms 5Wm 60.0Pa P 6
Questo valore è notevolmente alto, essendo il limite di P sopportabile dall orecchio di soli 8 Pa; l addetto al cannone dovrà far uso di apposite protezioni per attenuare il suono. 6.5 - Produzione di onde sonore. La voce umana Molti fenomeni producono suoni in modo casuale ed incontrollato. Ad esempio i fulmini sono spesso accompagnati da tuoni di forte intensità. Esistono però sia sorgenti naturali che costruite dall uomo in grado di e- mettere suoni in modo ripetibile e controllabile. Le sorgenti di suoni sono in genere costituiti da due componenti principali: un meccanismo in grado di produrre vibrazioni ed una struttura di risonanza. Gli strumenti musicali producono suoni o tramite vibrazioni su corde oppure nell aria. n una chitarra le corde vibrano e le loro vibrazioni vengono trasmesse dal corpo cavo dello strumento, che ne costituisce la struttura risonante. Negli strumenti a fiato le vibrazioni vengono indotte soffiando nel bocchino e facendo muovere l aria si producono delle vibrazioni. Le oscillazioni delle molecole di aria creano onde stazionarie nello strumento e l energia viene poi trasferita all aria esterna. Per quanto riguarda la voce umana, quando un individuo parla, le corde vocali fanno vibrare l aria; la gola e le cavità orali e nasali fungono da strutture risonanti (Fig.6.3). La grande variabilità di suoni prodotti dall uomo dipende da due circostanze: è possibile cambiare la tensione delle corde vocali e quindi si possono cambiare le frequenze prodotte e le proporzioni delle armoniche presenti. noltre, la cavità orale, che costituisce la principale struttura di risonanza, può essere modificata in forma e dimensioni per variare ulteriormente la frequenza dei suoni amplificati. Fig. 6.3 Componenti principali dell apparato vocale umano Normalmente le corde vocali sono rilassate e non ostruiscono il passaggio dell aria attraverso la laringe. Quando si sta per parlare, aumenta la tensione delle corde vocali e la laringe si chiude. (Fig.6.4). La pressione dell aria che si trova sotto le corde vocali aumenta forzando le corde ad aprirsi e l aria, che arriva nell apertura, fa vibrare le corde vocali. 7
Fig. 6.4 (a) Nella respirazione normale le corde vocali sono rilassate. Quando ci si predispone a parlare la tensione delle corde vocali aumenta e la laringe si chiude (b). L equazione di Bernoulli (CAPTOLO FLUD) permette di comprendere il meccanismo che consente alle corde vocali di vibrare. Quando l aria passa attraverso l apertura la sua velocità aumenta e, quindi, la sua pressione diminuisce, permettendo alle corde vocali di cominciare a chiudersi. Una volta che l apertura diventa sufficientemente stretta, la pressione al di sotto delle corde aumenta e costringe le corde ad allargarsi di nuovo. Questo processo continua finchè persiste l esalazione e in questo modo vengono eccitate sia la frequenza fondamentale che molte delle armoniche delle corde vocali. Lo spettro del suono, prodotto dalle corde vocali è abbastanza uniforme fino a 3000 Hz, che corrisponde al massimo dell intervallo di frequenze usato nel discorso. l suono così prodotto risulterebbe solo un rumore, sono le modifiche che avvengono nelle strutture di risonanza a dare a tale rumore le caratteristiche di ripetibilità e controllabilità proprie di un suono. La cavità orale nell uomo è una struttura complessa, ma le sue proprietà possono essere ben descritte da un modello semplice, che consiste in un tubo lungo 0.7 m con una estremità aperta all altezza della bocca e del naso, e l altra estremità praticamente chiusa all altezza della corde vocali. Si può vedere che le frequenze di risonanza di un tubo aperto ad una estremità sono date dalla seguente relazione ( n )v 4 n =,, 3 (6.) dove l è la lunghezza del tubo. Ponendo v = 343 ms - ed l = 0.7 m si trova che la fondamentale e le prime due armoniche superiori del tubo, vicine a 500, 500 e 500 Hz, cadono nell intervallo tra 300 e 3000 Hz che rappresentano l intervallo di frequenze più importante nel discorso. 6.6 - Rivelatore di suoni: l orecchio umano. La rivelazione dei suoni richiede la conversione delle vibrazioni meccaniche delle onde sonore in una forma che permetta l analisi delle loro frequenza e della loro intensità. Una caratteristica fondamentale di qualsiasi rivelatore di suoni è la capacità di riprodurre accuratamente le variazioni della frequenza e dell intensità del suono incidente su di esso, ossia la sua fedeltà. L orecchio umano è da questo punto di vista un rivelatore eccezionale. noltre, è insensibile al movimento e alle vibrazioni del corpo o ai suoni prodotti dal flusso del sangue e dagli organi interni. Esso permette all ascoltatore anche di localizzare le sorgenti sonore e di concentrarsi su suoni specifici anche in un ambiente pieno di rumori diversi. 8
Fig. 6.5 Rappresentazione schematica dell orecchio umano La fig.6.5 descrive molto schematicamente l anatomia dell orecchio umano. L orecchio esterno raccoglie le onde sonore e le trasmette alla membrana timpanica. Alcuni particolari ossicini dell orecchio medio trasmettono, attraverso la finestra ovale, le vibrazioni della membrana timpanica alla perilinfa nei canali dell orecchio interno. Gli ossicini funzionano come una pressa idraulica e amplificano di circa 5 volte la forza sulla membrana timpanica prima di applicarla sulla finestra ovale. noltre, i muscoli connessi con gli ossicini controllano l ampiezza del loro movimento, così da evitare che suoni forti danneggino il sensibile orecchio interno. L orecchio interno (Fig. 6.6) ha due canali pieni di fluido. l condotto cocleare, che contiene le terminazioni nervose nell organo di Corti, divide le due cavità fino all estremità più lontana dalla martello incudine condotto cocleare timpano staffa finestra ovale Fig. 6.6 Orecchio interno organo di Corti finestra. La finestra ovale è chiusa da uno degli ossicini. Una finestra rotonda nell altra cavità si flette quando la perilinfa si muove, in modo che il volume dell orecchio interno resta costante. Poiché il condotto cocleare si fa più spesso vicino all estremità stretta della coclea, le diverse frequenze di vibrazione della perilinfa fanno flettere la parete divisoria in diversi punti lungo la sua lunghezza. La flessione è percepita dai filamenti nervosi nella loro regione di eccitazione, e gli impulsi nervosi trasportano questa informazione al cervello. L orecchio interno sostanzialmente non fa altro che eseguire una analisi di Fourier (introdotta nel capitolo V) dei segnali acustici che gli arrivano. Nella coclea ci sono dei gruppi di cellule specializzate, ciascuno dei quali è in grado di entrare in risonanza solo con un ristretto intervallo di frequenze. Utilizzando lo strumento teorico delle serie di Fourier, siamo quindi in grado di capire perché anche un bambino stonato è in grado di percepire un intervallo di ottava o di quinta. Nella nota suonata da uno strumento musicale sono presenti (in varia misura, dipendente dal timbro dello strumento) anche le frequenze multiple di quella originale. Se suoniamo due note le cui frequenze stanno in rapporti semplici, vi sono fin da subito multipli comuni, per cui il 9
nostro cervello è più che disposto a trovare gradevole l accordo. Si noti che la ragione è fisiologica e non semplicemente culturale. 6.7 La risposta del sistema uditivo L orecchio umano è un rivelatore di notevoli capacità. nfatti esso è in grado di rivelare senza distorsioni onde sonore di intensità variabili da 0 - W m - fino ad un valore di W m -. Senza queste caratteristiche, molti dei suoni dell ambiente in cui viviamo non potrebbero essere uditi oppure sarebbero insopportabili. Le caratteristiche della risposta del sistema uditivo sono alquanto soggettive, ma due di loro sono state definite in modo abbastanza preciso: la soglia di udibilità e la soglia del dolore. La prima rappresenta l intensità minima che è appena udibile ad una data frequenza. valori tipici della soglia di udibilità in funzione della frequenza sono rappresentati dalla curva più bassa della Fig.6.7. La soglia del dolore è rappresentata dalla curva più alta in Fig. 6.7. A queste alte intensità gli ossicini vibrano così tanto da colpire la parete dell orecchio medio e si prova una sensazione di solletico o prurito. L intervallo di intensità rivelabile dall udito è compreso tra queste due curve. 40 ntensità sonora (Wm - ) 0-0 -4 0-6 0-8 0-0 0 - soglia del dolore soglia di udibilità 0 00 80 60 40 0 0 ntensità sonora (db) 0 50 00 00 500 000 000 50000000 0000 frequenza (Hz) Fig. 6.7 Grafico logaritmico che mostra l intervallo d intensità udibili in funzione della frequenza. L orecchio umano è maggiormente sensibile a frequenze leggermente al di sotto di 3000 Hz. L orecchio risponde ad una tale enorme intervallo d intensità in parte perché i muscoli intorno alla membrana timpanica e agli ossicini rispondono alla controreazione nervosa modificando la loro tensione. Quindi la membrana timpanica funziona in modo abbastanza simile alla pelle flessibile di un tamburo che abbia una tensione variabile dipendente dall intensità di percussione. A causa dell enorme intervallo di intensità cui l orecchio umano è sensibile, risulta comodo misurare le intensità con una scala logaritmica invece che lineare utilizzando una unità di misura adimensionale. La relazione tra quello che definiamo come livello dell intensità e l intensità del suono è data da 0log (6.) 0 dove β è misurato in decibel (db), è l intensità del suono, 0 = 0 - W m - è una intensità di riferimento fissata ad un valore circa uguale all intensità debole che può essere normalmente udita, e log indica il logaritmo in base 0. L intervallo in decibel dell udito a 000 Hz va quindi da circa 0 db a circa 0dB (fig. 6.7). La Tab.6.3 elenca i livelli d intensità delle sorgenti di suono più comuni. Tabella 6.3 ntensità in decibel di alcune sorgenti sonore ntensità Suono (db ) 0
Martello pneumatico a m 0 Tromba 75 Traffico stradale 70 Conversazione a m 60 Radio a basso volume 40 Bisbiglio a m 0 Respiro 0 Soglia dell udito 0 Esempio 5 Un violino da solo produce un intensità di suono pari a 50 db. E possibile valutare l intensità del suono di un insieme di violini che suonano le stesse note. soluzione L intensità del suono dell insieme di violini è volte quella del singolo strumento. Quindi l intensità dell insieme di strumenti espressa in db ( violini ) sarà data da: 0log 0log 0log violino 0log 0.8dB 50dB 60.8dB violini violino violini 0 0 0 Esempio 6 l livello d intensità della musica in un concerto è di 75 db per gli ascoltatori seduti a 0 m dal palco. Qual è il livello dell intensità del suono per gli ascoltatori seduti a 40 m dal palco? soluzione n accordo all eq. 6.8 l intensità del suono diminuisce proporzionalmente all inverso del quadrato della distanza percorsa dal suono stesso. Quindi per gli ascoltatori seduti a distanza r =40 m dal palco l intensità del suono è, relativamente all intensità per gli spettatori a distanza r =0 m: l livello in termini di db risulta: 0m 40m 6 r r 6 0log 0log 0log 0log db 75dB 63dB 0 0 6 0 6.8 - Proprietà soggettive del suono: volume, tono e timbro. n un qualsiasi libro di musica un suono viene descritto usando tre proprietà: il volume o intensità sonora oggettiva, l altezza o tono ed il timbro o qualità. Come si è visto l intensità è ben definita in termini di potenza o equivalentemente in db. l tono ed il timbro sono invece concetti più difficili da trattare quantitativamente perché strettamente legati a fattori soggettivi. suoni in natura si manifestano solo raramente nella forma di onda di pressione a singola frequenza: n generale il suono risulta dalla sovrapposizione di onde di diversa frequenza, ed è proprio questa composizione di suoni elementari che conferisce al suono le sue caratteristiche peculiari quali il tono ed il timbro: il tono è essenzialmente legato alla frequenza, o gruppo di frequenze, dominanti, quelle cioè che hanno intensità maggiori rispetto a quelle delle restanti componenti sonore, e ci permette di distinguere suoni più o meno gravi, o più o meno acuti. l timbro invece è legato alla complessità,
numero e rapporti relativi di intensità delle componenti elementari che concorrono a formare il suono. A parità di tono (frequenza dominante) il segnale periodico del suono assume forme diverse riconosciute dall orecchio nella qualità che chiamiamo timbro. n molti casi un eccessiva ricchezza di componenti determina suoni sgradevoli (rumori), in altri casi però proprio da questa complessità scaturiscono suoni molto gradevoli o, come si suole dire, musicali. La musica infatti si basa proprio sulla generazione di suoni con timbri armoniosi, ottenuti da corpi risonanti (gli strumenti musicali) che producono suoni con una singola frequenza dominante (la nota) e con un numero più o meno grande di suoni a frequenza multiplo intero della frequenza dominante (armoniche). l numero e la composizione delle armoniche vanno a determinare il timbro del singolo strumento, conferendo una voce tipica a ciascuno di essi. Riguardo all intensità del suono percepito, questo può variare alquanto rispetto a quello misurabile. La sensibilità dell orecchio umano dipende infatti dalla frequenza, seguendo qualitativamente l andamento della soglia di udibilità mostrata in Fig.7. Quindi un suono di 0 db a 000 Hz ci sembrerà più forte, cioè di volume più alto, di un suono a 0 db a 600 Hz. Effetti legati ai meccanismi di percezione auricolare possono presentarsi anche per quanto riguarda il tono in segnali sonori molto intensi: Al di sopra di frequenze di 3000 Hz una netta sensazione dell aumento del tono ( suono più acuto) è percepibile all aumentare dell intensità per un suono generato a frequenza costante. Parimenti una depressione del tono (suono più grave) è percepibile per suoni al di sotto della frequenza di 000 Hz all aumentare dell intensità. 6.9 - Effetto Doppler nelle onde acustiche Nel capitolo riguardante i fenomeni ondulatori è stato già introdotto l effetto Doppler che riguarda la variazione nella frequenza di un onda dovuta al moto relativo tra la sorgente ed il rivelatore. Nel caso del suono questo fenomeno è molto comune e spiega il cambiamento di tono del fischio di un treno o del clacson di un automobile quando ci sorpassano. Se ascoltiamo attentamente il fischio del treno o il clacson dell automobile notiamo che il tono (o frequenza) cresce quando il rivelatore e la sorgente si avvicinano, mentre diminuisce quando si allontanano in accordo con quanto ottenuto dalla trattazione quantitativa del capitolo precedente. L effetto Doppler vale naturalmente per tutti i fenomeni ondulatori e quindi anche per tutti i tipi di one acustiche ( nella Parte del libro si vedrà come proprio l effetto Doppler venga utilizzato per studiare il flusso sanguigno in un arteria o nel cuore stesso).