Suono

Il suono (dal latino sonum) è la sensazione data dalla vibrazione di un corpo in oscillazione. Tale vibrazione, che si propaga nell'aria o in un altro mezzo elastico, raggiunge l'apparato uditivo dell'orecchio che, tramite un complesso meccanismo interno, crea una sensazione "uditiva" correlata alla natura della vibrazione; in particolar modo la membrana timpanica subendo variazioni di pressione entra in vibrazione.

Le oscillazioni sono spostamenti delle particelle intorno alla posizione di riposo e lungo la direzione di propagazione dell'onda; gli spostamenti sono provocati da movimenti vibratori, provenienti da un determinato oggetto, chiamato sorgente del suono, il quale trasmette il proprio movimento alle particelle adiacenti grazie alle proprietà meccaniche del mezzo; le particelle a loro volta, iniziando ad oscillare, trasmettono il movimento alle altre particelle vicine e queste a loro volta ad altre ancora, provocando una variazione locale della pressione; in questo modo, un semplice movimento vibratorio si propaga meccanicamente originando un'onda sonora (o onda acustica), che è pertanto onda longitudinale. Si ha un'onda longitudinale quando le particelle del mezzo in cui si propaga l'onda, oscillano lungo la direzione di propagazione. Le onde meccaniche longitudinali sono anche denominate onde di pressione. Il suono è un'onda che gode delle seguenti proprietà: riflessione, rifrazione e diffrazione, ma non della polarizzazione (a differenza della luce che è un'onda elettromagnetica). Un'onda ha la frequenza e lunghezza d'onda che possono essere messe in relazione con la formula:

y(x,t) = y_0 \sin\Bigg( \omega \left(t-\frac{x}{c} \right) \Bigg)

dove:

  • y è lo spostamento di un punto lungo l'onda sonora;
  • x è la distanza che il punto ha percorso dalla sorgente dell'onda;
  • t è il tempo trascorso;
  • y0 è l'ampiezza delle oscillazioni,
  • c è la velocità dell'onda;
  • ω è la frequenza angolare dell'onda.

La quantità x/c è il tempo necessario all'onda per percorrere la distanza x.

La frequenza f, in hertz, dell'onda è data da:

f = \frac{\omega}{2 \pi}.

Per le onde sonore, l'ampiezza dell'onda è la differenza tra la pressione del mezzo non perturbato e la pressione massima causata dall'onda.

La velocità di propagazione delle onde sonore dipende dalla temperatura e pressione del mezzo attraverso il quale si propagano.

Come tutte le onde, anche quelle sonore sono caratterizzate da una frequenza (che nel caso del suono è in diretta, ma non esclusiva, relazione con la percezione dell'altezza) e un'intensità (che è in diretta, ma non esclusiva, relazione con il cosiddetto "volume" del suono). Inoltre, caratteristica saliente delle onde sonore è la forma d'onda stessa, che rende in gran parte ragione delle differenze cosiddette di timbro che si percepiscono tra diverse tipologie di suono.

Il campo uditivo dell'uomo si estende da una frequenza di circa 20 Hz fino a 20.000 Hz (ossia 20 kHz). La lunghezza d'onda rappresenta lo spazio percorso dall'onda sonora in un periodo completo di oscillazione. Le relazioni tra periodo T (tempo necessario perché si compia un'oscillazione completa), frequenza f, e lunghezza d'onda L sono date da:

f = c/L; f = 1 /T; c = L/T; c = Lf

dove c è la velocità del suono nell'aria (344 m/s; nell'aria, alla temperatura di 20 °C ed alla pressione atmosferica del livello del mare).

La velocità del suono dipende molto dalla densità del mezzo: è circa 1.500 m/s nell'acqua e circa 5.000 m/s nel ferro. Essendo un movimento di materia, nel vuoto non si trasmette, poiché non c'è materia da far oscillare.

Conoscendo la velocità e la frequenza di un suono, possiamo dunque calcolare la sua lunghezza d'onda; alla frequenza di 20 Hz, la lunghezza d'onda è pari a 17 metri, mentre a 20 kHz è pari a soltanto 17 mm.

La velocità di propagazione del suono dipende dalle caratteristiche del mezzo, in particolare l'elasticità e la densità. È direttamente proporzionale all'elasticità ed inversamente proporzionale alla densità, secondo la relazione dove:

c = velocità del suono nel mezzo considerato
k = costante
E = modulo di elasticità di Young (N/m2)
\rho = densità del mezzo (kg/m3)

Spesso materiali di elevata densità presentano anche moduli di elasticità elevati e questo ha contribuito al diffondersi della convinzione che la velocità del suono sia più elevata in un mezzo ad alta densità rispetto ad un altro di densità più ridotta.