Onde Sonore, Esempi E Calcoli

Le onde sonore sono perturbazioni che si propagano attraverso un mezzo materiale, trasportando energia senza trasportare materia. Quando un oggetto vibra, come un diapason colpito o le corde vocali durante la parola, crea delle compressioni e rarefazioni nell'aria circostante che si propagano in tutte le direzioni.

A differenza delle onde elettromagnetiche come la luce, le onde sonore hanno bisogno di un mezzo materiale per propagarsi. Questo spiega perché nello spazio, dove c'è il vuoto, non possiamo sentire alcun suono. L'aria, l'acqua, i solidi e tutti i materiali possono fungere da mezzo di propagazione per le onde sonore, ciascuno con caratteristiche diverse.

Le onde sonore sono onde longitudinali, il che significa che le particelle del mezzo vibrano nella stessa direzione in cui si propaga l'onda. Questo è diverso dalle onde trasversali, come quelle che si formano su una corda di chitarra, dove le particelle vibrano perpendicolarmente alla direzione di propagazione.

La velocità del suono dipende dal mezzo attraverso cui si propaga. Nell'aria a temperatura ambiente (20°C), il suono viaggia a circa 343 metri al secondo. Nei liquidi come l'acqua, la velocità aumenta a circa 1500 m/s, mentre nei solidi può raggiungere velocità ancora maggiori, come nei metalli dove può superare i 5000 m/s.

Il diapason è uno strumento metallico a forma di forcella che rappresenta l'esempio perfetto per comprendere come si generano le onde sonore. Quando viene colpito, il diapason inizia a vibrare con una frequenza specifica e costante, producendo un suono puro di tonalità definita.

Le vibrazioni del diapason creano alternanze di compressione e rarefazione nell'aria circostante. Durante la fase di compressione, le molecole d'aria vengono spinte insieme, aumentando la pressione locale. Durante la fase di rarefazione, le molecole si allontanano, diminuendo la pressione. Questo ciclo si ripete con la stessa frequenza delle vibrazioni del diapason.

L'analogia con le onde in uno stagno aiuta a visualizzare il fenomeno: quando si getta un sasso nell'acqua, si formano cerchi concentrici che si allargano. Allo stesso modo, le onde sonore si propagano dall'origine in tutte le direzioni, formando sfere concentriche di compressione e rarefazione.

È importante notare che, come un tappo di sughero che galleggia sull'acqua si muove solo su e giù senza spostarsi orizzontalmente, anche le particelle d'aria vibrano avanti e indietro senza spostarsi dalla loro posizione media. È l'energia dell'onda che si propaga, non la materia.

La frequenza di un'onda sonora indica quante oscillazioni complete avvengono in un secondo e si misura in Hertz (Hz). L'orecchio umano può percepire frequenze comprese tra circa 20 Hz e 20.000 Hz. I suoni con frequenza inferiore a 20 Hz sono chiamati infrasuoni, mentre quelli superiori a 20.000 Hz sono ultrasuoni.

Il periodo è il tempo necessario per completare un'oscillazione completa e si misura in secondi. Il periodo è l'inverso della frequenza: se un suono ha una frequenza di 100 Hz, il suo periodo sarà 1/100 = 0,01 secondi. Questa relazione matematica è fondamentale per tutti i calcoli relativi alle onde sonore.

L'ampiezza dell'onda sonora determina l'intensità del suono che percepiamo. Maggiore è l'ampiezza, più forte sarà il suono. L'ampiezza è legata alla quantità di energia trasportata dall'onda: un suono forte ha un'ampiezza maggiore e trasporta più energia di un suono debole.

La lunghezza d'onda è la distanza tra due punti consecutivi che si trovano nella stessa fase di oscillazione, ad esempio tra due compressioni successive. La lunghezza d'onda è inversamente proporzionale alla frequenza: suoni acuti (alta frequenza) hanno lunghezze d'onda corte, mentre suoni gravi (bassa frequenza) hanno lunghezze d'onda lunghe.

Le onde sonore nell'aria si comportano diversamente dalle onde che osserviamo sulla superficie dell'acqua. Mentre le onde liquide sono bidimensionali e si propagano sulla superficie, le onde sonore sono tridimensionali e si propagano in tutte le direzioni dello spazio, formando onde sferiche.

Le onde sonore sono longitudinali, il che significa che le particelle del mezzo vibrano nella stessa direzione della propagazione dell'onda. Al contrario, le onde sulla superficie dell'acqua sono trasversali, con le particelle che si muovono perpendicolarmente alla direzione di propagazione dell'onda.

La velocità di propagazione delle onde sonore dipende dalle proprietà del mezzo, come la densità e l'elasticità. Nei gas come l'aria, la velocità è relativamente bassa, mentre nei liquidi e nei solidi è generalmente più alta. Questo spiega perché possiamo sentire il rumore di un treno sui binari prima attraverso il terreno che attraverso l'aria.

Un'altra differenza importante è che le onde sonore possono attraversare ostacoli e aggirare angoli grazie al fenomeno della diffrazione. Questo è il motivo per cui possiamo sentire suoni provenienti da dietro un muro o da dietro un angolo, anche se non vediamo direttamente la sorgente sonora.

La lunghezza d'onda (simbolo λ, lambda) è una delle grandezze fisiche più importanti per caratterizzare un'onda sonora. Rappresenta la distanza spaziale tra due punti consecutivi che si trovano nella stessa fase di oscillazione, come due compressioni successive o due rarefazioni successive.

Per un suono specifico, la lunghezza d'onda rimane costante durante la propagazione nel medesimo mezzo. Questo significa che se misuriamo la distanza tra due compressioni consecutive in qualsiasi punto del percorso dell'onda, otterremo sempre lo stesso valore, purché l'onda si propaghi nello stesso mezzo.

La lunghezza d'onda è inversamente proporzionale alla frequenza: suoni acuti (alta frequenza) hanno lunghezze d'onda corte, mentre suoni gravi (bassa frequenza) hanno lunghezze d'onda lunghe. Ad esempio, un suono di 1000 Hz nell'aria ha una lunghezza d'onda di circa 34 cm, mentre un suono di 100 Hz ha una lunghezza d'onda di circa 3,4 metri.

La conoscenza della lunghezza d'onda è fondamentale in molte applicazioni pratiche, dall'acustica architettonica alla progettazione di strumenti musicali, dalla medicina (ecografie) alle tecnologie sonar utilizzate per la navigazione e l'esplorazione marina.

La formula fondamentale che lega le caratteristiche delle onde sonore è: v = λ × f, dove v è la velocità del suono, λ (lambda) è la lunghezza d'onda e f è la frequenza. Questa relazione è valida per tutte le onde e rappresenta il principio base per tutti i calcoli relativi alle onde sonore.

Dalla formula principale derivano altre relazioni importanti. Poiché il periodo T è l'inverso della frequenza (T = 1/f), possiamo anche scrivere: v = λ/T. Questo significa che la velocità del suono è uguale alla lunghezza d'onda divisa per il periodo, ovvero la distanza percorsa dall'onda in un periodo completo.

Per calcolare la lunghezza d'onda quando conosciamo velocità e frequenza, usiamo: λ = v/f. Ad esempio, se un suono ha una frequenza di 440 Hz (la nota La) e si propaga nell'aria a 343 m/s, la sua lunghezza d'onda sarà: λ = 343/440 = 0,78 metri = 78 centimetri.

Per calcolare la frequenza quando conosciamo velocità e lunghezza d'onda, usiamo: f = v/λ. Se un'onda sonora nell'aria ha una lunghezza d'onda di 2 metri, la sua frequenza sarà: f = 343/2 = 171,5 Hz, che corrisponde a un suono piuttosto grave, simile a quello di un contrabbasso.

Esempio 1 - Calcolo della lunghezza d'onda: Un diapason produce un suono di 512 Hz. Qual è la lunghezza d'onda di questo suono nell'aria? Soluzione: λ = v/f = 343 m/s / 512 Hz = 0,67 metri = 67 centimetri. Questo significa che la distanza tra due compressioni consecutive è di 67 cm.

Esempio 2 - Calcolo della frequenza: Un'onda sonora nell'acqua ha una lunghezza d'onda di 1,5 metri. Sapendo che la velocità del suono nell'acqua è di 1500 m/s, qual è la frequenza? Soluzione: f = v/λ = 1500 m/s / 1,5 m = 1000 Hz. Questo suono sarebbe percepito come un fischio acuto.

Esempio 3 - Calcolo del periodo: Un suono ha una frequenza di 250 Hz. Qual è il suo periodo? Soluzione: T = 1/f = 1/250 Hz = 0,004 secondi = 4 millisecondi. Questo significa che ogni oscillazione completa dura 4 millisecondi.

Esempio 4 - Confronto tra mezzi diversi: Un suono di 1000 Hz si propaga dall'aria all'acqua. Come cambia la lunghezza d'onda? Nell'aria: λ = 343/1000 = 0,343 m. Nell'acqua: λ = 1500/1000 = 1,5 m. La lunghezza d'onda aumenta di oltre 4 volte passando dall'aria all'acqua, mentre la frequenza rimane costante.

La comprensione delle onde sonore ha numerose applicazioni pratiche nella vita quotidiana. Gli architetti utilizzano i principi dell'acustica per progettare sale da concerto con un'acustica ottimale, calcolando come le onde sonore si riflettono sulle pareti e come la forma della sala influenza la qualità del suono.

In medicina, gli ultrasuoni (onde sonore con frequenze superiori a 20.000 Hz) vengono utilizzati per le ecografie. Questi suoni ad alta frequenza possono penetrare nei tessuti del corpo umano e, riflettendosi sui diversi organi, permettono di creare immagini dettagliate dell'interno del corpo senza utilizzare radiazioni dannose.

La tecnologia sonar utilizzata dalle navi e dai sottomarini si basa sui principi delle onde sonore. Emettendo impulsi sonori e misurando il tempo impiegato dall'eco per tornare, è possibile calcolare la distanza e la forma degli oggetti sul fondo marino o di altri veicoli.

Nella musica, la comprensione delle onde sonore è fondamentale per la costruzione di strumenti musicali. La lunghezza delle corde di una chitarra o dei tubi di un organo determina la frequenza e quindi l'altezza delle note prodotte. I produttori di strumenti utilizzano calcoli precisi basati sulle formule delle onde sonore per ottenere le note desiderate.

Le onde sonore, come tutte le onde, possono subire riflessione quando incontrano una superficie. L'eco è l'esempio più comune di riflessione sonora: il suono rimbalza su una parete o una montagna e torna all'ascoltatore dopo un certo tempo. Il tempo di ritorno dell'eco può essere utilizzato per calcolare la distanza dell'ostacolo.

La rifrazione delle onde sonore avviene quando passano da un mezzo a un altro con densità diversa. Ad esempio, il suono si propaga diversamente nell'aria calda rispetto all'aria fredda, causando fenomeni come il miraggio acustico, dove i suoni sembrano provenire da direzioni diverse da quella reale.

L'interferenza si verifica quando due o più onde sonore si incontrano nello stesso punto. Se le onde sono in fase (creste e valli coincidono), si ha interferenza costruttiva e il suono risulta più forte. Se sono in opposizione di fase, si ha interferenza distruttiva e il suono può addirittura annullarsi.

La diffrazione permette alle onde sonore di aggirare gli ostacoli e di propagarsi anche dietro gli angoli. Questo fenomeno è più evidente per i suoni gravi (bassa frequenza, lunga lunghezza d'onda) rispetto ai suoni acuti. È per questo motivo che i bassi di un impianto stereo si sentono anche dalle stanze adiacenti, mentre gli acuti vengono facilmente bloccati dalle pareti.