acùstica

Lessico

sf. [sec. XVIII; da acustico].

1) Scienza e tecnica riguardanti in particolare la generazione, propagazione, trasduzione, registrazione e riproduzione del suono. Poiché questo è legato all'oscillazione elastica di un mezzo, attualmente si tende ad allargare il campo dell'acustica, identificandola con lo studio di tutti i fenomeni e le tecniche connessi genericamente con le oscillazioni elastiche, in un campo di frequenza più esteso del campo di udibilità. I più importanti settori dell'acustica sono: l'acustica fisica, l'acustica musicale, l'acustica subacquea, l'acustica edilizia o architettonica, l'acustica fisiologica, l'elettroacustica, la fonometria.

2) Proprietà sonore di un ambiente: l'acustica di questo teatro lascia parecchio a desiderare.

Storia

La storia dell'acustica comincia nel sec. VI a. C. con gli studi di Pitagora e dei pitagorici, la filosofia dei quali identificava la struttura dei numeri con quella del mondo fisico. Essi giunsero a stabilire le relazioni esistenti fra la lunghezza delle corde vibranti e l'altezza dei suoni; a loro inoltre si deve una delle prime scale musicali. Con i pitagorici si delineano le due tendenze tipiche dei primi studi di acustica: quella musicale, interessata all'aspetto fisiologico-estetico, e quella fisico-matematica, interessata all'aspetto matematico e sperimentale. Le due tendenze trovarono espressione in due distinti trattati (Introduzione armonica e Sezione del Canone), attribuiti erroneamente a Euclide, che confluirono poi nelle Armoniche di Tolomeo. Risulta da Erone (sec. II a. C.) che era noto qualitativamente ai Greci che il suono è dovuto al moto vibratorio e agli urti delle particelle d'aria. La conoscenza almeno grossolana del fenomeno della riflessione risulta dalla forma del teatro greco e del successivo teatro romano, poco diverso: l'orchestra centrale per il coro, la scena per la rappresentazione e la gradinata per il pubblico, circondante buona parte dell'orchestra. Dall'orchestra al pubblico arrivavano sia il suono diretto sia il suono riflesso una volta sola, insieme considerato tuttora necessario e sufficiente per un ascolto gradevole. Ai Romani, peraltro, erano noti anche i fenomeni dell'eco, dell'interferenza e della riverberazione. Dopo i Romani occorre arrivare, per un progresso sostanziale, al Galilei e a un suo contemporaneo, il francese Marin Mersenne; questi determinarono sperimentalmente i rapporti matematici tra frequenza, lunghezza, tensione e massa delle corde vibranti. Le ricerche successive possono riassumersi nelle fasi seguenti: nascita e primo sviluppo della teoria ondulatoria, secondo la quale il suono si propaga per vibrazione longitudinale del mezzo (Newton e più precisamente Huygens nel Traité de la lumière) e non si propaga nel vuoto; ricerche teoriche sulle corde e altri corpi vibranti, come le piastre (J. B. D'Alembert, D. Bernoulli, L. Euler, T. Young, E. F. F. Chladni); studio dei fenomeni di interferenza e risonanza e acquisizione del concetto di analisi del suono (J.-B.-J. Fourier); l'opera di lord Rayleigh, riguardante essenzialmente la misurazione e lo studio di grandezze fisiche relative al suono, come la pressione sonora e la velocità di vibrazione. Schematicamente, fino a lord Rayleigh l'acustica si interessò essenzialmente allo studio del fenomeno fisico e, in misura minore, degli aspetti fisiologici. All'inizio del Novecento l'acustica risentì in modo determinante dell'introduzione dei tubi elettronici, l'uso dei quali ha reso possibile la costruzione di altoparlanti, microfoni, amplificatori, registratori per frequenze acustiche e ultracustiche. Si sono aggiunti così ai campi precedenti l'elettroacustica, l'ultracustica, la fonometria e l'acustica ambientale. Le nuove tecniche hanno consentito di estendere lo studio dai suoni puri e complessi a fenomeni sonori di qualunque tipo, come per esempio di tipo impulsivo o comunque non coerente. Tutto ciò ha modificato radicalmente gli strumenti di ricerca dell'acustico, che da fisico si è trasformato, in una certa misura, in ingegnere elettronico. Ciò ha provocato anche una profonda modificazione concettuale, con l'introduzione della nozione di circuito nella propagazione di energia sonora. Il passo successivo è consistito nell'estensione di tali metodi allo studio di dispositivi comprendenti trasduttori di energia sonora in energia elettrica, cioè trasformatori, nei quali il rapporto di trasformazione contiene una costante che esprime il mutamento di forma di energia. Il contemporaneo svilupparsi della scienza delle comunicazioni e dell'elettronica stava intanto mettendo in rilievo l'importanza, nelle telecomunicazioni, del rapporto segnale-rumore, della larghezza della banda spettrale e delle distorsioni. Alla nozione di “propagazione di energia sonora” si è quindi sostituita quella di “trasmissione di un segnale” che si può manifestare in varie forme (segnale sonoro, magnetico, elettrico, elettromagnetico) tutte esprimibili sotto forma circuitale e aventi in comune alcuni caratteri (intensità, larghezza di banda, fedeltà, quantità di informazione trasmessa in un dato tempo). In tal senso alla trasmissione di un segnale che in una certa fase è sonoro vanno applicati i principi della scienza delle comunicazioni e della teoria dell'informazione: il mezzo nel quale il segnale si trasmette è diventato un supporto, o meglio un canale di informazioni. L'ultimo passo nell'evoluzione dell'acustica è stato fatto quando ci si è resi conto che i principi precedenti, sia pure in forma più complessa, potevano essere applicati anche ai fenomeni che hanno luogo nell'interno dell'orecchio, stimolato da un suono o rumore esterno; in altre parole il segnale sonoro esterno si trasforma in segnale meccanico nell'orecchio medio, entra nell'orecchio interno tramite la finestra, dove si traduce in una certa configurazione vibratoria della membrana basilare. In prima approssimazione, questa configurazione si traduce in scariche nervose lungo il nervo uditivo, che, opportunamente codificate, portano l'informazione agli alti centri cerebrali. Si è anche accertato che durante la trasmissione di segnali dalla periferia agli alti centri cerebrali è valido il principio della dualità e simmetria delle analisi temporale e di frequenza di un segnale di qualunque forma (nel nostro caso nervosa). Nel caso di stimoli sonori di breve durata, nel sistema uditivo hanno luogo fenomeni di integrazione spaziale e temporale che traducono la dualità precedente (vedi udito). Dall'insieme di tali corrispondenze è sorta la possibilità di simulare le reti nervose con circuiti; sono nati così i modelli meccanici, elettrici ed elettronici, non solo dell'orecchio medio e interno, ma anche della rete nervosa. I problemi dell'acustica hanno cominciato a interessare la cibernetica e quindi la bionica. L'acustica, intesa nel senso più esteso e moderno, può quindi ritenersi un'interdisciplina, alla quale confluiscono contributi della fisica, dell'elettronica, della biologia, della fisiologia, dell'informatica.

Fisica: generalità

Studia le proprietà e le caratteristiche del suono e dei fenomeni connessi alla sua propagazione nei vari mezzi. Fra i suoi fenomeni più importanti vanno ricordati: quelli che hanno luogo durante l'incidenza dell'onda sonora su di una superficie riflettente (vedi riflessione) o durante l'incontro con un ostacolo di dimensioni particolari (vedi diffrazione); l'aumento dell'ampiezza di vibrazione che si verifica quando le dimensioni dell'ambiente sono legate da relazioni assai semplici con la lunghezza d'onda (vedi risonanza); la variazione regolare d'intensità che si ha lungo una superficie dove si incontrano le onde sonore prodotte da due sorgenti (vedi interferenza); il complesso dei fenomeni che si hanno quando un'onda sonora attraversa un corpo, in particolare poroso, fenomeni legati alla densità e porosità del mezzo, alla massa dello scheletro, alla densità dell'aria o altro fluido che riempie i pori, e che in definitiva si riassumono nella trasformazione in calore di parte dell'energia sonora (vedi assorbimento); l'insieme dei fenomeni, di riflessione sulle pareti e di assorbimento dovuto ai materiali che le rivestono (nonché agli arredi, tendaggi, ecc.), che si verificano negli ambienti per effetto di sorgenti sonore interne, anche in relazione alla forma e al volume dell'ambiente stesso (vedi diffusione). Il campo di frequenze che interessa l'acustica fisica si è esteso oltre le frequenze udibili: alle frequenze inferiori si hanno gli infrasuoni, il cui campo di fenomeni vibratori confina con la sismologia e interessa particolarmente le strutture edilizie; alle frequenze superiori (studiate dall'ultracustica), dagli ultrasuoni si è passati agli ipersuoni, che raggiungono una frequenza di 10¹⁰ Hz, a cui corrisponde una lunghezza d'onda di 0,35 μm. Lo sviluppo dell'aviazione con propulsori a reazione, a velocità inferiore e superiore a quella del suono, ha determinato poi lo sviluppo di un nuovo settore dell'acustica denominato aeroacustica. Questa si interessa, da un lato, ai suoni creati da un flusso continuo d'aria lungo una superficie, o dall'incidenza di questo flusso su strutture geometriche particolari, per dati valori del numero di Reynolds (suoni aerodinamici), dall'altro, ai fenomeni che si hanno quando viene superato il muro del suono. Infine, l'interpretazione fisico-matematica di alcuni fenomeni nel campo degli ultrasuoni ha dimostrato l'impossibilità, anche nel campo acustico, di suddividere indefinitamente l'energia; si è così introdotta la nozione di quanto di energia sonora o fonone.

Fisica: acustica musicale

È il campo dell'acustica che riguarda: la parte dell'acustica fisica relativa allo studio dei suoni musicali, che sono generalmente suoni complessi, più o meno ricchi di armoniche; le nozioni relative alle scale musicali e ai vari intervalli; i problemi di acustica fisica relativi a vibrazioni delle corde e delle piastre, alla propagazione del suono nei tubi e all'emissione sonora dalle canne, in relazione al funzionamento dei corrispondenti strumenti musicali, dal violino all'organo; la tecnica di costruzione degli strumenti musicali tradizionali, elettrici ed elettronici, in relazione alle caratteristiche dei suoni emessi, nonché i problemi costruttivi riguardanti gli strumenti della musica sperimentale.

Fisica: acustica oceanografica

Gli oceani sono assai poco trasparenti per le onde luminose, ma sono invece facilmente penetrabili dalle onde sonore. Le acque sono pervase da innumerevoli frequenze acustiche naturali legate sia a terremoti sia a suoni biologici naturali (locomozione, comunicazione dei Cetacei, ecc.). L'acustica oceanografica si occupa dei modi di propagazione del suono e degli ultrasuoni nell'acqua e li sfrutta per scopi telecomunicativi (si possono superare anche distanze dell'ordine delle migliaia di chilometri), militari (innesco di mine acustiche, localizzazione di oggetti sommersi che manifestino riflessione totale), biologici (rilevamento dei suoni emessi dagli organismi viventi), geomorfologici (rilevamento topografico dei fondali marini e oceanici a opera di sonar o ecoscandagli).

Fisica: acustica edilizia o architettonica

I principi dell'acustica fisica vengono applicati in edilizia per due problemi nettamente diversi. Il primo riguarda le sale da concerto, i teatri, i cinematografi, gli studi di ripresa cinematografica, radiofonica e televisiva; consiste nello studio delle caratteristiche volumetriche e costruttive della sala, dei materiali costruttivi e delle forme architettoniche, al fine di ottenere una buona audizione in ogni punto della sala per rendere l'ascolto diretto e la riproduzione più gradevole possibile, ed evitare concentrazioni focali di suono o ombre sonore. Come già i Greci avevano capito, a tale scopo ha molta importanza la forma della sala, per evitare concentrazioni di energia sonora e per far sì che il rapporto fra l'energia sonora che arriva direttamente all'ascoltatore e quella che arriva dopo una riflessione stia entro dati limiti. La buona audizione si ottiene distribuendo l'intensità sonora uniformemente nell'ambiente: da ciò l'importanza delle proprietà assorbenti dei materiali che rivestono le pareti e le sedie o poltrone. Il parametro più importante, direttamente legato all'assorbimento globale della sala, è il tempo di riverberazione, che è il tempo T necessario perché l'energia sonora esistente nella sala durante l'emissione d'un dato suono decresca a un milionesimo del valore che ha nell'istante in cui cessa l'emissione. Una lunga serie di misurazioni di tempo di riverberazione, effettuate in tutto il mondo in teatri e sale da concerto di varie dimensioni, ha permesso di stabilire i valori ottimi di T per ogni volume di sala. Per ottenere valori prefissati di T occorre stabilire opportunamente le dimensioni e il tipo dei materiali di rivestimento (legno, marmo, intonaci, strutture speciali) delle pareti, del soffitto e del pavimento; le proprietà assorbenti di ciascun materiale sono generalmente espresse mediante il coefficiente d'assorbimento per incidenza casuale. Il valore del coefficiente d'assorbimento di un dato materiale viene determinato in speciali grandi camere (dette riverberanti) di cui sono forniti i laboratori di acustica, mediante la misurazione, eseguita a varie frequenze, della differenza fra il tempo di riverberazione a camera vuota e quello che si ha distendendo sul pavimento il materiale in questione (generalmente un foglio di 10 m²). Le camere riverberanti sono di forma non regolare, a quattro pareti non parallele a due a due, con il soffitto non parallelo al pavimento; tutte le superfici sono assai ben riflettenti, allo scopo di rendere più lungo possibile il tempo di riverberazione a camera vuota e di diffondere nella sala il più uniformemente possibile il suono emesso da più altoparlanti disposti opportunamente. Noto il coefficiente d'assorbimento di ogni singolo materiale, l'assorbimento globale della sala (e quindi il suo tempo di riverberazione globale) è legato alla somma dei prodotti delle aree dei materiali di rivestimento per il corrispondente coefficiente d'assorbimento. La misurazione diretta del tempo di riverberazione in una sala rivestita è invece effettuabile mediante opportune apparecchiature di registrazione. Viene eseguita per vari suoni puri, oppure registrando la riverberazione dovuta a un colpo di pistola che può essere considerato comprendente tutte le frequenze, come un suono bianco; la registrazione viene poi analizzata frequenza per frequenza. Il secondo problema fondamentale dell'acustica edilizia è lo studio delle proprietà fonoisolanti delle strutture murarie degli edifici. Il rumore può penetrare in un ambiente attraverso due vie distinte (o mediante l'insieme delle due), dette via aerea e via solida. La prima è quella di un rumore prodotto all'esterno, il quale incide su una parete (o su un serramento) e si irradia all'interno dopo esserne stato in parte assorbito. Il rapporto fra energia irradiata all'interno ed energia incidente, legato al potere fonoisolante della parete, dipende strettamente, per materiali compatti, dal peso del materiale per unità di superficie. Ciò spiega perché l'isolamento con mattoni pieni dia sempre buoni risultati. Quando occorre provvedere in altro modo a migliorare una situazione già esistente oppure occorre attenuare particolarmente date frequenze, si ricorre a sistemi diversi, come intonaci assorbenti o pannelli di lana di roccia o vetro opportunamente forati. La trasmissione del rumore per via solida avviene invece tramite la struttura del fabbricato, senza che intervenga l'aria come mezzo di trasmissione, salvo che nella fase finale. È tipico il caso del rumore prodotto dal funzionamento d'una macchina, che si trasmette tramite le fondazioni al pavimento e da questo alla struttura muraria e quindi alle pareti, o al solaio, i quali lo irradiano in altro ambiente. La difesa contro rumori di questo tipo consiste nell'assorbire direttamente la vibrazione della macchina, mediante supporti antivibranti frapposti fra la macchina e il pavimento ed eventualmente mediante isolamento delle fondazioni della macchina stessa.

Fisica: acustica fisiologica

Riguarda i due campi, distinti ma interconnessi, dell'udito e della fonazione, quindi si sovrappone in parte alle specializzazioni della medicina costituite dall'audiologia e dalla otorinolaringologia. L'acustica fisiologica differisce da questi campi della medicina perché non si interessa alle malattie, ai traumatismi e agli altri fenomeni patologici e limita l'indagine anatomica a quanto è necessario dal lato funzionale. Dal lato uditivo, l'acustica fisiologica studia le grandezze soggettive caratteristiche dell'ascolto (altezza, sensazione sonora, soglie differenziali di frequenza e intensità) in relazione alle corrispondenti grandezze oggettive della stimolazione esterna (frequenza, pressione sonora globale e sua distribuzione spettrale). Si interessa inoltre a tutti i fenomeni caratteristici dell'ascolto (per esempio il mascheramento, la fatica uditiva, l'effetto direzionale, l'adattamento, i battimenti mono- e binaurali e altri fenomeni temporali), anche allo scopo di inquadrare l'insieme di tutti detti fenomeni in una soddisfacente teoria dell'udito. Dal lato della fonazione, l'acustica fisiologica costituisce quella parte della fonetica che comprende: lo studio del meccanismo dell'emissione vocale, dal lato meccanico, acustico, nervoso; lo studio delle caratteristiche oggettive della voce umana (analisi della voce e sua evoluzione temporale, ossia determinazione della sua composizione spettrale istantanea); lo studio di quei dispositivi atti alla sintesi e al riconoscimento della voce umana. Gli ultimi due settori costituiscono la fonetica sperimentale.

Bibliografia

P. M. Morse, Vibration and Sound, New York, 1948; L. L. Beranek, Acoustics, Londra, 1954; T. F. Hueter, R. H. Bolt, Sonics: Techniques for the Use of Sound and Ultrasound in Engineering and Science, Londra, 1955; E. G. Richardson, Technical Aspects of Sound, New York, 1962; L. L. Beranek, Music, Acoustics and Architecture, New York, 1962; J. F. Flanagan, Speech Analysis, Synthesis and Perception, Berlino, 1965; S. Pintacuda, Acustica musicale, Milano, 1972; E. Acerbi, Lezioni di fisica: elettromagnetismo, acustica, ottica, Milano, 1983; R. Lazzarin, M. Strada, Elementi di acustica tecnica, Padova, 1983; A. Alzati, Acustica ambientale e insonorizzazione, Milano, 1984; J. Pierce, La scienza del suono, Bologna, 1987; I. Balducci, Acustica applicata, Roma, 1988.