Caratteri distintivi del suono

Ogni suono è rappresentabile attraverso un'onda, più o meno complessa, a seconda che si tratti di un suono puro, come per esempio quello trasmesso da un diapason, oppure di un rumore, prodotto dalla sovrapposizione di molte onde. Per analizzare le caratteristiche di un'onda sonora è utile riferirsi al suono di un diapason, uno strumento costituito da una barretta di acciaio piegata a U, i cui due rami sono detti rebbi: percuotendo con un martelletto di gomma uno dei due rebbi, il diapason entra in vibrazione ed emette un suono puro (cioè di una determinata frequenza). Le onde emesse da un diapason sono sinusoidali, dove l'ampiezza dell'onda rappresenta il massimo dell'oscillazione dei rebbi.

• La prima delle caratteristiche del suono è l'intensità e dipende dall'ampiezza dell'oscillazione: a suoni più intensi corrispondono ampiezze maggiori e a suoni meno intensi, cioè più deboli, corrispondono ampiezze minori. Se colpiamo con più forza i rebbi del diapason otteniamo un suono più forte e l'onda corrispondente avrà ampiezza di oscillazione maggiore. Più precisamente, l'intensità è definita come l'energia emessa nell'unità di tempo dalla sorgente sonora su una superficie di un metro quadrato ed è proporzionale al quadrato dell'ampiezza della vibrazione della sorgente. Nel Sistema Internazionale l'intensità del suono si misura in watt/m².

Poiché l'orecchio umano è sottoposto a una vasta gamma di suoni di intensità molto diverse, si usa misurare il livello sonoro, che fornisce una misura della sensazione sonora che il nostro orecchio percepisce. Il livello sonoro si misura in decibel (dB): al valore del suono più debole udibile dal nostro orecchio viene assegnato il valore di 0 dB e corrisponde a circa 10⁻¹² W/m². All'aumentare dell'intensità del suono aumenta il livello sonoro; per valori di livello sonoro superiori a 120 dB, la sensazione percepita dall'orecchio diventa dolorosa e quel valore viene detto soglia del dolore. Se il nostro orecchio però viene sottoposto costantemente a suoni di livello anche lievemente inferiore, attorno a 90 dB, l'udito tende ad alterarsi: per chi è esposto costantemente ad ambienti particolarmente rumorosi l'alterazione può risultare definitiva (per questo motivo chi lavora vicino a macchine particolarmente rumorose deve portare delle cuffie protettive).

• La seconda caratteristica dell'onda sonora è l'altezza e dipende dalla frequenza dell'oscillazione, che distingue i suoni gravi da quelli acuti. I suoni più gravi corrispondono a onde di frequenza minore (quindi di lunghezza d'onda maggiore), mentre i suoni più acuti corrispondono a onde di frequenza maggiore (quindi minori lunghezze d'onda).

I suoni percepibili dall'orecchio umano (v. fig. 21.2) hanno frequenze comprese tra circa 16 Hz e 20.000 Hz: al di sotto di 16Hz i suoni sono classificati come infrasuoni, al di sopra di 20.000 Hz come ultrasuoni. Gli ultrasuoni non sono udibili da parte dell'uomo, ma lo sono da parte di alcuni animali, come i cani, e come è noto sono utilizzati nel mondo animale, per esempio dai pipistrelli che li producono per localizzare gli ostacoli. Esistono dispositivi artificiali per produrre ultrasuoni, che trovano applicazione nei campi più diversi. La riflessione degli ultrasuoni è sfruttata nei sonar, dispositivi di localizzazione subacquea, e in medicina per la visualizzazione degli organi interni (ecografia).

• La terza caratteristica del suono è il timbro e dipende dalla forma della vibrazione. Due suoni emessi da due strumenti diversi che possiedano stessa intensità e stessa altezza differiscono sempre per il timbro, che è determinato dalla forma dell'onda prodotta dallo strumento. Il diapason emette un suono puro, detto armonica, il cui andamento è descritto da una sinusoide (v. fig. 21.3). Uno strumento musicale, per esempio una chitarra, emette un suono complesso, la cui onda è determinata dalla sovrapposizione di più onde, ovvero di più armoniche. L'onda corrispondente a un rumore, invece, essendo composta da un elevato numero di onde sonore che si sovrappongono disordinatamente, assume un aspetto molto irregolare.

Ogni suono può essere ricondotto alle sinusoidi che lo compongono mediante l'analisi armonica di Fourier, che stabilisce che un segnale periodico non sinusoidale è sempre composto di un numero variabile di sinusoidi, e quindi in qualche misura riproducibile attraverso la sovrapposizione di più armoniche. La sinusoide che ha la stessa frequenza del segnale da scomporre si chiama armonica fondamentale, mentre le altre sono dette armoniche successive. Il timbro dipende dalle armoniche: i computer che riconoscono le parole le analizzano mediante l'analisi armonica dei suoni che emettono.