Comportamento delle onde sonore

Le onde sonore seguono le leggi della meccanica ondulatoria e sono soggette a tutti i fenomeni tipici della propagazione per onde, come la riflessione, l'interferenza, la risonanza e che qui riprenderemo in termini più specifici. Tratteremo infine del fenomeno che si verifica quando la sorgente che emette le onde è in movimento rispetto all'osservatore, nato come effetto Doppler (tale fenomeno, comune a tutti i tipi di onde, si presta particolarmente a essere descritto nell'ambito delle onde acustiche).

Riflessione

Quando un'onda sonora incontra un ostacolo può accadere che lo superi, ovvero che venga trasmessa, oppure che venga assorbita o riflessa. La riflessione avviene quando un'onda sonora incontra un ostacolo di grandi dimensioni e rimbalza all'indietro. Per la legge della riflessione, che vale per tutti i tipi di onde , l'angolo di incidenza è uguale all'angolo di riflessione. L'orecchio umano percepisce come distinti due suoni intervallati da almeno un decimo di secondo. In tale tempo le onde sonore, che in condizioni normali viaggiano a circa 330 m/s, percorrono circa 33 metri. Se la distanza tra la sorgente del suono e l'ostacolo è almeno la metà di tale valore (circa 16,5 m), l'onda incidente e quella riflessa non si sovrappongono e l'ultima parte del segnale emesso (per esempio, una sillaba nel caso di una parola) dalla sorgente si percepisce distintamente come ripetuta. Tale fenomeno è conosciuto con il nome di eco; se la distanza tra sorgente e ostacolo è maggiore, aumenta l'intervallo dal segnale percepibile; se invece la distanza è minore, i due suoni si sovrappongono parzialmente originando il fenomeno del rimbombo. Se poi le superfici riflettenti sono più di una, si origina un'eco multipla, ovvero il suono viene ripetuto più volte.

Interferenza acustica

L'interferenza acustica si verifica ogni volta che due onde che viaggiano nel medesimo mezzo, con medesima frequenza e relazione di fase costante, si sovrappongono rinforzandosi o annullandosi. Così due onde sonore della stessa frequenza che siano in opposizione di fase si elidono a vicenda, quindi può capitare che due suoni ? emessi, per esempio, da due diapason ? sommandosi diano come risultato il silenzio per un ascoltatore posto nelle vicinanze. Se invece le due sorgenti dei suoni fossero poste in modo che le creste dell'onda sonora generata dalla prima sorgente corrispondessero alle creste dell'onda sonora generata dalla seconda sorgente, il suono risultante sarebbe più forte, cioè di ampiezza maggiore.

Se due sorgenti vibrano con uguale ampiezza, ma con frequenze leggermente diverse, la sovrapposizione delle onde prodotte dà luogo al fenomeno dei battimenti (v. fig. 21.4): le onde, cioè, risultano in accordo o concordanza di fase in certi punti, per poi mettersi fuori fase dopo un certo intervallo ed essere totalmente in opposizione di fase in altri punti . Nei punti in cui sono in concordanza di fase, le due onde sommeranno le loro ampiezze, mentre nei punti di opposizione di fase le loro ampiezze si sottrarranno o si annulleranno, secondo le leggi dell'interferenza . L'onda che risulta sarà quindi caratterizzata da regioni di ampiezza maggiore di quella delle onde originarie e da regioni di ampiezza minore, disposte a intervalli regolari (l'ampiezza, cioè, oscilla tra un valore massimo e un valore minimo). I battimenti costituiscono le regioni di maggiore ampiezza, cioè gli intervalli di suoni più forti. Il fenomeno dei battimenti viene sfruttato per accordare gli strumenti, o in genere per verificare che due sorgenti sonore vibrino con la stessa frequenza. Allo stesso modo può essere utilizzato per imporre a una sorgente sonora di vibrare alla stessa frequenza di un'altra, tenendo fissa la frequenza della sorgente di riferimento e variando la seconda fino a che scompare il fenomeno dei battimenti.

Risonanza acustica

Il fenomeno della risonanza in acustica è del tutto analogo al fenomeno della risonanza nel caso generale, per cui l'ampiezza di una vibrazione aumenta se vi si applica una forza della medesima frequenza. Molti strumenti musicali sfruttano il fenomeno della risonanza per rinforzare i suoni: il flauto e l'organo funzionano come risuonatori, ma anche le casse armoniche degli strumenti a corda, come la chitarra, sono casse di risonanza. Negli strumenti a fiato le vibrazioni della colonna d'aria presente nel tubo dello strumento entrano in risonanza con le vibrazioni prodotte dall'aria che entra dal bocchino, mentre nel caso della chitarra la cassa armonica entra in risonanza con le vibrazioni della corda della chitarra e amplifica determinate frequenze. Lo stesso accade per la cassa del pianoforte.

La situazione che si crea in un flauto o in un organo è del tutto analoga a quella vista relativamente a una corda legata a una estremità, dove si formano le onde stazionarie. Per sperimentare la formazione di onde stazionarie in una colonna d'aria si può usare un tubo vuoto immerso parzialmente in acqua, in modo che la sua estremità immersa in acqua possa essere alzata o abbassata, variando la lunghezza del tubo. Un diapason posto all'estremità aperta del tubo mette in vibrazione la colonna d'aria all'interno del tubo. L'onda sonora che si produce nel tubo si comporta come l'onda prodotta sulla corda: l'onda sonora viene riflessa all'estremità chiusa del tubo (ovvero dalla superficie dell'acqua) e produce, per determinate lunghezze del tubo, un'onda stazionaria, con nodi e antinodi. Variando la lunghezza del tubo, cioè alzandolo e abbassandolo sulla superficie dell'acqua, si sente il fenomeno della risonanza, ovvero si sentono suoni alternativamente forti e deboli. Un tubo chiuso di questo tipo entra in risonanza per lunghezze pari a /4, 3/4, 5/4 ecc. dove è la lunghezza d'onda del diapason.

Effetto Doppler

L'effetto Doppler consiste nel cambiamento della frequenza di un'onda rilevato quando la sorgente dell'onda e l'osservatore sono in moto l'uno rispetto all'altro. Il fenomeno prende il nome dal suo scopritore, il fisico austriaco J.C. Doppler (1803-1853), che stabilì che la frequenza di un'onda sonora emessa da una sorgente che si avvicina a un osservatore aumenta (l'osservatore percepisce un suono più acuto perché riceve un numero maggiore di onde nell'unità di tempo), mentre diminuisce nel caso in cui l'onda sia emessa da una sorgente che si allontana dall'osservatore (questi percepisce un suono più grave perché riceve un numero minore di onde nell'unità di tempo). L'effetto Doppler riguarda tutti i fenomeni di propagazione delle onde, quindi anche le onde luminose, le onde radio ecc., ma è particolarmente facile osservarlo nel caso del suono: per esempio, la sirena di un'autoambulanza manda un suono più acuto man mano che si avvicina e mentre si allontana il suo suono sembra diventare più grave.