1. IL SUONO
Per suono si intende quel fenomeno meccanico dato da una perturbazione di un mezzo di trasmissione (in genere l'aria) e che abbia caratteristiche tali da essere percepito dall'orecchio umano. Il termine di paragone ultimo, per tutto questo volume, sarà infatti l'orecchio, e non lo strumento di misura. Due fenomeni diversi, ma che appaiono uguali all'ascolto, verranno considerati senz'altro come lo stesso fenomeno. Ciò può apparire troppo pragmatico, ma una diversa posizione si presterebbe a discussioni senza fine, e, in ultima analisi, inutili. La vibrazione viene trasmessa all'aria, per esempio da una corda vibrante:
la corda si sposta avanti e indietro, e durante questo spostamento comprime le particelle d'aria (molecole) da un lato e le espande dall'altro.Successivamente il moto si inverte, e le molecole che prima erano state compresse si espandono e viceversa. Le compressioni e le espansioni (cioè le perturbazioni dell'aria che inizialmente era in stato di quiete) si propagano poi con una certa velocità attraverso l'aria circostante in tutte le direzioni, dando luogo a onde sferiche. Inizialmente la densità delle molecole d'aria é costante, cioè in ogni unità di volume (per esempio in un cm3) vi è lo stesso numero di molecole.
Questa densità può essere espressa da un valore di pressione, che in condizioni di quiete, a livello del mare, è di circa 1 atm, pari a 1.033 kg/cm2.
Quando l'aria viene perturbata, il valore di pressione non è più costante, ma varia da punto a punto: aumenta dove le molecole sono compresse, diminuisce dove le molecole sono espanse:
Il fenomeno può essere studiato sia dal punto di vista dello spazio (indagando sul valore della pressione nei vari punti in un determinato istante) sia dal punto di vista del tempo (indagando su come varia il valore della pressione in uno stesso punto in funzione del tempo).
Se dunque immaginiamo di trovarci in un determinato punto, assisteremo a una serie di successive compressioni ed espansioni dell'aria:
All'istante iniziale t=0 la pressione dell'aria è al suo valore normale, dato che la perturbazione non è ancora giunta al nostro punto di osservazione. A un certo istante t0 la perturbazione giunge al nostro punto di osservazione, la pressione inizia a crescere, giunge al massimo all'istante t1, poi decresce fino a tornare al valore normale all'istante t2, continua a decrescere e giunge al minimo all'istante t3, per poi risalire fino al valore normale all'istante t4, e cosí via.
Si è fin qui descritto un ciclo del fenomeno. Se questo si ripete sempre allo stesso modo (o almeno, per un tempo abbastanza lungo), il fenomeno si dice periodico. Un suono che mantiene la stessa altezza e la stessa intensità, per esempio, è la sensazione soggettiva prodotta da un moto periodico.
Osservando ancora il fenomeno rappresentato in figura, il massimo valore della pressione si dice ampiezza di picco dell'onda sonora; il valore della pressione in un punto qualsiasi si dice invece ampiezza istantanea. Il tempo necessario al completamento di un ciclo si dice periodo, si indica con il simbolo T e si misura in secondi [s] o in millisecondi [ms]. L'inverso del periodo, cioè il numero di cicli che vengono completati in un secondo, si dice frequenza, e si misura in Hertz (Hz) o cicli per secondo (cps).
Se per esempio un'onda sonora ha periodo T=0.01 s (cioè 1/100 di secondo) la sua frequenza sarà di:
1/T = 1/0.01 = 100 Hz
Considerando il fenomeno dal punto di vista dello spazio, quelli che prima erano tempi diventano ora lunghezze, o spazi. La lunghezza di un ciclo si dice lunghezza d'onda (simbolo L) e si misura in metri [m] o in centimetri [cm]. Questo è lo spazio che un ciclo occupa fisicamente nell’aria, e se il suono fosse visibile potrebbe facilmente essere misurato, per esempio con un metro.
Esiste naturalmente una semplice relazione fra periodo (o frequenza) e lunghezza d'onda. Come si è detto sopra, la perturbazione si propaga con una certa velocità, appunto la velocità del suono (simbolo c), che in condizioni normali di temperatura e di pressione vale circa 334 m/s.
Poiché, come è noto, la velocità è uguale allo spazio diviso per il tempo, si ricava:
L = velocità * tempo
ossia
L = v * T
Se, come nell'esempio precedente, T = 0.01 s,
L = 334 [m/s] * 0.01 [s] = 3.34 [m]
Vi possono essere naturalmente diversi modi in cui la pressione dell'aria perturbata da un suono cresce e cala per descrivere un ciclo dell'onda. In figura sono esemplificate quattro possibili forme d'onda: in a. un'onda sinusoidale, in b. un'onda quadra, in c. un'onda a rampa o a dente di sega, e in d. un'onda triangolare:
