Il suono
Sessantaduesima puntata
Che cos’è il suono? Come si produce la voce e come arriva alle nostre orecchie? E cos’è che distingue gli strumenti musicali? In questa puntata ci immergiamo nella fisica del suono con spiegazioni ed esperimenti.
- Autori: Giovanni Organtini
- Altre voci: Chiara Piselli
- Regia: Edoardo Massaro
- Musiche: Bach: -BWV 592: Concerto in G – 1. [Allegro] / -BWV 596: Concerto in d – 4. Largo e spiccato / -BWV 592: Concerto in G – 3. Presto / -BWV 593: Concerto in a – 1. [Allegro] / -BWV 595: Concerto in C, eseguiti da James Kibble (https://www.youtube.com/watch?v=5gklgQlVGP0)
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12 Responses to Il suono
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Bentornati!
Essendo il suono un’onda si può pensare di ottenerne una forma coerente e collimata come nel caso del LASER? Probabilmente non è attivo per il suono il fenomeno della emissione stimolata ma la possibilità di una trasmissione sonora collimata e coerente sono caratteristiche in linea di principio connesse con la natura di propagazione ondosa.
Non esattamente. La coerenza, con la luce, è ottenibile abbastanza facilmente perché la sua lunghezza d’onda è estremamente corta e dunque il fascio di luce emesso da un laser può facilmente passare da un’apertura senza essere “diffratta”. La diffrazione è il fenomeno per il quale, quando un’onda piana giunge su uno schermo con una stretta apertura, da questa s’irradia un fronte d’onda circolare, perché l’apertura funziona come una sorgente puntiforme di onde essa stessa. Con la luce, essendo l’apertura molto ampia rispetto alla sua lunghezza d’onda, il fronte d’onda non si allarga e l’onda piana inizialmente prodotta nella cavità continua a propagarsi sostanzialmente nello stesso modo all’uscita.
La lunghezza d’onda del suono invece è piuttosto grande e di conseguenza gli effetti della diffrazione si fanno sentire rendendo praticamente impossibile realizzare un “laser acustico”. L’onda sonora, infatti, appena lascia la sorgente, anche se inizialmente collimata, si allarga per effetto della diffrazione.
Nonostante questo, alcuni sono riusciti nell’impresa utilizzando onde acustiche ultrasoniche e adottando la tecnica di modularne la frequenza in modo molto simile a quanto si fa con le onde radio nelle trasmissioni FM. In sostanza si producono onde acustiche molto corte, cui l’orecchio umano non è sensibile. La frequenza delle onde però è modulata in modo che segua l’ampiezza di un’onda sonora. L’orecchio riesce così a percepire soltanto la modulazione e si riesce a realizzare un “laser sonoro”, sebbene con qualche limitazione dovuta al fatto che gli ostacoli riflettono e rifrangono l’onda (un po’ come il fumo rende visibile il fascio di un laser che altrimenti sarebbe invisibile).
Un esempio lo può vedere qui: https://youtu.be/aBdVfUnS-pM
Grazie per le vostre risposte sempre puntuali e approfondite. La ricchezza di spunti che ne deriva mi spinge a chiedere un’altra delucidazione: qual è il principio su cui si basano la modulazione di frequenza e quella di ampiezza?
Nella modulazione in ampiezza (AM), come dice il nome, si modifica l’ampiezza dell’onda radio in modo che segua l’ampiezza del segnale da trasmettere. In pratica si irradia un’onda di frequenza fissa (portante) la cui ampiezza è proporzionale al segnale da trasmettere. In ricezione basta sottrarre la portante per ottenere l’onda sonora trasmessa (vedi, e.g., https://www.geogebra.org/m/qgjsjcjb).
Nella modulazione in frequenza (FM) l’ampiezza della portante è costante, ma la sua frequenza cambia con quella del segnale da trasmettere. La frequenza dell’onda effettivamente trasmessa è quella della portante cui si aggiunge quella del segnale da trasmettere. Tecnicamente è più difficile ottenere il segnale (non basta sottrarre un segnale costante), ma ci sono molti vantaggi pratici: si possono trasmettere segnali piccoli con meno potenza, più lontano e con meno distorsioni. Puoi vedere com’è fatta l’onda modulata qui: https://www.geogebra.org/m/mjpwbnhw
La regione di frequenze sonire sopra i 20kHz ho visto che viene definita come “destructive”, come mai?
Qual è l’effetto dei suoni sulla materia?
Quali effetti chimici possono avere gli ultrasuoni?
Quanta è efficiente il trasferimento di energia mediato dalle onde sonore? Quale influenza ha la potenza e quale la frequenza frequenza nel trasferire energia alla materia sia essa solida o liquida o gassosa?
Nel video da voi linkato https://youtu.be/aBdVfUnS-pM al minuto 0,38 la regione di frequenze sonore sopra i 20 kHz e sotto i 2 MHz ho viene definita come “destructive” a differenza di quella a più alte frequenze che viene definita Non Destructive, come mai? Può un suono di opportuna frequenza entrare in risonanza con le vibrazioni molecolari? E con quelle reticolari dei solidi? Qual è in sostanza l’effetto dell’interazione dei suoni sulla materia?
Quali effetti chimici possono avere gli ultrasuoni?
Quanto è efficiente il trasferimento di energia mediato dalle onde sonore? Quale influenza ha la potenza e quale la frequenza nel trasferire energia alla materia sia essa solida o liquida o gassosa?
Sapreste suggerirmi qualche lettura a riguardo?
Grazie, attendo la risposta
Ora ho capito dove ha visto/sentito “destructive”. In quel video si vedono alcune applicazioni in relazione alla frequenza. Non sono le frequenze a essere distruttive per se, ma quelle indicate sono le frequenze che si usano per ottenere effetti “distruttivi”. Per esempio, avra’ sentito parlare del litotritore: uno strumento che serve per tritare i calcoli renali senza intervento. Si tratta di un generatore di onde ultrasoniche ad alta frequenza con le quali i calcoli risuonano e si rompono.
Non saprei. Tra i fisici non ho mai sentito dire di una frequenza che e’ “destructive”.
L’effetto dei suoni sulla materia e’ un effetto meccanico. Il suono e’ un’onda meccanica che si propaga e che, incontrando un ostacolo, esercita una pressione oscillante su di esso. Piu’ il suono e’ intenso e piu’ e’ grande questa pressione. Inoltre, i corpi investiti da un’onda acustica possono entrare in risonanza con l’onda e in questo caso le oscillazioni vengono amplificate di molti ordini di grandezza (e’ quello che succede quando un soprano rompe un bicchiere di cristallo con la voce).
L’efficienza del trasferimento dipende dall’accoppiamento tra i mezzi, che a sua volta e’ caratterizzato da un parametro che i fisici chiamano impedenza. L’energia di un’onda dipende dalla sua ampiezza, quindi non dalla frequenza. Dipende da quanto e’ ampia l’oscillazione.
Mi rendo conto ora che la mia domanda è stata poco chiara. L’aspetto della distruttività non mi interessa tanto per i suoi effetti diretti ma per comprendere come il suono interagisca più o meno marcatamente a livello delle strutture sia reticolari (solidi e liquidi) sia delle singole molecole. So che le molecole possiedono vibrazioni quantizzate: può un’opportuna sollecitazione sonora (per esempio indotta da un cristallo piezoelettrico sottoposto a tensione alternata di frequenza adeguatamente alta) entrare in risonanza con un legame chimico? Ho compreso che ciò che conta è l’ampiezza dell’onda sonora ma è dalla frequenza che dipende la “sintonizzazione di risonanza”. Mi potete chiarire meglio il ruolo dell’impedenza?
Mi piacerebbe -se possibile- che mi indicaste qualche lettura a riguardo
Il suono consiste in un’onda di pressione che di fatto trasporta energia meccanica. In sostanza, le particelle di materia attraverso cui il suono si trasmette vanno avanti e indietro rispetto alla loro posizione di equilibrio, nella direzione di propagazione dell’onda. In un solido o in un liquido le particelle che lo compongono sono trattenute nella loro posizione da forze che dipendono dalla distanza e che, in prima approssimazione, si possono considerare forze di tipo elastico. È noto a tutti che, se si tira troppo un elastico, questo si rompe. Una cosa analoga succede quando un corpo viene investito da un’onda sonora di ampiezza sufficientemente grande. I componenti del corpo oscillano con la frequenza dell’onda e si spostano tanto più dalla loro posizione di equilibrio quanto maggiore è l’ampiezza dell’onda. Se l’ampiezza dell’oscillazione e sufficiente i legami si possono rompere.
La risonanza interviene laddove la frequenza dell’onda incidente coincide con la frequenza propria. Se spinge un’altalena a caso, le oscillazioni che compie sono piccole. Se invece la spinge “in fase” con la frequenza propria di oscillazione, vedrà che l’ampiezza delle oscillazioni tende a crescere. Ogni oggetto è fatto di particelle legate da forze elastiche che hanno una loro frequenza propria di oscillazione. Quindi ogni oggetto ha una (o più) propria frequenza (detta di risonanza) che può portare a effetti distruttivi.
Quando si entra nel regime quantistico si parla di energie in gioco che sono lontane da quelle delle comuni onde sonore, anche se il principio è sostanzialmente lo stesso. L’onda trasporta energia (che in regime quantistico è sì legata alla frequenza e non all’ampiezza) che è assorbita dal mezzo. L’energia assorbita può rompere i legami chimici che di fatto non sono che interazioni elettrostatiche con un’energia che al più è dell’ordine di qualche eV.
L’impedenza è una misura del grado di accoppiamento tra due mezzi diversi. Dipende da quanta energia un mezzo riesce a sottrarne all’altro. Questa, a sua volta, dipende dalle caratteristiche meccaniche del mezzo (se parliamo di impedenza acustica, ma lo stesso concetto si applica ai circuiti elettrici, per esempio). Un mezzo molto rigido (roccia) trasmette facilmente l’energia con cui un’onda lo investe e quindi ha una bassa impedenza, mentre un mezzo meno rigido (per esempio sabbia), la trasmette con più difficoltà.
In cpmmercio esistono i così detti bagni a ultrasuoni. Consistono di una vaschetta in acciaio riempita di acqua e di un cestello per immergere provette od oggetti. Tali bagnetti hanno sempre solo 2 modalità di impiego 35kHz e 80 kHz. A quale esigenza corrispondono queste scelte di frequenza?
Come agiscono queste frequenze? Che differente uso hannp queste 2 alternative? Perchè pur essendo ultrasuoni se ne percepisce un effetto sonoro innquelli a 35kHz e molto meno a 80kHz?