il suono 2014
TRANSCRIPT
Cos’è il suonoLa percezione del suono: intensitàLa velocità del suono: effetto Doppler
smorzamentoassorbimentodispersioneriflessione rifrazionediffrazioneinterferenzaonde stazionariebattimenti
Fenomeni:
Non tutte le onde elastiche sono suoni.
L’intervallo di udibilità dell’uomo va da 20Hz a 20000 Hz,
l’intervallo di emissione da 85 Hz a 1100 Hz.
Senti, se ce la fai…
Oppure qui
Oppure prova col generatore di segnali di SCOPE
La percezione del suonoE’ possibile stabilire relazioni semplici tra le grandezze fisiche che caratterizzano l'onda sonora e gli attributi del suono che percepiamo?
Grandezza fisica relativa all'onda
termine musicale
frequenza altezzaampiezza al quadrato intensità (o volume)
composizione spettrale timbro
Ma queste relazioni valgono solo in misura approssimativa, e solo quando ci si riferisce a suoni puri.
La soglia di udibilità:
Corrisponde ad una variazione di pressione rispetto alla pressione atmosferica di soli 20 μPa (pari a circa 0,2 miliardesimi della pressione atmosferica).
A questi livelli di pressione lo spostamento della membrana timpanica è dell'ordine di 10-11 cm (un decimo circa del raggio dell'atomo di idrogeno)!!!
Livello di intensità sonora
Il campo di variazione dell’intensità sonora è estremamente ampio: occupa circa 12 ordini di grandezza.
Ameba:circa 600 millesimi di mm
diametro dell'orbita lunare :circa 600 mila km
l'orecchio non risponde alle differenza tra due intensità, quanto al rapporto tra due intensità
e
Per il suono
Per questo si è scelto di esprimere il livello di intensità sonora mediante una scala logaritmica
Il livello di intensità sonora è un numero puro al quale si attribuisce però, per convenzione, un'unità di misura: il decibel.
Vantaggi della scala in decibel
• il valore di intensità relativo alla soglia di udibilità vale :
• possibilità di rappresentare grandezze che presentano un grande campo di variazione
l’intensità sonora di un concerto rock (prossimo alla soglia del dolore) è 1000 miliardi più intensa della soglia di udibilità, cioè
120 dB
0 dB
Vantaggi della scala in decibel•A livello percettivo l’orecchio sembra rispondere, approssimativamente, allo stimolo rappresentato dall’intensità dell’onda seguendo una scala logaritmica.
Un suono puro di ampiezza crescente con progressione aritmetica: ad ogni secondo l'ampiezza aumenta di una quantità fissa (pari all'ampiezza iniziale)
Un suono puro di ampiezza crescente con progressione geometrica: ogni secondo l'ampiezza raddoppia
AUDIO: clicca qui per ascoltare progressione_aritmetica_ampiezze.wav
AUDIO: clicca qui per ascoltare progressione_geometrica_ampiezze.wav
Raddoppiando l’intensità sonora non si percepisce un suono di intensità doppia
Perché compare il 10?
ma il dB rappresenta, con buona approssimazione, la minima differenza di intensità tra due suoni che l'orecchio può percepire
Senza il 10, invece del decibel avremmo il Bel,
Che senso ha avere unità di misura più piccole del decibel se poi l'orecchio non è in grado di apprezzare la differenza?
Il dB rappresenta il giusto livello di sensibilità.
Sorgente sonora Livello di intensità sonora in dB
razzo che parte - non tollerabilità 170
aereo a reazione che decolla 130
martello pneumatico 120
a un concerto rock 110
quando c'è molto traffico 100
in metropolitana 90
in una piccola fabbrica 80
in strada di città 70
quando si conversa 60
in casa 50
in biblioteca 40
bisbiglio 20
foglie che si muovono 10
soglia di udibilità 0
Si pensa che un rumore (onda di shock) di 200 dB possa uccidere un uomo.
Attenzione però!L'intensità sonora I(dB) è una grandezza fisica che, oggettivamente, misura il flusso di energia trasportata dall'onda sonora. Tale grandezza non descrive correttamente però la "sonorità" percepita in quanto essa dipende in modo decisivo dalla frequenza del suono, e in misura minore, anche dal timbro del suono stesso.
Suono di intensità costante e frequenza crescente. L'intensità percepita sembrerà invece variabile a causa in parte della risposta del mezzo con cui il suono è trasmesso (cuffia, altoparlanti, ecc.), e in parte per la dipendenza dalla frequenza .
AUDIO: clicca qui per ascoltare sweep_20_20000_Hz.wav
Il condotto uditivo esterno ha un diametro di 7,5 mm e una lunghezza di 22-25 mm. La lunghezza del condotto è tale che esso entra in risonanza alla frequenza di circa 2700 Hz (anche se poi, per la concomitanza di altri processi, la regione di massima sensibilità uditiva si colloca attorno ai 3800 Hz).
Effetti e illusioni acusticheLa percezione uditiva è un fenomeno complesso, in cui le caratteristiche fisiche del suono ricevuto, quelle fisiologiche dell'orecchio, e l'attività neurale del cervello interagiscono in modo sottile. La percezione uditiva non èun’immagine fedele del suono ricevuto, ma piuttosto una sua complessa (e non così fedele) elaborazione.
AUDIO: clicca qui per ascoltare Glissando_Shepard.mp3 scala di Shepard. Glissando discendente.
teo_torriatte.mp3 da Teo Torriatte, dei Queen
AUDIO: AUDIO:AUDIO:
echoes.mp3 da Echoes, dei Pink Floyd
BWV542.mp3 J.S. Bach
La scala di Shepard
Effetti e illusioni acusticheL'effetto McGurk
1. Osservare il video senza audio e cercare di capire quale sillaba viene pronunciata.
2. Rivedere il video con l’audio3. Ascoltare l’audio senza guardare il
filmato.
Vedi video
La velocità del suono in un gas
dove fattore che dipende dalla temperatura; è la pressione a 0°C è la densità del gas.
In condizioni standardvsuono =340 m/s
27°C, a livello del mare
gas Densità (Kg/m3) Velocità (m/s)
elio 0,18 1030
aria 1,20 344
Anidride carbonica
1,98 279
Esafluoruro di zolfo
6,07 145
Con elioAUDIO: clicca qui per ascoltare ELIO.mp3 ELIO
La frequenza delle corde vocali non è sensibilmente modificata dal gas che le avvolge
Le corde vocali producono un'onda di forma complessa, ma la voce è modulata dal filtraggio operato dalle risonanze proprie di faringe, bocca, cavità nasali, ecc. L'effetto dell‘elio non è
quello di modificare la frequenza delle armoniche della voce, ma di spostare verso valori più acuti le frequenze proprie di risonanza della bocca e delle altre cavità.
L'ampiezza relativa delle diverse armoniche è mutata. Armoniche più acute, che non avevano grande ampiezza in aria divengono più importanti in elio
Gas più denso dell’aria• Spettacolare dimostrazione della maggiore densità del SF6 rispetto all'aria
VIDEO: clicca qui per vedere
VIDEO: clicca qui per vedere
• L'inalazione di SF6 permette di verificare che il timbro della voce viene spostato verso il registro grave, all'opposto di quanto accade inalando Elio, che rende la voce simile a quella di Paperino.
Velocità del suono nell'acquaNei liquidi non sono possibili onde trasversali.La maggior parte delle onde radio non passano dall'aria all'acqua, e quindi, per
esempio il GPS e le normali trasmissioni radio non funzionano sott'acqua.
La densità dell'acqua è circa 1000 volte maggiore di quella dell'aria, mentre la comprimibilità è circa 10000 volte minore. Il numero che si ottiene per acqua distillata a 25°C e a pressione ambiente è circa
V acqua= 1947 m/s
L'oceano è un mezzo non omogeneo, e anche la velocità del suono può cambiare di punto in punto, per il fenomeno della rifrazione.
Un effetto noto e particolarmente importane è la costituzione di un "canale" privilegiato alla profondità approssimativa di 750 m, in grado di condurre il suono subacqueo a grandi distanze come una vera e propria guida d'onda.
Effetto Doppler
Sorgente di suono a frequenza f0
ferma
Sorgente di suono a frequenza f0
vsource < vsound
f ´ > f0f ´ < f0f0f0
Dipendenza del flusso di energia e dell'ampiezza dell'onda dalla distanza r dalla sorgente
Tipo di onda Flusso di energia ampiezza
Sferiche ÷ 1/r2 ÷ 1/r
Cilindriche ÷ 1/r ÷ 1/r
piane costante costante
SmorzamentoPer sorgenti di onde sferiche, il flusso di energia dovrà decrescere come il quadrato della distanza dovendo attraversare superfici sferiche che invece crescono come il quadrato della distanza.
SmorzamentoSe la sorgente sonora ha una simmetria cilindrica, ci aspettiamo che il flusso di energia emessa decresca come l'inverso della distanza dovendo attraversare superfici (laterale) la cui area aumenta linearmente con la distanza dalla sorgente.
Smorzamento
Per questo, in ambienti aperti, le onde sonore emesse da sorgenti puntiformi si smorzano molto più rapidamente rispetto a quelle emesse da sorgenti a simmetria cilindrica o piana.
AssorbimentoNelle situazioni reali non è più possibile trascurare la
perdita di energia sonora dovuta alla sua parziale conversione in energia interna.
L'attenuazione del flusso di energia sonora dovuta all'assorbimento atmosferico è di solito proporzionale alla densità dell'aria e alla velocità del suono nel mezzo e dipende
• dalle condizioni di umidità dell'aria• dalla temperatura dell'aria • dalla frequenza dell'onda sonora.
Le onde a più elevata frequenza vengono assorbite con maggiore facilità.
doccia
tuono percepito da lontano: "rombo" perché frequenze molto basse, le uniche sopravvissute all'assorbimento atmosferico.
DispersioneL'aria ha un'altra gradevole proprietà oltre a quella di essere respirabile. Essa è un mezzo sostanzialmente non dispersivo rispetto ai suoni di frequenza udibile.
Con questo si intende che tutti i suoni udibili viaggiano in aria con la stessa velocità qualunque sia la loro frequenza. Le onde sonore mantengono così la loro forma durante la propagazione, evitando che una "a“ si trasformi in una "u" durante il viaggio.L'anidride carbonica, invece, è un mezzo dispersivo rispetto al suono, ma solo a frequenze ultrasoniche, e quindi non influisce sulle comunicazioni udibili.
La riflessione
il fenomeno della riflessione è significativo solo se la dimensione dell'ostacolo è molto maggiore della lunghezza d'onda dell'onda sonora che incide su di esso
Per le onde sonore le lunghezze d'onda variano da circa 17 metri fino a pochi millimetri .
Quali lunghezze d’onda può avere l’onda sonora?
L’eco
Il nostro orecchio ha la capacità, per ragioni di fisiologiche, di discriminare due suoni ricevuti in sequenza, solo se il tempo di separazione è di un decimo di secondo.
Quali condizioni bisogna avere per sentire l’eco?
•l'ostacolo deve essere di grandi dimensioni •e posto ad almeno 17 metri dalle nostre orecchie!
Lo stesso Newton utilizzò il fenomeno dell'eco per una prima determinazione della velocità del suono: egli ottenne misure incredibilmente precise (entro l'1% del valore noto oggi) utilizzando il porticato della Neville's Court nel Trinity College, Cambridge, dove aveva studiato, lungo ben 65 metri
Applicazioni
Il Sonar
Non solo per la nautica
• robot mobili• telecomandi per elettrodomestici con sensori ultrasonici; • interruttori di vicinanza (ad esempio nei cancelli automatici); • dispositivi montati sul paraurti delle automobili come
dispositivi di aiuto per il parcheggio.• …
• L’ecografia
ApplicazioniViste le dimensioni minime dei dettagli da visualizzare, devono essere usati ultrasuoni.
La tecnica ecografica si basa sulla diversa capacità di riflettere le onde sonore che hanno sostanze di diversa densità e composizione chimica.
Tale tecnica si basa sullo spostamento in frequenza che subiscono le onde riflesse da corpi in movimento; tale spostamento dipende dalla velocità del corpo riflettente e quindi fornisce una "mappatura" delle diverse velocità del flusso sanguigno nei vari punti della sezione del vaso.
Applicazioni
Rifrazione del suonoall'interfaccia aria-acqua
Che cosa accade quando un suono che è generato in aria colpisce la superficie dell'acqua?
O viceversa, i suoni prodotti in acqua sono udibili anche all'esterno?
Rifrazione del suonoall'interfaccia aria-acqua
Visto chevacqua > v aria
allora le onde sonore tenderanno ad allontanarsi dalla normale alla superficie. Mala densità dell'acqua è circa 1000 volte superiore a quella dell'aria.
Questo fatto fa sì che sia estremamente difficile trasferire energia elastica dall'aria all'acqua e viceversa tramite le onde sonore.
Quindi, quando un suono si produce in aria e colpisce l'acqua, o viceversa, accade che l'onda sia praticamente completamente riflessa .
Non è quindi possibile spaventare i pesci gridando da fuori dell'acqua.
Rifrazione del suonoall'interfaccia aria-corpo umano
La conclusione che abbiamo tratto nel caso di passaggio delle onde sonore tra aria e acqua vale anche quando il suono passa dall'aria al corpo umano, che ha densità simile. Il coefficiente di trasmissione è bassissimo.
Un momento, allora come mai l'ecografia funziona?
Diffrazione del suono
Con una fenditura:un'onda è in grado di passare attraverso una fenditura senza modificare apprezzabilmente la forma dei suoi fronti d'onda se la dimensione della fenditura è molto maggiore della lunghezza d'onda dell'onda. Nel caso in cui la fenditura è stretta (di dimensioni molto minori della lunghezza d'onda) il fronte d'onda dell'onda incidente si deforma e diventa pressoché sferico.
Con un ostacolo:un'onda è in grado di "aggirare" un ostacolo se le dimensioni dell'ostacolo sono minori (o confrontabili) alla lunghezza d'onda dell'onda incidente.
Diffrazione del suonoCon una fenditura
Quando un suono viene irradiato da una sorgente, come un altoparlante, è molto più facile individuare la direzione da cui proviene il suono nel caso di suoni acuti che nel caso di suoni gravi.
La stessa “fenditura”, cioè l'altoparlante, appare grande alle lunghezze d’onda piccole, e piccola alle lunghezza d’onda grandi.
Per la voce: essendo la nostra bocca sufficiente piccola rispetto alle frequenze del parlato, i fronti d'onda emessi sono pressoché sferici.
Diffrazione del suono con un ostacolo
A parità di dimensioni dell'ostacolo, suoni più gravi aggirano più facilmente gli ostacoli.
i suoni gravi riescono a superare l'ostacolo rappresentato dalla testa di una persona. Ciò fa sì che:
se ascoltiamo una persona che sta parlando ponendoci alle sue spalle, fatichiamo a comprendere quel che dice. Il fatto è che solo le onde a bassa frequenza riescono ad aggirare la testa di chi parla e a pervenire al nostro orecchio. Questo rende impossibile il riconoscimento delle frequenze formantii suoni vocalici.
Gli strumenti a fiato
Onde stazionarieriflessione + interferenza
Vedi applet onde stazionarie longitudinali
senti
senti
senti
senti
Vedi onde stazionarie in una molla
Prima armonica
Fondamentale
Seconda armonica
Terza armonica
Onde stazionarie nel flautoSenti la nota
Guarda la forma d’onda Guarda lo spettro delle frequenzeLA
I picchi che compaiono nello spettro corrispondono a :LA5 885 Hz e LA6 1769 Hz
Onde stazionarie nel flautoSenti la nota
Guarda la forma d’onda Guarda lo spettro delle frequenzeSOL
I picchi che compaiono nello spettro corrispondono a :SOL5 787 Hz e SOL6 1573 Hz
Ci sono anche (piccoli) il DO7 a 2360 Hz e il SOL7 a 3127 Hz.
Onde stazionarie nel flautoSenti la nota
Guarda la forma d’onda Guarda lo spettro delle frequenzeMI
I picchi che compaiono nello spettro corrispondono a :MI5 658 Hz, MI6 1315 Hz e SI6 1998 Hz.
C’e anche il MI7 a 2636 Hz.
Vedi onde stazionarie con i tubi di gomma
Vedi tubo di KundtVedi altra visualizzazione delle onde stazionarie.