Il suono 2014

64
Il suono

Transcript of Il suono 2014

Cos’è il suonoLa percezione del suono: intensitàLa velocità del suono: effetto Doppler

smorzamentoassorbimentodispersioneriflessione rifrazionediffrazioneinterferenzaonde stazionariebattimenti

Fenomeni:

Introduzione al suono: le vibrazioni

Introduzione al suono: sorgenti impulsive

Vedi

Suono o rumore?

Onda longitudinale

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

Intervalli di emissione della voce umana e di diversi strumenti musicali

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 percezione dell’intensità

Non basta dire non ci sento…Prova hearloss.exe

Intensità di un’onda sonora

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)!!!

La soglia del dolore:

Mille miliardi di volte più grande della soglia di udibilità.

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.

Vedi

bang supersonici

Effetto Doppler

Sorgente di suono a frequenza f0

ferma

Sorgente di suono a frequenza f0

vsource < vsound

f ´ > f0f ´ < f0f0f0

Sorgente vsource = vsound

Sorgente vsource > vsound

Molte armi portatili sparano proiettili a velocità comprese tra 200 e 300 m/s

"boom supersonico"

Mach 1 equivale alla velocità del suono.

Vedi video

Smorzamento

A parità di energia emessa, quale suono arriva più lontano?

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.

Smorzamento

Allora, lo spettatore in ultima fila non dovrebbe sentire niente, o no?

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.

Interferenza del suono

Prima con gli impulsi su una corda …

Sovrapposizione di due impulsi

Sovrapposizione di due onde che si propagano nella stessa direzione

Sovrapposizione di due onde che si propagano in direzioni opposte

Onda stazionaria

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.

VediDalla pernacchia allo strumento, con la risonanza …

… con frequenza diversai battimenti

Prova a costruire suoni conGeneratore di suoni