Onde sonore, cosa sono e come domarle

Dopo aver affrontato le basi di cosa sia la pressione sonora ed aver definito le grandezze che caratterizzano questi fenomeni (frequenza, periodo, lunghezza d’onda, velocità di propagazione), siamo pronti per parlare più diffusamente di onde sonore.
Ma prima di tutto, cos’è un’onda?

Natura delle onde sonore

In fisica potremmo dire che un’onda è una perturbazione che viaggia nello spazio, propagandosi attraverso un mezzo materiale o nel vuoto, trasportando energia; non bisogna quindi necessariamente essere dei nuotatori per avervi a che fare, sebbene visualizzare le onde utilizzando l’esempio di quelle marine possa essere utile.
Quando il mare è “una tavola”, placido e tranquillo, siamo soliti dire che non ci sono onde: tutto è quieto, statico, “imperturbato” per l’appunto; ma basta lasciare cadere un sasso nell’acqua per cambiare tutto e creare una perturbazione, cioè un evento che sconvolge questa uniformità e che, propagandosi tutto attorno, altera la posizione e la velocità delle varie particelle d’acqua che investe.

Per quanto l’idea di base sia sempre la stessa, esistono vari tipi di onde: ad esempio le onde sonore sono di tipo longitudinale (vale a dire che le particelle d’aria investite dalla perturbazione oscillano lungo la direzione di propagazione dell’onda, come vedremo nel video); le onde su una corda sono invece trasversali (ogni punto della corda si muove perpendicolarmente alla direzione di propagazione della perturbazione); infine le onde marine sono una combinazione delle due (il movimento delle particelle d’acqua segue un movimento pressappoco circolare).
Le onde sonore, come abbiamo detto, sono onde di pressione, e si propagano in un fluido: per quanto siamo abituati a pensare alle onde sonore in aria, queste si propagano anche in acqua, e difatti sott’acqua i suoni si sentono eccome.

Come si genera un’onda sonora

Ora che abbiamo definito cosa è un’onda sonora, potremmo chiederci come generarne una: per semplicità riferiamoci al caso dell’aria, ma questi ragionamenti vanno bene anche per fluidi di altro tipo come abbiamo detto.

Poiché per farlo “basta” introdurre una perturbazione nella pressione del fluido, non esiste un unico metodo, per quanto quello più comune sia ricorrere a delle membrane vibranti, che, fatte adeguatamente oscillare, accelerano e trasferiscono energia alle particelle d’aria con cui sono in contatto, dando il via alla perturbazione… proprio come fa un altoparlante!
Sembra facilissimo, no? Eppure bisogna stare attenti!

Le onde generate dal movimento della membrana infatti sono due, e di opposta polarità: se infatti con una faccia la membrana comprime l’aria che si trova da un lato, con l’altra faccia sta rarefacendo l’aria sull’altro lato, ed è necessario isolare queste due perturbazioni l’una dall’altra per evitare che, combinandosi, diano luogo a cancellazioni parziali o totali.
Per “fermare” l’onda acustica emessa dal retro dell’altoparlante è dunque necessario contenerla in un volume chiuso: dobbiamo porre l’altoparlante in una cassa acustica se vogliamo udire qualcosa!

A proposito di udito, l’esperienza ci suggerisce che esistano delle differenze riguardo la propagazione nell’aria dei toni gravi (onde con frequenza bassa) e di quelli acuti (onde con frequenza alta): avete mai notato che quando ci si allontana da un concerto, da una discoteca o da un luna park gli unici suoni che si continuano ad udire sono quelli di tono più basso? E che su un palco l’unica cosa che non mancano mai sono le basse frequenze? Vediamone insieme le ragioni.

Lunghezze d’onda

Come abbiamo detto nella puntata precedente, le lunghezze d’onda di un’onda sonora vanno dai 17 metri alla frequenza di 20 Hz (20 cicli di oscillazine al secondo) ai 17 mm dei 20 kHz (20000 cicli di oscillazione al secondo), frequenze generalmente assunte come estremo inferiore e superiore dello spettro udibile dall’uomo.
Questo ha conseguenze ben precise su vari aspetti, in particolare sulla direttività di un’onda sonora (cioè il modo in cui la sorgente sonora direziona l’energia acustica nello spazio) e sul suo assorbimento.

Direttività

Per quanto grande possa essere, rispetto ad un’onda con una lunghezza d’onda di 17 metri ogni altoparlante (qui e nel resto di questo testo con questo termine intendo un altoparlante in cassa, così da poter considerare solo l’onda sonora emessa dal davanti della membrana) non può che apparire minuscolo, puntiforme potremmo dire, e non stupisce che acusticamente si comporti come un punto pulsante.

Poiché per un punto non esiste alcun asse privilegiato (non avendo dimensione, nessuno si accorge se ruotiamo un punto in qualsiasi modo), il suono è emesso identicamente in ogni direzione: si dice che l’emissione è omnidirezionale. Viceversa in alta frequenza, dove le lunghezze d’onda sono molto ridotte, nessun altoparlante appare puntiforme ed anzi in alcuni casi può apparire addirittura “infinitamente” grande!

Come conseguenza, l’emissione acustica è radicalmente diversa rispetto al caso precedente ed in particolare tanto più è grande l’altoparlante rispetto alla lunghezza d’onda, tanto più il suono emesso si concentra intorno all’asse della membrana, mentre sempre meno energia è direzionata altrove.
Ecco perché nei sistemi Hi-Fi si è soliti inclinare le casse in modo che l’asse del tweeter (l’altoparlante destinato a riprodurre le alte frequenze) punti verso la posizione di ascolto: se non lo facessimo, rischieremmo di perdere parte delle informazioni sonore legate alle alte frequenze ed avere un’esperienza sonora insoddisfacente.

Assorbimento

Venendo all’assorbimento, è semplice verificare che un’onda di alta frequenza è assorbita con assai maggiore facilità rispetto ad una di bassa frequenza: provate a porre un cuscino davanti ad un altoparlante che suona, vi accorgerete subito quale parte dello spettro sonoro sparisce e quale invece rimane pressoché inalterata…

Per assorbire o comunque “ostacolare” un’onda sonora bisogna infatti porre sul suo percorso oggetti di dimensione comparabile alla sua lunghezza d’onda: per un’onda di bassa frequenza non basta certamente un cuscino, ma servono o oggetti di grande dimensione come muri o palazzi, o volumi di materiale assorbente con spessore anche di alcuni metri (ecco perché i toni gravi si propagano a grande distanza!), mentre per assorbire un’onda di alta frequenza basta molto poco e spesso è sufficiente anche la stessa aria, specie se umida (o magari densa di sudore, come ad un concerto…).