Onde sonore — proprietà, velocità e decibel

Le onde sonore sono vibrazioni che si propagano nella materia, come aria, acqua o solidi. Se ti serve un quadro rapido, concentrati su tre idee: frequenza, lunghezza d’onda e velocità. Sono legate dalla relazione

$$v = f\lambda$$

Qui, $v$ è la velocità dell’onda, $f$ è la frequenza e $\lambda$ è la lunghezza d’onda. I decibel, indicati come dB, non dicono quanto velocemente si propaga il suono. Descrivono il livello sonoro su una scala logaritmica.

Che cosa sono le onde sonore

Un’onda sonora ha bisogno di un mezzo. Può propagarsi nei gas, nei liquidi e nei solidi, ma non nel vuoto. Le particelle del mezzo non si spostano dalla sorgente fino al tuo orecchio.

Vibrano invece attorno alle loro posizioni di equilibrio mentre la perturbazione si propaga attraverso di esse. È questo movimento locale che trasmette il suono.

Nell’aria, il cono di un altoparlante che si muove verso l’esterno crea una compressione. Muovendosi verso l’interno crea una regione di pressione più bassa chiamata rarefazione. È questo schema ripetuto di pressione che trasporta il suono.

Le proprietà delle onde sonore più importanti

Frequenza. La frequenza indica quante oscillazioni avvengono ogni secondo. Si misura in hertz, dove $1\ \mathrm{Hz} = 1\ \mathrm{s^{-1}}$. Una frequenza più alta di solito corrisponde a un suono più acuto.

Lunghezza d’onda. La lunghezza d’onda è la distanza tra punti corrispondenti in cicli successivi, per esempio da una compressione alla successiva.

Ampiezza. L’ampiezza è legata all’entità della variazione di pressione o del moto delle particelle. Un’ampiezza maggiore di solito significa un suono più intenso.

Velocità. La velocità indica quanto rapidamente la perturbazione si propaga nel mezzo. Dipende soprattutto dal mezzo e dalle sue condizioni.

Queste idee sono collegate tra loro. Se la velocità resta fissa e la frequenza aumenta, la lunghezza d’onda deve diminuire.

Da cosa dipende la velocità del suono

La velocità del suono non è una costante universale. Dipende dal materiale e, in molti casi, da condizioni come la temperatura.

Nell’aria secca a circa $20^\circ\mathrm{C}$, la velocità del suono è circa

$$343\ \mathrm{m/s}$$

Questo valore è solo un’approssimazione valida per quella condizione. Nell’aria più calda, il suono si propaga più velocemente. Nei liquidi e in molti solidi, il suono in genere si propaga più velocemente che nell’aria perché il mezzo trasmette le compressioni in modo più efficace.

In molti problemi introduttivi, la velocità ti viene fornita oppure ti viene detto di usare un valore standard approssimato. Una volta fissato quel valore, $v = f\lambda$ è la relazione principale da usare.

Esempio svolto: trovare la lunghezza d’onda di un’onda sonora

Supponi che un diapason produca un suono di frequenza $680\ \mathrm{Hz}$ nell’aria a circa $20^\circ\mathrm{C}$. Usa $v = 343\ \mathrm{m/s}$ come velocità del suono. Qual è la lunghezza d’onda?

Parti da

$$\lambda = \frac{v}{f}$$

Sostituisci i valori:

$$\lambda = \frac{343}{680}\ \mathrm{m}$$ $$\lambda \approx 0.504\ \mathrm{m}$$

Quindi la lunghezza d’onda è circa $0.50\ \mathrm{m}$.

Questo esempio mostra chiaramente il compromesso principale. Nello stesso mezzo, la velocità resta fissa, quindi aumentare la frequenza costringe la lunghezza d’onda ad accorciarsi. Se la frequenza raddoppiasse, la lunghezza d’onda si dimezzerebbe.

Che cosa significano i decibel nel suono

I decibel misurano il livello sonoro su una scala logaritmica. Per il livello di intensità sonora, una definizione comune è

$$\beta = 10 \log_{10}\left(\frac{I}{I_0}\right)$$

dove $I$ è l’intensità e $I_0$ è un’intensità di riferimento.

Il punto chiave è il logaritmo. Una variazione in decibel non rappresenta una variazione lineare dell’intensità. Se l’intensità sonora aumenta di un fattore $10$, il livello aumenta di $10\ \mathrm{dB}$.

Per questo i valori in decibel possono descrivere un intervallo molto ampio di intensità sonore senza usare numeri enormi. Ed è anche il motivo per cui non dovresti trattare i dB come normali misure lineari né usarli per confrontare la velocità dell’onda.

Errori comuni con le onde sonore

Pensare che il suono possa propagarsi nel vuoto

Non può. Il suono ha bisogno di un mezzo materiale.

Supporre che i suoni più forti si muovano più velocemente

Nei normali problemi sulle onde, più forte significa ampiezza maggiore, non velocità dell’onda maggiore.

Confondere frequenza e velocità

La frequenza è determinata dalla sorgente. La velocità è determinata dal mezzo e dalle sue condizioni. Quando il suono entra in un nuovo mezzo, la frequenza resta la stessa, mentre la lunghezza d’onda di solito cambia.

Trattare i decibel come una scala lineare

La scala in dB è logaritmica. Una piccola variazione numerica in dB può rappresentare una grande variazione fisica dell’intensità.

Dove si usano le onde sonore

Le idee sulle onde sonore sono importanti nella musica, nell’acustica degli ambienti, nell’ecografia, nel sonar, nella sismologia, nella progettazione degli altoparlanti e nel controllo del rumore. Le stesse domande di base ritornano continuamente: quanto velocemente si propaga l’onda, da cosa dipende la sua lunghezza d’onda, quanto è intensa e come il mezzo cambia ciò che osservi?

Prova un problema simile

Prova una tua variante mantenendo il tono da $680\ \mathrm{Hz}$ e cambiando l’ipotesi sulla temperatura dell’aria, oppure mantenendo la stessa velocità e scegliendo una frequenza diversa. È un modo semplice per vedere quando la lunghezza d’onda cambia e quando no.