Onde sonore, note ed eco
Onde · Note · Eco
Fisica del suono

Onde sonore, note musicali ed eco

Dalla corda che vibra all'ecografia: ogni concetto si può provare, muovere e ascoltare.

Pietro L., Simone M., Elisa P., Rachele P., Yasmin L.

Il suono

Il suono nasce quando un corpo vibra

Se pizzichiamo una corda di chitarra, la corda oscilla e mette in movimento le particelle dell'aria vicina. La vibrazione passa da una particella all'altra e forma un'onda sonora che raggiunge il nostro orecchio.

Qui la vibrazione è rallentata per poterla vedere: una corda vera oscilla centinaia di volte al secondo.

Strumento · corda e aria

Clicca o tocca la corda a sinistra: più la sposti dal centro, più forte è il suono. Guarda le particelle d'aria a destra avvicinarsi e allontanarsi.

Onda meccanica

Il suono è un'onda meccanica

Le onde sonore trasportano energia attraverso un mezzo materiale. Nell'aria il suono si propaga con compressioni e rarefazioni delle particelle, zone che si alternano mentre l'onda avanza.

Nelle condizioni normali, nell'aria a circa 20 °C, il suono viaggia a circa 340 metri al secondo.

Osserva il punto cerchiato: ogni particella va avanti e indietro e torna al suo posto. A viaggiare è l'onda, non l'aria.

Strumento · compressioni e rarefazioni
● compressione● rarefazione
1 000 m

Le caratteristiche del suono

Frequenza, ampiezza, intensità, lunghezza d'onda

Muovi i cursori e guarda come cambia l'onda. Poi tocca un termine per vederlo evidenziato nel disegno.

Strumento · onda in aria a 340 m/s
Frequenza
Periodo
Lunghezza d'onda
Ampiezza
Intensità relativa
La lunghezza d'onda si ricava da λ = 340 / f. L'intensità cresce con il quadrato dell'ampiezza.
Le note musicali

Ogni nota ha la sua frequenza

Le note musicali sono suoni che si distinguono soprattutto per la loro altezza, legata alla frequenza. Le sette note fondamentali sono DO, RE, MI, FA, SOL, LA, SI.

Quando la frequenza aumenta la nota diventa più acuta, quando diminuisce diventa più grave. Il LA centrale ha circa 440 Hz nell'accordatura standard.

L'intervallo tra due note è il rapporto tra le loro frequenze. Un'ottava è l'intervallo di valore 2: provalo da DO al DO più acuto.

Strumento · tastiera
Ottava 4Da tastiera: A S D F G H J K
Nota
Frequenza
Confronto con la nota precedente

Esempio con LA e DO. Premi i tasti per confrontare altre note: la linea rossa è la nota precedente.

Altezza, timbro e volume

Come distinguiamo un pianoforte da una chitarra?

Anche quando suonano la stessa nota, la risposta sta in tre caratteristiche del suono.

Altezza
Permette di distinguere i suoni acuti da quelli gravi.
Volume
Indica quanto un suono viene percepito come forte o debole.
Timbro
Permette di riconoscere la sorgente sonora, per esempio uno strumento musicale o una voce.
Strumento · stessa nota, timbri diversi
L'altezza cambia quante onde entrano nella finestra, il volume la loro altezza, il timbro la loro forma. I timbri sono semplificati.
L'onda sonora

Ogni suono musicale si può studiare come un'onda

Un suono semplice, chiamato tono puro, ha una forma d'onda sinusoidale.

I suoni degli strumenti sono più complessi: contengono una frequenza fondamentale e altre frequenze, dette armoniche. Sommandole si ottiene la forma dell'onda.

Prova a costruire un suono: parti dal tono puro e aggiungi armoniche.

Strumento · somma di armoniche (fondamentale 220 Hz)
Linea piena: onda risultante. Linee tratteggiate: le singole armoniche.
Eco

Quando il suono torna indietro

L'eco è un fenomeno acustico per cui un suono, riflettendosi contro un ostacolo, torna a essere udito nel punto in cui è stato emesso.

Si forma quando il suono incontra una superficie e viene riflesso verso chi l'ha prodotto. Come riferimento si usa un intervallo di circa 0,1 secondi: se il ritorno è più rapido, suono e riflesso si fondono.

Sposta la parete e batti le mani. Il disegno è rallentato di 10 volte, il suono invece è in tempo reale.

Strumento · parete e riflessione
Percorso totale
Ritardo

Con 17 m di distanza il ritardo è di 0,1 s.
Nella vita quotidiana

La musica e l'eco nella vita di tutti i giorni

Le onde sonore e le loro riflessioni vengono usate in molti ambiti. Scegline uno.

Musica

Le riflessioni del suono servono a progettare sale da concerto e a migliorare l'acustica. Lo stesso accordo suona diverso in uno stanzino, in una sala o in una cattedrale.

Prova · riverbero

Più la sala è grande, più a lungo le riflessioni prolungano il suono.

Questi esempi mostrano quanto sia importante conoscere il comportamento delle onde sonore.

Ecografia

Un'eco per guardare dentro il corpo

L'ecografia si basa sulla riflessione delle onde sonore: applica l'eco usando gli ultrasuoni. La sonda contiene cristalli piezoelettrici che convertono impulsi elettrici in onde ultrasonore.

Cristalli piezoelettrici
Materiali, come il quarzo, capaci di trasformare energia meccanica in energia elettrica e viceversa.
Ultrasuoni
Onde sonore con frequenza superiore a 20 kHz, non udibili dall'uomo. In ecografia si usano frequenze tra 2 e 25 MHz.
Strumento · dentro la sonda
organo sonda cristallo impulso elettrico segnale elettrico

Strumento · scala delle frequenze
1 Hz100 Hz10 kHz1 MHz100 MHz

Un esperimento

Osservare l'eco all'aperto

In uno spazio aperto vicino a una parete rocciosa possiamo osservare l'eco. Ecco i passaggi da seguire.

  • Produci un suono breve, per esempio un battito di mani.
  • Ascolta se il suono ritorna dopo un breve intervallo.
  • Ripeti l'esperimento a distanze diverse dalla superficie.
  • Confronta ciò che senti e osserva come cambia il ritardo.

Scegli un luogo sicuro e non disturbare altre persone o animali.

L'esperimento fa capire che il suono si propaga, incontra superfici e può tornare verso la sorgente.

Simulatore · registro delle prove
ProvaDistanzaRitardoEco udibile

Le righe in corsivo sono esempi e spariscono alla prima prova. I punti seguono una retta: raddoppiando la distanza raddoppia il ritardo.

Verifica

Metti alla prova ciò che hai capito

Sette domande sui concetti visti. Dopo ogni risposta trovi la spiegazione.

Conclusione

Il legame tra musica, onde ed eco

Questa riflessione può generare un'eco oppure contribuire al riverbero. Gli stessi principi fisici spiegano molti fenomeni che incontriamo nella musica, nella tecnologia e nella natura.

La musica non è soltanto qualcosa che ascoltiamo: è anche un fenomeno fisico che possiamo studiare attraverso le onde sonore.