Teoria del suono: Comportamento del suono

Prendiamo come riferimento la figura in cui viene mostrata un'onda (sonora) che incide su una superficie e viene riflessa. È importante avere ben presente che i fronti d'onda generati dalle compressioni e dalle dilatazioni sono perpendicolari alla direzione di propagazione dell'onda:

Riflessione

Un'onda che incide su una superficie piana con un angolo di incidenza α (tra la normale, ossia la retta perpendicolare, alla superficie e la direzione di propagazione dell'onda) viene riflessa con un angolo di riflessione pari ad α. In figura vediamo il caso di una superficie piana e quello di una superficie concava in cui tutti i raggi riflessi convergono verso il fuoco della superficie curva (per saperne di più sul fuoco rimandiamo a qualsiasi testo di geometria, qui basterà dire che in una circonferenza, o in una sfera se pensiamo in 3D, il fuoco coincide con il centro). Le superfici concave vengono evitate in acustica in quanto tendono a concentrare il suono in un preciso punto creando distribuzioni sonore disomogenee. Vengono invece utilizzate per la costruzione di microfoni direzionali [Shotgun ] in quanto consentono di amplificare segnali anche molto deboli.

Viceversa le superfici convesse hanno la proprietà di diffondere il suono e dunque sono ampiamente usate per migliorare l'acustica degli ambienti [Diffusione ] . Quando un'onda viene riflessa da una superficie convessa, il prolungamento dell'onda riflessa passa per il fuoco della superficie.

Riflessioni all'interno di una stanza

Quando un suono si propaga in una stanza, di cui abbiamo rappresentato una sezione vista dall'alto nella figura precedente, raggiunge l'ascoltatore in diversi modi. Il primo segnale che arriva all'ascoltatore è anche il più forte ed è quello diretto ossia quello che compie il percorso minore tra sorgente sonora e ascoltatore. Dopo il segnale diretto arrivano, con un breve sfasamento, i segnali che hanno subito una sola riflessione su una parete e dunque hanno ampiezza minore rispetto al segnale diretto a causa della perdita parziale di energia dovuta alla riflessione. Chiamiamo tali segnali prime riflessioni (in alcuni testi: suono precoce). Dopo un ulteriore ritardo arrivano tutti i segnali che hanno subito più di una riflessione, e questi avranno un'ampiezza ancora minore rispetto alle prime riflessioni. Questi vengono chiamati grappolo di riverberazione (in inglese: reverb cluster) a indicare che questi segnali non vanno considerati singolarmente ma piuttosto come un corpo unico. La figura seguente ci mostra la distribuzione di questi segnali nel tempo e le loro ampiezze.

Con tale termine si indica il fenomeno secondo il quale un'onda che attraversa due mezzi di diversa densità cambia direzione nel passaggio dall'uno all'altro. Tale comportamento è facilmente spiegabile se teniamo presente ciò che abbiamo detto sulla velocità del suono in mezzi di diversa densità.

Sappiamo che il suono viaggia più velocemente in mezzi più densi. Consideriamo un'onda che incide contro un muro come è schematizzato dalla seguente figura:

Rifrazione

Il muro ha densità maggiore dell'aria dunque i fronti d'onda che cominciano a penetrare nel muro sono più veloci rispetto a quelli che ancora sono fuori. Dunque, all'entrata nel muro lo stesso fronte d'onda ha una parte più avanzata (quella interna al muro) e una più arretrata ( quella ancora esterna). Quando tutto il fronte d'onda è penetrato nel muro la direzione di propagazione ha cambiato angolo. All'uscita dal muro avviene lo stesso fenomeno all'inverso e l'onda torna alla sua direzione originaria. Di seguito vediamo come questo fenomeno diventi rilevante nel caso di concerti all'aperto dove le condizioni di densità dell'aria cambiano radicalmente dalla mattina alla sera modificando la propagazione del suono nell'ambiente.

Rifrazione all'aperto

Alla mattina si verifica che lo strato superiore (aria fredda) abbia maggiore densità rispetto allo strato inferiore (aria calda) e dunque che il suono tenda a deviare verso l'alto come mostrato nella prima delle due figure precedenti.

Di sera la situazione si inverte e lo strato più denso (aria fredda) diventa quello inferiore. Ciò porta il suono a deviare verso il basso come evidenziato nella seconda delle due figure precedenti. Ciò va tenuto in conto durante la messa a punto di un concerto all'aperto [Suono live ] in quanto la lunga fase di preparazione e test viene fatta molte ore prima dell'inizio del concerto stesso e dunque in situazioni ambientali che si modificano con il passare delle ore.

Il modo più immediato ma efficace per descrivere questo fenomeno è dire che si verifica quando un suono aggira un ostacolo. Ciò dipende fortemente dalla frequenza in quanto suoni con una grande lunghezza d'onda (e dunque bassa frequenza) superano con facilità ostacoli con una dimensione minore della loro lunghezza d'onda. Questo è uno dei motivi per cui le prime frequenze che vengono attenuate sono quelle alte mentre quelle basse si propagano a distanze molto maggiori.

Puoò essere descritto come la conversione di energia acustica in energia termica da parte di una superficie. In altre parole, quando un suono viene a contatto con un ostacolo, gli trasferisce energia che viene dissipata sotto forma di calore.

In generale questi quattro fenomeni sono tutti presenti nel momento in cui un'onda sonora incontra un ostacolo. La figura seguente illustra una situazione tipica:

Riflessione, diffusione, rifrazione e assorbimento insieme