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Interazione del suono con gli ostacoli - Fisica del suono

1.9. Interazione del suono con gli ostacoli

Nelle seguenti sezioni viene descritto il comportamento del suono quando interagisce con degli ostacoli. Generalmente il materiale di cui è composto l'ostacolo e le sue dimensioni condizionano la natura dell'interazione al pari del contenuto di frequenze del suono che si sta considerando. I comportamenti che verranno presi in esame valgono per le onde in generale anche se noi le contestualizzeremo all'ambito del suono. Analizzeremo nell'ordine: riflessione , diffrazione , rifrazione , assorbimento .

1.9.1. Riflessione

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
Riflessione

Un'onda che incide su una superficie piana con un angolo di incidenza α (angolo tra la retta 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). Cogliamo l'occasione per anticipare che 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 [Vedi: 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 [Vedi: Diffusione]. Quando un'onda viene riflessa da una superficie convessa, il prolungamento dell'onda riflessa passa per il fuoco della superficie.

1.9.1.1. Riflessioni all'interno di una stanza

Riflessioni all'interno di una stanza
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 il suono diretto ossia quello che compie il percorso minore tra sorgente sonora e ascoltatore. Dopo il segnale diretto arrivano, con un breve ritardo, 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 all'assorbimento [Vedi: Assorbimento]. Chiamiamo tali segnali prime riflessioni (in alcuni testi: suono precoce , in inglese: early reflections ). 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 precedente ci mostra la distribuzione di questi segnali nel tempo e le loro ampiezze.

1.9.2. Rifrazione

Con il termine rifrazione si indica il fenomeno secondo il quale un'onda cambia la propria direzione di propagazione al variare della sua velocità. Ciò può avvenire in diverse situazioni; diamo conto delle più comuni.

1.9.2.1. Rifrazione dovuta alla densità del mezzo

Il fenomeno della rifrazione si verifica quando l'onda passa attraverso due mezzi di diversa densità, cambiando direzione nel passaggio dall'uno all'altro. Dal punto di vista fisico, il suono viaggia più lentamente in mezzi più densi (ciò è verificabile anche dalle formule precedenti in cui compaiono velocità e densità del suono [Vedi: Pressione e intensità delle onde sonore] L'analogia con la luce (anch'essa un'onda) è immediata osservando la figura seguente in cui la parte della matita immersa in acqua (mezzo più denso) è percepita con un'inclinazione diversa rispetto alla parte esterna in aria (mezzo meno denso):

Rifrazione della luce

Rifrazione della luce

1.9.2.2. Rifrazione dovuta alla rigidità del mezzo

Le particelle che costituiscono i mezzi più rigidi hanno legami più stretti tra loro rispetto a quelle di mezzi meno rigidi. Essendo molto più legate, le particelle di un mezzo molto rigido si trasmettono una vibrazione l'una con l'altra molto più velocemente. Ci si può convincere di ciò osservando il funzionamento del pendolo di Newton , in cui la perturbazione applicata dalla sfera più a destra si propaga sollecitando quasi istantaneamente quella più a sinistra:

Pendolo di Newton

Pendolo di Newton

Consideriamo un'onda che incide contro un muro, come descritto nella figura seguente:

Rifrazione
Rifrazione

Il muro ha una rigidità 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. La figura seguente illustra questo fenomeno:

1.9.2.3. Rifrazione dovuta alla variazione di temperatura

Una variazione di direzione dell'onda si verifica anche all'interno dello stesso mezzo, in presenza di sbalzi di temperatura: abbiamo visto come nelle zone più calde infatti il suono viaggi più velocemente [Vedi: Velocità del suono]. 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
Rifrazione all'aperto

Di sera si verifica che lo strato superiore (aria fredda) abbia temperatura minore 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. Alla mattina la situazione si inverte e lo strato a temperatura minore (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 [Vedi: 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.

1.9.3. Diffrazione

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.

1.9.4. Assorbimento

Può 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. Abbiamo visto come la propagazione del suono sia legata all'oscillazione delle particelle che si comportano come un sistema elastico. A causa di attriti, dispersioni e conversione in calore, il sistema elastico toglie energia all'onda, che man mano che si propaga nel mezzo perde la sua energia iniziale. Il decadimento dell'intensità sonora [Vedi: Pressione e intensità delle onde sonore] associata ad un'onda che si propaga in un mezzo è di tipo esponenziale, come evidenziato nella formula seguente:

Equazione 1.17. Assorbimento e intensità sonora


dove I0 è l'energia iniziale e α è denominato coefficiente di assorbimento dell'energia e ha le dimensioni dell'inverso di una lunghezza. Se α è molto grande, il materiale può togliere una gran quantità di energia all'onda anche se è di sottili dimensioni. La figura seguente mostra l'andamento di un'onda sonora smorzata:

Onda sonora smorzata
Onda sonora smorzata

In generale i quattro fenomeni (riflessione, rifrazione, diffrazione, assorbimento) 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
Riflessione, diffusione, rifrazione e assorbimento insieme
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Il corso è adottato in varie forme da molte scuole di tecnica del suono, che sono elencate in una apposita sezione.

Vi sono poi altre sezioni con approfondimenti tecnici e notizie sempre inerenti al mondo dell'ingegneria del suono e anche una sezione dedicata ail'audio professionali con il sistema operativo Linux.

 

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