Suono

Il suono è un piccolo disturbo (variazione) di pressione che si trasmette a velocità costante funzione delle caratteristiche del mezzo in cui si propaga.

Per  comprendere il meccanismo fisico di produzione del suono ricorriamo al seguente esempio.

Si supponga di possedere un anello di materiale elastico in vibrazione, cioè in rapida pulsazione costituita da una successione di impulsi ripetuti a intervalli regolari. Quando l’anello si dilata imprime una spinta in direzione centrifuga alle molecole d’aria a contatto con esso. Queste urtano quelle vicine e rimbalzano all’indietro determinando una variazione delle distanze tra le molecole e creando addensamenti e rarefazioni che si ripetono periodicamente con la stessa frequenza della vibrazione. Gli addensamenti e le rarefazioni, definibili anche come compressioni ed espansioni, costituiscono un’onda di pressione che si propaga in seno alla massa fluida. 

Se la frequenza dell’onda di pressione ( numero di vibrazioni o di compressioni-espansioni al secondo) è compresa tra 20 e 20.000 Hz l’onda è detta sonora in quanto si percepisce attraverso l’orecchio contro il cui timpano le molecole urtano.

La velocità del suono è la velocità con la quale si propaga la piccola variazione di pressione costituente l’onda sonora.

E’ importante notare che attraverso le onde sonore si ha una propagazione di energia e non un trasporto di materia; le molecole si trasmettono la loro energia ma la loro posizione resta sempre la stessa nel tempo e nello spazio. La velocità con cui le molecole si comunicano la propria energia è dell’ordine di grandezza della propria agitazione, che per l’aria è di circa 500 m/s ed è proporzionale alla temperatura. Naturalmente a causa delle inevitabili perdite di energia la velocità del suono è inferiore alla velocità di agitazione molecolare.

In generale la velocità di propagazione di un'onda è data dal prodotto della lunghezza d'onda, cioè della distanza percorsa dall'onda in un periodo, per la frequenza delle oscillazioni; essa dipende dal mezzo di propagazione e, in uno stesso mezzo e alla stessa temperatura, è uguale per tutte le frequenze.

Nei gas, nei liquidi e nei solidi la velocità di propagazione del suono è inversamente proporzionale alla radice quadrata della densità e direttamente proporzionale alla radice quadrata del modulo di elasticità; dipende inoltre dal calore specifico.

La velocità del suono nell'aria secca, alla temperatura di 0 °C, è di 331,6 m/s, ma aumenta al crescere della temperatura; a 20 °C, ad esempio, raggiunge il valore di 340 m/s; nell'acqua è poco minore di 1525 m/s a temperature ordinarie e cresce rapidamente all'aumentare della temperatura. Nel rame invece è di circa 3353 m/s a temperature ordinarie ma, a causa della diminuzione di elasticità, diminuisce all'aumentare della temperatura; infine nell'acciaio, materiale più elastico del rame, il suono si propaga a 4877 m/s.

Nel 1660, lo scienziato Robert Boyle dimostrò la necessità di un mezzo, solido, liquido o gassoso, per la propagazione dei suoni. Egli sospese una campana in un contenitore chiuso in cui era stato praticato il vuoto, e mostrò che, nonostante la campana venisse sollecitata, non si avvertiva alcun suono.

La trattazione matematica della teoria del suono fu iniziata dal matematico e fisico Isaac Newton che, nella sua opera Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (I principi matematici della filosofia naturale, 1687) dimostrò che la propagazione del suono attraverso qualunque fluido dipende solo da proprietà misurabili, come elasticità e densità, e calcolò la velocità del suono nell'aria.

Nel XVIII° secolo si fecero progressi soprattutto a livello teorico. Il calcolo differenziale si rivelò un nuovo potente strumento per l'indagine scientifica in molti campi. I matematici Jean-Baptiste le Rond d'Alembert, Giuseppe Luigi Lagrange, Johann Bernoulli ed Eulero si dedicarono allo studio di proprietà quali l'altezza e il timbro di suoni prodotti da particolari strumenti, nonché allo studio del meccanismo di trasmissione del suono in diversi mezzi. La completa trattazione matematica del suono, però, si fonda sull'analisi armonica, scoperta da Jean-Baptiste-Joseph Fourier nel 1822 e applicata alla teoria del suono da Georg Simon Ohm.