Le onde

In queste pagine cercheremo di capire di più sulla natura del suono, in quanto la comprensione di fenomeni base di acustica ci tornerà utile in molte situazioni (insonorizzazione, registrazione, accordatura...).
Col termine "suono" viene di solito indicato l'insieme dei due seguenti fenomeni:

• Propagazione in un mezzo elastico di onde prodotte da una sorgente messa in vibrazione
• Interpretazione di queste onde da parte dell'uomo, mediante il complesso orecchio-cervello

É sempre difficile dare una definizione a qualcosa che accettiamo passivamente, perché facente parte della nostra vita quotidiana!
Vediamo come nascono e si propagano queste onde.

GENESI DI UN COLPO DI RULLANTE

Abbiamo detto che la sorgente sonora, per produrre il suono, deve essere messa in vibrazione. Per fissare le idee pensiamo alla bacchetta che colpisce la pelle del rullante. Questa viene subito messa in vibrazione, e con essa l'intero corpo del rullante. Queste vibrazioni sono periodiche, ossia se potessimo vedere al rallentatore un filmato della pelle (magari girato con una telecamera di quelle usate per "Matrix"), vedremmo che questa compie delle oscillazioni regolari nel tempo, come quelle di un pendolo, per esempio. Vediamo più in dettaglio come questo avviene.

La punta della bacchetta schiaccia il centro della pelle, questo si abbassa e tira con se' la zona di pelle circostante, e cosí farà questa zona di pelle con quella ancora più esterna, con un processo a catena. Quando la forza del colpo é bilanciata dalla tensione della pelle, il centro di questa, arrivato nel punto più basso, inizierà a risalire, portando con se' la zona di pelle circostante e cosí via, nel modo analogo al precedente. Per inerzia, la pelle non potrà fermarsi nella situazione di riposo, ma verrà "tirata" dalla parte opposta. Nuovamente, si arriverà al bilanciamento tra le forze quando il centro della pelle raggiungerà il punto più alto, e scenderà nuovamente. É un po' quello che accade lasciando cadere un peso attaccato a una molla, oppure facendo rotolare una biglia in una coppa semisferica... In natura sono molti i fenomeni oscillatori, e sono governati tutti dalle stesse leggi del moto armonico.
Tornando al rullante, quello che si verifica é che si generano delle onde circolari intorno al centro della pelle (come nell'immagine accanto, anche se enfatizzate). I movimenti della pelle influenzano, ovviamente, anche l'aria circostante: quando il centro della pelle é schiacciato, l'aria all'interno del rullante subisce una compressione, e la trasmette alle molecole vicine, e cosí via, con lo stesso effetto a catena già visto. Viceversa quando la pelle si distende, l'aria subisce una rarefazione, e anche questa rarefazione viene trasmessa. L'unica differenza tra onde nella pelle e onde nell'aria sta nel numero di dimensioni coinvolte: sulla pelle le onde sono circolari, e in definitiva sono vincolate a un piano (esempio tipico: il sasso nello stagno); nell'aria invece le onde sono sferiche, e si propagano in tutte e tre le dimensioni.
Una cosa importante da notare in entrambi i casi é che le singole molecole di aria restano ferme durante la propagazione dell'onda, o meglio si muovono quel tanto che basta per trasferire il moto alle molecole limitrofe, e poi tornano in posizione. Si dice che é la forma dell'onda a muoversi, e non le molecole.

Abbiamo detto che la pelle "torna indietro" quando la sua tensione bilancia la forza impressa: ora avrete certo capito il nesso fra tensione della pelle e altezza del suono prodotto dal rullante: se la pelle é tesa, il bilancio delle forze avviene subito, la pelle si muove velocemente e produce velocemente le onde, con un'alta frequenza: il suono che risulta é acuto. Viceversa, se la pelle é allentata, questa si muove lentamente, produce onde con una frequenza bassa, e il suono che percepiamo é grave.

Il suono finirà quando la pelle e il fusto del rullante smetteranno di vibrare. Questo accade dopo un tempo rapidissimo, per vari motivi: dissipazione di energia in calore (avviene in ogni fenomeno elastico); dispersione di energia, per esempio trasmessa attraverso il reggirullante al pavimento (per questo le meccaniche migliori non sono fissate ai pezzi, ma collegate elasticamente per evitare la trasmissione diretta di energia), e interferenza con le onde che, una volta arrivate al bordo della pelle vengono riflesse indietro e tendono a smorzare le nuove onde che si generano.

Il ruolo del fusto, in tutto ciò, é di fornire risonanza e colore al suono: senza fusto sentiremmo solo il suono della bacchetta che impatta sulla pelle, ma il suono sarebbe davvero cortissimo e plastico. Il fusto prolunga e modella il suono, che ne rispecchierà le caratteristice del materiale, con gli armonici.

Se mi avete seguito fin qui, tirate un sospiro di sollievo: questo meccanismo si applica a tutti gli strumenti musicali, non solo a quelli a percussione, ma anche a quelli a corda (questa volta però le onde si propagano in una sola dimensione), e, seppur con metodiche diverse, anche a quelli a fiato e alla voce.

GRANDEZZE CARATTERISTICHE DELLE ONDE

Cerchiamo ora di mettere ordine ai concetti e di dare un nome alle varie grandezze caratteristiche di queste onde:

• frequenza: il numero di volte che il corpo oscilla in un secondo, e quindi anche il numero di onde generate in un secondo. Viene misurata in Hertz [Hz], appunto cicli al secondo, e indicata spesso con una f. Come già detto, le differenze di frequenza vengono interpretate dall'orecchio/cervello come differenze di tonalità.
• velocità: concetto abbastanza intuitivo, i metri di spazio attraversati in un secondo. La velocità dipende dal materiale in cui si diffondono le onde e dalla temperatura. Per esempio, nell'aria a 10 gradi centigradi la velocità é di 337 m/s, nell'acqua é mediamente 5 volte tanto, nell'acciaio e nel cemento é quasi 10 volte tanto. La velocità é indicata con v.
• lunghezza d'onda: la distanza fra due fronti d'onda successivi. Per fronti d'onda intendiamo punti in cui l'onda assume valore massimo, ma potremmo prendere qualsiasi punto in cui le due onde hanno lo stesso valore. Se parliamo di onde acustiche, questa viene di solito misurata in metri o suoi sottomultipli, e indicata con la lettera greca lambda .

Queste tre grandezze sono collegate fra loro mediante la seguente formula:
Noti quindi due parametri si può ricavare il terzo. Ci sono altre due grandezze da ricordare:

• periodo: il tempo che intercorre tra due vibrazioni successive del corpo che genera il suono, e quindi il tempo fra la nascita di due onde successive. Viene misurato in secondi, o suoi sottomultipli. É l'inverso della frequenza. Per una frequenza x, il periodo é 1/x. Ovviamente vale il viceversa.
• ampiezza: é l'unica grandezza slegata dal tempo. É legata alla potenza e all'intensità delle onde, e indica il massimo spostamento dall'asse orizzontale. Mentre le variazioni di frequenza vengono interpretate come suoni di tonalità diversa, l'ampiezza viene interpretata dall'orecchio come volume. L'ampiezza viene indicata spesso con A.

Nell'immagine vedete un'onda sinusoidale. La sinusoide é una funzione periodica, cioé assume, a intervalli regolari di tempo, lo stesso valore, e schematizza per noi la rarefazione e compressione dell'aria (striscia sfumata al di sotto). I massimi dell'onda sono i punti in cui la compressione é massima, il contrario per i minimi. I punti dell'asse orizzontale corrispondono agli zeri, ovvero i punti in cui si passa da rarefazione a compressione e viceversa, insomma i punti in cui l'aria é inalterata rispetto alle condizioni normali.
Il suono, nella maggior parte dei casi, deriva dalla somma di vari armonici, ovvero varie onde sinusoidali semplici. Nella prossima pagina cercheremo di capire meglio la questione.