Un’onda sonora è un tipo di onda di pressione causata dalla vibrazione di un oggetto in un mezzo conduttivo come l’aria. Quando l’oggetto vibra, emette una serie di onde che possono essere interpretate come suono. Ad esempio, quando qualcuno colpisce un tamburo, fa vibrare la membrana del tamburo e la vibrazione viene trasmessa attraverso l’aria, dove può raggiungere l’orecchio di un ascoltatore. Le vibrazioni viaggiano a velocità diverse attraverso mezzi diversi, ma non possono viaggiare nel vuoto. Oltre a essere utilizzate per la comunicazione, le onde sonore sono impiegate per fornire immagini di oggetti e strutture inaccessibili, nelle indagini oceaniche, in geologia e sismologia.
Tipi di onda
Il suono viaggia attraverso gas, liquidi e solidi come onde longitudinali. Ciò significa che la compressione del mezzo è nella stessa direzione in cui viaggia il suono. Nei solidi e sulle superfici dei liquidi, le vibrazioni possono anche viaggiare come onde trasversali. In questi, la compressione è perpendicolare alla direzione del movimento.
La velocità del suono
La velocità di propagazione del suono dipende dalla densità del mezzo attraverso il quale viaggia. Viaggia più rapidamente attraverso mezzi più densi ed è quindi più veloce nei solidi che nei liquidi e più veloce nei liquidi che nei gas. In condizioni familiari, terrene, la velocità del suono è sempre enormemente inferiore a quella della luce, ma nel materiale super-denso di una stella di neutroni, può avvicinarsi molto alla velocità della luce. La differenza di velocità nell’aria è dimostrata dal ritardo tra un lampo e il suono del tuono per un osservatore distante: la luce arriva quasi istantaneamente, ma il suono impiega un tempo notevole.
La velocità del suono nell’aria varia con la pressione e la temperatura, con pressioni e temperature più elevate che danno velocità più elevate. Ad esempio, a 68 ° F (20 ° C) e pressione standard al livello del mare, è di 1,126 piedi al secondo (343.3 metri al secondo). In acqua, la velocità è di nuovo dipendente dalla temperatura; a 68 °F (20 °C) è di 4,859 piedi/sec (1,481 m/s). La velocità nei solidi è molto variabile, ma alcuni valori tipici sono 13,700 ft/sec (4,176 m/s) nel mattone, 20,000 ft/sec (6,100 m/s) nell’acciaio e 39,400 ft/sec (12,000 m/s) nel diamante.
Lunghezza d’onda, frequenza e ampiezza
Il suono può essere descritto in termini di lunghezza d’onda, frequenza e ampiezza. La lunghezza d’onda è definita come la distanza necessaria per completare un ciclo completo. Un ciclo completo si sposta da picco a picco o da valle a valle.
Frequenza è un termine usato per descrivere il numero di cicli completi in un determinato periodo di tempo, quindi lunghezze d’onda più corte hanno frequenze più alte. Viene misurato in hertz (Hz), dove un hertz corrisponde a un ciclo al secondo e kilohertz (kHz), dove un kHz corrisponde a 1,000 Hz. Gli esseri umani possono sentire suoni che vanno da 20 Hz a circa 20 kHz, ma le vibrazioni possono avere frequenze molto più basse o più alte. L’udito di molti animali si estende oltre la portata umana. Le vibrazioni che sono al di sotto della gamma dell’udito umano sono chiamate infrasuoni, mentre quelle al di sopra di tale gamma sono conosciute come ultrasuoni.
Il tono di un suono dipende dalla frequenza, con toni più alti che hanno frequenze più alte. L’ampiezza è l’altezza delle onde e descrive la quantità di energia trasportata. Le ampiezze elevate hanno volumi più elevati.
Fenomeni d’onda
Le onde sonore sono soggette a molti dei fenomeni associati alle onde luminose. Ad esempio, possono essere riflessi dalle superfici, possono subire diffrazione attorno agli ostacoli e possono sperimentare la rifrazione quando passano tra due mezzi diversi, come l’aria e l’acqua, il tutto in modo simile alla luce. Un altro fenomeno condiviso è l’interferenza. Quando le onde sonore provenienti da due diverse sorgenti si incontrano, possono rafforzarsi a vicenda dove i picchi e gli avvallamenti coincidono, e annullarsi a vicenda dove il picco incontra il minimo, creando uno schema di interferenza, con aree rumorose e silenziose. Se le vibrazioni hanno frequenze diverse, questo può creare un effetto pulsato o un “battito” nel suono combinato.
Applicazioni
Le onde sonore hanno molte applicazioni nella scienza e nella medicina. L’ecografia può essere utilizzata per indagare su problemi medici ed eseguire controlli importanti. Un’applicazione ben nota è l’ecografia, utilizzata per produrre l’immagine di un nascituro, al fine di verificarne la salute laddove una radiografia non sarebbe sicura. Gli impulsi sonori, noti come sonar, possono essere utilizzati per mappare il fondo dell’oceano misurando con precisione il tempo impiegato per ricevere un’eco.
In sismologia, la struttura interna della Terra può essere studiata osservando la propagazione delle onde sonore. Poiché le onde trasversali non possono viaggiare attraverso i liquidi, questa tecnica può essere utilizzata per mappare le aree di roccia fusa sotto la superficie. Tipicamente, il suono viene generato da un’esplosione e le vibrazioni vengono raccolte in vari punti distanti, dopo aver viaggiato attraverso la Terra. Esaminando il modello delle onde trasversali – note come “onde s” in questo contesto – e onde longitudinali – note come “onde p” – è possibile costruire un’accurata mappa tridimensionale, che mostra la distribuzione della roccia solida e fusa .