Sapere Scienza

Sapere Scienza

Magie della voce: la fisica delle onde sonore

30 Settembre 2020 di 

Tra i vari possibili tipi di onde, quelle sonore sono state studiate fin dall’antichità. Non solo esse sono il fenomeno fisico forse più familiare all’uomo, ma contengono anche una grande quantità di aspetti suggestivi e si prestano a forme di sperimentazione semplice.

 

Cos’è il suono?


Il suono è un’onda meccanica nella quale le particelle del mezzo di propagazione si trasmettono un moto oscillatorio ordinato per urti successivi. Nella sorgente le particelle vengono poste in vibrazione, per urto, strofinio o altro; il moto oscillatorio si trasferisce alle molecole del mezzo ambiente via via più lontane in forma di onda (nel vuoto il suono non si propaga).
Le onde che noi percepiamo come suono differiscono da altri tipi di onda meccanica perché il nostro orecchio converte l’onda che incide sul timpano in un segnale elettrico che induce una stimolazione nei circuiti cerebrali preposti: chiamiamo suono tale sensazione.

 

Quali frequenze possiamo udire?


La regione di frequenze per noi udibili cade circa tra 20 e 20.000 Hz (1 Hz = 1 pulsazione al secondo). Vi sono specie animali che percepiscono anche ultrasuoni, come i cani o i pipistrelli, oppure gli infrasuoni (sotto i 20 Hz), quali le balene o altri animali di grande taglia.
Sperimentare con la voce è molto divertente e non pericoloso, a meno che il livello sonoro non sia eccessivo, nel qual caso si possono avere danni permanenti all’udito. Per avere un’idea, si consideri che la gamma di suoni che noi normalmente udiamo va dai 20 dB (decibel) di un bisbiglio ai 120 dB di un jet al decollo, livello considerato soglia del dolore. 100-110 dB sono il livello tipico di una discoteca, sufficiente a indurre perdite di udito irreversibili.

 

Perché ogni voce è unica?


Il modo più immediato di imparare qualcosa sul suono è analizzare la voce umana, in specie quando articola le vocali. La frequenza (altezza) del suono è definita dal tono fondamentale con cui vibrano le corde vocali, mentre il timbro vocale dipende dalla gamma degli ipertoni che lo accompagnano, ossia onde con frequenza pari a multipli della fondamentale. La cavità vocale, come ogni cassa di risonanza, accentua taluni ipertoni e ne deprime altri, caratterizzando così il timbro di ogni voce.
La figura A, in alto, mostra un possibile spettro di emissione da parte delle corde vocali; la B illustra un ipotetico andamento delle risonanze della cavità orale, diverse per ciascuna vocale; lo spettro all’uscita dalla bocca (C) è dato indicativamente dal prodotto delle curve A e B in ciascun punto dell’ascissa.

 

im1

 
La frequenza del tono fondamentale cala nel passare dall’uomo alla donna e poi al bambino e infine al neonato, perché diminuisce la lunghezza e lo spessore delle corde vocali, com’è nel caso del pianoforte. Lo stesso vale per il timbro perché, più grande è la cavità orale, più si abbassano le risonanze. Ogni voce, e all’interno di essa ogni vocale, ha il suo caratteristico spettro C.

 

banner cox

 

L’effetto dell’elio sulla voce: parlare come Paperino


Un interessante quesito si pone quando si considera il mezzo ambiente: cosa succede se invece che in aria si parla in un gas di densità differente? Si può sperimentare immettendo nei polmoni, al posto dell’aria, un gas più leggero, come l’elio, o invece un gas più pesante, come lo xenon (gas inerti non pericolosi). Si sa che nel primo caso la voce diventa acuta, alla Paperino, nel secondo cavernosa. Vediamo perché.
La lunghezza d’onda λ del tono fondamentale generato è dettata dalla lunghezza delle corde vocali. L’onda sonora si avvia verso l’esterno della bocca con la velocità caratteristica del suono V nel mezzo ambiente, che dipende in primis dalla sua densità, giacché essa influisce sul meccanismo di trasmissione del moto da una molecola all’altra. Più il gas è denso più frequenti sono gli urti tra le molecole, ciò che agevola la propagazione dell’onda (in effetti V risulta crescere con la radice quadrata della densità del gas). C’è un legame tra V, λ e la frequenza f di un’onda, precisamente, f = V/λ Dunque, fissata λ, la frequenza con cui l’onda viene a percuotere il timpano dell’uditore aumenta con la velocità V e il suono si inacutisce. Questo conferma che il suono udito è solo una percezione sensoriale, condizionata da fattori soggettivi e ambientali.

Andrea Frova

Andrea Frova, nato a Venezia, già Ordinario di Fisica Generale alla Sapienza, ha fatto ricerca nel campo della luce e delle proprietà ottiche dei semiconduttori. È autore di molte pubblicazioni scientifiche nelle maggiori riviste internazionali. Ha anche scritto testi di divulgazione, saggi musicologici e libri di narrativa. Ha vinto il "Premio Galileo per la divulgazione scientifica" nel 2008 con Se l'uomo avesse le ali (Rizzoli-BUR), e il "Premio Città di Como" con il saggio storico-scientifico Newton & Co. - Geni bastardi (Carocci 2015). Il suo ultimo libro è Luce, una storia da Pitagora a oggi (Carocci 2017).

copertina sapere 5 2020   settembre-ottobre 2020

  COMPRA IL NUMERO

 
  ABBONATI

 
  SOMMARIO

 
  EDITORIALE

bannerCnrXSapere 0

iscriviti copia

caraveo saperescienza

Questo sito utilizza cookie, anche di terze parti, per migliorare la tua esperienza di navigazione. Se vuoi saperne di più consulta l'informativa estesa. Cliccando su ok acconsenti all'uso dei cookie.