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0175. Le onde sonore sono simili a quelle delle luce?

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Le onde sonore sono simili a quelle delle luce? Che fenomeni fisici le interessano e poi come il suono viene percepito dal cervello umano e dagli animali ? (Bruno Scander) (2060)

 

sem_esperto_verdeIl suono si propaga per mezzo di onde sonore, con importanti analogie e differenze rispetto alla propagazione della luce visibile e delle onde elettromagnetiche in generale. Le onde sonore sono rappresentabili come compressione e rarefazione di un mezzo fluido o solido, ad esempio, aria, acqua, roccia, un pezzo di metallo. Queste contrazioni e rarefazioni del mezzo si propagano sotto forma di onde viaggianti alla velocità del suono , che è funzione delle proprietà fisiche del mezzo e della frequenza icona_glossario. Tipiche velocità del suono sono dell’ordine di 300 m/s (velocità del suono nell’aria) o alcuni km/s (in solidi cristallini). Come per le onde elettromagnetiche, le onde sonore sono matematicamente rappresentabili come sovrapposizione di onde sinusoidali di differente ampiezza, frequenza e fase. Mentre nelle onde elettromagnetiche le grandezze fisiche che variano sinusoidalmente nel tempo e nello spazio sono campi elettrici e magnetici, nel caso delle onde sonore la grandezza fisica coinvolta è la pressione nel mezzo. Un’onda sinusoidale che si propaga è periodica sia nel tempo che nello spazio, ossia, in un fissato punto spaziale la grandezza fisica associata all’ampiezza dell’onda si ripresenta identica dopo uno o più periodi temporali T, e a un tempo fissato si misura identica a distanze multiple della lunghezza d’onda.

La frequenza f è l’inverso del periodo, f=1/T e queste grandezze sono legate tra loro dalla velocità di propagazione c delle onde: c = L·f. Per la luce visibile, la frequenza è legata al colore percepito dall’occhio, mentre per le onde sonore la frequenza è legata alla altezza della nota musicale, i suoni acuti hanno alta frequenza, i suoni gravi bassa frequenza.

La differenza principale rispetto alla propagazione delle onde elettromagnetiche è che le onde sonore hanno bisogno di un mezzo elastico in cui propagarsi, essendo associate proprio alla compressione del mezzo, mentre le onde elettromagnetiche si propagano anche nel vuoto, essendo associate al fatto che le variazioni temporali dei campi elettrici e magnetici sono esse stesse sorgenti di campi magnetici ed elettrici nello spazio circostante, anche in assenza di materia. Inoltre la velocità di propagazione del suono è estremamente più bassa (circa un milione di volte) di quella della luce, per cui abbiamo tutti esperienza diretta del ritardo temporale tra la generazione e la percezione di un suono (ad es. il tuono ritardato rispetto al lampo), mentre la propagazione della luce è apparentemente istantanea. Per avere un’idea della differenza, noi percepiamo circa con lo stesso ritardo (poco più di 1 secondo) un lampo di luce prodotto sulla superficie lunare e uno sparo a 400 m di distanza. Le onde sonore condividono la natura ondulatoria della luce, quindi alla loro propagazione sono associati tutti i fenomeni ondulatori, quali interferenza, diffrazione etc., osservabili anche per le onde elettromagnetiche. L’effetto che prende il nome dal fisico austriaco Christian Andreas Doppler icona_biografia, percepibile come brusca variazione della frequenza (acutezza) del suono di una sirena quando siamo superati da un’ambulanza , è un fenomeno legato alla velocità relativa tra la sorgente e l’osservatore, ed è osservabile anche per le onde elettromagnetiche. Per le onde elettromagnetiche si manifesta, per esempio, nello spostamento verso il rosso delle righe spettrali della radiazione proveniente da galassie che si allontanano da noi, la cui osservazione ha permesso di misurare la velocità di espansione dell’Universo icona_esperto icona_esperto.

La percezione del suono nei mammiferi è un fenomeno complesso e interessante: l’orecchio umano percepisce toni di frequenza compresa tra 20 e 20000 Hz icona_glossario , con sensibilità elevata nell’intervallo tra 100 e 6000 Hz, e un massimo di sensibilità intorno al kHz. Il segnale sonoro, che sarà in generale una sovrapposizione di onde di differente ampiezza e frequenza, viene raccolto e convogliato nell’orecchio esterno (canale uditivo) e mette in vibrazione la membrana che chiude il canale uditivo (timpano). La vibrazione del timpano viene trasmessa attraverso l’orecchio medio, che è un sistema di leve (catena degli ossicini, ossia incudine, martello e staffa) a un’altra membrana (finestra ovale) posta all’ingresso dell’orecchio interno (coclea).

ScienzaPerTutti_orecchio_mdOrecchio Medio dell'uomo

La coclea è una cavità piena di liquido divisa in due da una membrana (membrana basilare). Sulla membrana sono distribuite delle cellule (cellule ciliate interne) che costituiscono i recettori connessi al nervo acustico che trasmette il segnale elettrico al cervello e altre (cellule ciliate esterne) che mediano un sistema di feedback neuro-fisiologico in grado di amplificare il segnale in modo attivo (immettendo potenza dal sistema nervoso nelle cellule ciliate durante la stimolazione sonora) ed adattivo (regolando il guadagno dell’amplificazione in funzione dell’ampiezza dello stimolo). In tal modo, l’orecchio umano è particolarmente sensibile a suoni di piccola intensità e allo stesso tempo è protetto contro segnali troppo intensi. Nella coclea avviene l’analisi in frequenza del segnale acustico, sfruttando il fenomeno fisico della risonanza. In fisica, un sistema risonante risponde con ampiezza di oscillazione massima a una sollecitazione sinusoidale che abbia frequenza uguale alla frequenza di risonanza del sistema, determinata dalle sue proprietà geometriche e strutturali. Ogni porzione della membrana basilare risuona a una frequenza differente, le frequenze più alte vicino alla finestra ovale (base), quelle più basse all’estremità opposta (apice), cosicché le componenti di frequenza diversa del segnale acustico che viaggia lungo la membrana vengono amplificate in porzioni diverse della membrana stessa. L’oscillazione di una particolare porzione della membrana testimonia quindi della presenza nel segnale sonoro di una ben determinata frequenza, quella a cui risuona quella porzione della membrana. Ogni porzione della membrana è connessa a una determinata fibra nervosa che trasmette un segnale di frequenza nota al sistema nervoso centrale, dove avvengono ulteriori elaborazioni studiate nell’ambito delle neuro-scienze.

Arturo Moleti – Fisico


 

 
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