Velocità del suono, onde sonore e rumore.

La velocità del suono è la velocità con cui il suono si propaga in un certo mezzo. La velocità del suono varia a seconda del tipo di mezzo (ad esempio, il suono si propaga più velocemente nell'acqua che non nell'aria) e delle sue proprietà, tra cui la temperatura.

0:10Passaggio di un F-14 Tomcat a velocità supersonica: l'umidità dell'aria rende visibile la zona antecedente l'urto, infatti la velocità del fluido aumenta improvvisamente facendo abbassare la temperatura e quindi condensare l'umidità. L'urto fa aumentare improvvisamente la pressione e la temperatura per cui l'umidità evapora nuovamente e torna invisibile.

Nell'aria, la velocità del suono è di 331,2 m/s (1 192,32 km/h) a 0 °C e di 343,1 m/s (1 235,16 km/h) a 20 °C.

Il suono si propaga in modi diversi a seconda che sia in un solido, in cui tutte le molecole sono collegate solidamente fra loro, oppure in un fluido (liquido o gas), che invece è incoerente. Nei fluidi, la velocità del suono segna il confine tra due regimi di moto diversi: il regime subsonico e il regime supersonico.

Questa grandezza è anche la velocità con cui si propagano l'energia cinetica e le sollecitazioni meccaniche in una determinata sostanza.

Onda sonora

Per la fisica, il suono è un'oscillazione (un movimento nello spazio) compiuta dalle particelle (atomi e molecole) in un mezzo fisico di propagazione. Nel caso del suono che si propaga in un mezzo fluido (tipicamente in aria) le oscillazioni sono spostamenti delle particelle, intorno alla posizione di riposo e lungo la direzione di propagazione dell'onda, provocati da movimenti vibratori, provenienti da un determinato oggetto, chiamato sorgente del suono, il quale trasmette il proprio movimento alle particelle adiacenti, grazie alle proprietà meccaniche del mezzo; le particelle a loro volta, iniziando ad oscillare, trasmettono il movimento alle altre particelle vicine e queste a loro volta ad altre ancora, provocando una variazione locale della pressione; in questo modo, un semplice movimento vibratorio si propaga meccanicamente originando un'onda sonora (od onda acustica), che è pertanto un'onda longitudinale (caso dei fluidi). Nel caso dei solidi le onde sonore possono essere sia trasversali che longitudinali.

Le onde sonore possono essere rappresentate graficamente utilizzando un grafico cartesiano, riportante il tempo (t) sull'asse delle ascisse, e gli spostamenti delle particelle (s) su quello delle ordinate. Il tracciato esemplifica gli spostamenti delle particelle: alla fine, la particella si sposta dal suo punto di riposo (asse delle ascisse) fino al culmine del movimento oscillatorio, rappresentato dal ramo crescente di parabola che giunge al punto di massimo parabolico. Poi la particella inizia un nuovo spostamento in direzione opposta, passando per il punto di riposo e continuando per inerzia fino ad un nuovo culmine simmetrico al precedente, questo movimento è rappresentato dal ramo decrescente che, intersecando l'asse delle ascisse, prosegue in fase negativa fino al minimo parabolico. Infine, la particella ritorna indietro e ripete nuovamente la sequenza di spostamenti, così come fa il tracciato del grafico.

Il periodo (graficamente il segmento tra due creste) è il tempo impiegato dalla particella per tornare nello stesso punto dopo aver cominciato lo spostamento (indica cioè la durata di una oscillazione completa). La distanza dalla cresta all'asse delle ascisse indica, invece, l'ampiezza del movimento, in altre parole la distanza massima percorsa dalla particella dalla sua posizione di riposo durante l'oscillazione. Tuttavia, nonostante il periodo e l'ampiezza siano due grandezze che da sole sarebbero sufficienti per descrivere le caratteristiche di un'onda, non sono frequentemente utilizzate, perlomeno non in forma pura: in acustica si preferisce, infatti, usare altre grandezze da queste derivate. Il numero di periodi compiuti in un secondo esprime la frequenza in hertz (Hz). Dall'ampiezza dell'onda, invece, si calcola la pressione sonora, definita come la variazione di pressione rispetto alla condizione di quiete, e la potenza e l'intensità acustica, definita come il rapporto tra la potenza dell'onda e la superficie da essa attraversata; il livello di intensità acustica (relativo alla percezione sonora dell'orecchio umano dell'intensità acustica) viene comunemente misurato in decibel.

Tipologie di onde sonore

Esistono tre diverse tipologie di onde sonore e ognuna è identificabile da un particolare andamento grafico

• Le onde sinusoidali: onde dal tracciato regolare: i picchi sono speculari alle valli e assume la caratteristica forma di sinusoide. Le principali caratteristiche sono appunto il grafico sinusoidale e la periodicità.

• Le onde periodiche non sinusoidali: sono sempre onde dal tracciato regolare, in quanto i picchi sono speculari alle valli, ma la loro forma risulta più complessa della precedente, perché presenta diverse anomalie nelle curve. Le caratteristiche sono: la periodicità e il grafico non sinusoidale. Il teorema di Fourier garantisce che siano sempre esprimibili come somma di componenti discrete sinusoidali di opportune ampiezza, frequenza - multipla della fondamentale - e fase.

• Le onde aperiodiche: sono onde non regolari: il tracciato ha forma caotica e zigzagante. Sono caratterizzate dall'assoluta irregolarità del grafico e dall'aperiodicità; sono tracciati caratteristici dei rumori.

Per una descrizione delle onde semplici i parametri di frequenza e d'ampiezza sono sufficienti, mentre le onde aperiodiche, a causa della loro aperiodicità, non possono essere descritte da alcun parametro. Invece nella descrizione delle onde complesse sono sì utili sia la frequenza che l'ampiezza, ma date le anomalie del tracciato, questi due semplici parametri da soli non sono sufficientemente esaurienti, in quanto bisogna ricorrere alla scomposizione dell'onda fondamentale in una serie d'onde semplici, che sono invece analizzabili con le normali grandezze. Le onde semplici o formanti, ottenute dalla scomposizione di un'onda complessa, sono dette armoniche e nel loro insieme costituiscono quello che è chiamato spettro dell'onda sonora. Una caratteristica molto importante delle armoniche è che le loro frequenze corrispondono sempre a multipli interi della frequenza dell'onda complessa, e sono indicate con F0, F1, F2, ecc. con il pedice che corrisponde al rapporto tra la frequenza dell'onda fondamentale e quella dell'armonica.

Rumore

Il rumore è un segnale di disturbo rispetto all'informazione trasmessa in un sistema. In fisica, come i suoni, il rumore è costituito da onde di pressione sonora.

Il rumore è un fenomeno oscillatorio che consente la trasmissione di energia attraverso un mezzo. Nel vuoto non è possibile la trasmissione di rumori o di vibrazioni. Il rumore viene definito come una somma di oscillazioni irregolari, intermittenti o statisticamente casuali. Dal punto di vista fisiopatologico, facendo riferimento all'impatto sul soggetto che lo subisce, il rumore può essere meglio definito come un suono non desiderato e disturbante.

Il rumore acustico è collegato da sempre coi concetti di fastidio e di danno. L'interesse al rumore, e quindi la nascita di studi e ricerche per comprenderne la genesi e gli effetti e tentarne una limitazione, ha un primo impulso con lo sviluppo delle città, in particolare Roma, e successivamente con lo sviluppo delle realtà industriali.

Il problema del rumore urbano fu oggetto di legiferazione anche da parte di Giulio Cesare, che a questo scopo promulgò la Lex Julia Municipalis, che impediva il passaggio dei carri fino al pomeriggio inoltrato, spostando e concentrando di fatto il problema la sera e la notte.

Quinto Orazio Flacco, nella sua Epistola XVII (I v7) si lamenta del rumore cittadino e consiglia a Sceva di dormire nel Ferentino.

Anche Seneca si lamenta del chiasso indiavolato che lo circonda: l'abbaiare dei cani, le urla degli schiavi frustati, il vociare delle persone che frequentavano le terme che stavano sotto casa sua, e "la caratteristica inflessione della voce" dei venditori di bibite, dei salsicciai, dei pasticcieri.

Plinio il Vecchio, nel suo Naturalis Historia (V, X, 54) accenna alla possibilità che rumori prodotti da fiumi e rapide possano provocare sordità. Di rumore e disturbo della quiete pubblica a Roma parla il poeta satirico Giovenale: a suo dire il vociar dei mercanti, il chiasso al passaggio dei carri, il baccano delle mandrie, avrebbero svegliato anche Druso (e in questo starebbe la satira) e le foche (a suo dire la foca era l'animale più sonnolento). Si legge nella sua Satira terza, di come i romani dovevano sopportare non solo il disturbo arrecato dal rumore perenne, ma anche i danni alla salute ad esso connessi.

Bisogna aspettare Bernardino Ramazzini (1633-1714) per uno studio approfondito della relazione professionale rumore-danno, nel suo De Morbis Artificium Diatriba.

Il rumore è prodotto da innumerevoli fonti naturali ed artificiali. In generale le sorgenti di rumore (o di suono) sono:

• corpi solidi oscillanti;

• colonne d'aria oscillanti;

• corpi in movimento rapido;

• gas rapidamente fuoruscenti;

• incrementi rapidi di pressione;

• la voce umana;

• complicata combinazione di fonti naturali e fonti artificiali

Anche in condizioni di apparente silenzio l'aria è attraversata da onde sonore che non vengono percepite perché troppo deboli oppure al di fuori del campo udibile. Onde sonore di frequenza inferiore ai 20 Hz (infrasuoni) e superiori a 20 kHz (ultrasuoni) non sono percepite dall'orecchio umano.

Generalmente i rumori sono suoni caratterizzati da un andamento di pressione non periodico e armonicamente molto complesso, ma a volte la percezione di suono oppure di rumore è soggettiva.

Per la propagazione è necessario un mezzo elastico (il suono/rumore non si propaga nel vuoto), nel quale la sorgente crea una successione di onde di rarefazione e compressione, che si muovono con una velocità dipendente solo dalle condizioni del mezzo. Tale successione porta le particelle del mezzo a vibrare attorno alla posizione di equilibrio lungo la direzione di propagazione dell'onda (quindi le onde sonore sono onde longitudinali). Vale la legge di Ohm acustica: Δ p = ρ0 c v, cioè la pressione sonora è proporzionale alla velocità di oscillazione delle particelle.

I ricercatori, poiché il rumore contiene energia, e può contenere informazione, sono alla ricerca di applicazioni utili del rumore.

Si sfruttano elementi bistabili non lineari (per esempio un pendolo con una molla che crea due posizioni stabili). Se il rumore ha sufficiente energia può riuscire a commutare la posizione del pendolo dall'una all'altra posizione stabile. Del materiale piezoelettrico ricava energia da queste oscillazioni.

Un'applicazione del rumore è nella diagnostica polmonare. Si esamina il rumore prodotto dall'aria nell'attraversamento di bronchi e trachea.

Un'altra applicazione è il controllo della combustione.

L'esposizione al rumore è associata a diversi esiti negativi per la salute. A seconda della durata e del livello di esposizione, il rumore può causare o aumentare la probabilità di perdita dell'udito, ipertensione, cardiopatia ischemica, disturbi del sonno e persino un calo del rendimento lavorativo o scolastico. Quando il rumore è prolungato, possono essere attivate le risposte allo stress del corpo; che può includere un aumento del battito cardiaco e una respirazione rapida. Esistono anche relazioni causali tra rumore ed effetti psicologici come fastidio, disturbi psichiatrici ed effetti sul benessere psicosociale.

L'esposizione al rumore è stata sempre più identificata come un problema di salute pubblica, soprattutto in ambito lavorativo, come dimostrato con la creazione di programmi di prevenzione del rumore e della perdita dell'udito da parte degli organismi nazionali ed internazionali di tutela della salute. Il rumore si è rivelato un rischio professionale, in quanto è l'inquinante correlato ai lavori più comuni. La perdita dell'udito indotta dal rumore, quando associata all'esposizione al rumore sul posto di lavoro, è anche chiamata perdita dell'udito professionale. Ad esempio, alcuni studi hanno mostrato una relazione tra chi è regolarmente esposto a rumore superiore a 85 decibel ed una pressione sanguigna più alta rispetto a chi non è esposto.