acustica | |
---|---|
Supporto teorico | |
Velocità del suono |
Una volta generata da una sorgente sonora, la perturbazione elastica (onda di pressione) si trasmette attraverso un mezzo per in fine giungere alle orecchie ed essere percepita come suono, se ovviamente per frequenza è all'interno dell'intervallo di udibilità. E' assodato che si è in grado di percepire suoni sott'acqua (in un liquido) e attraverso un muro. Ciò implica che il suono si propaga attraverso un qualsiasi mezzo elastico. Tuttavia la velocità cambia da mezzo a mezzo.
Sostanza | cs [m/s] |
---|---|
Aria (15 ºC) | 341 |
Idrogeno | 1260 |
Acqua | 1460 |
Marmo | 3800 |
Mattoni | 3650 |
Vetro | 5200 |
Ferro | 5000 |
Sughero | 500 |
Gomma elastica | 30-70 |
La tabella qui a lato riporta in m/s i valori indicativi della velocità del suono cs per varie sostanze nei tre stati della materia. Da essa si può ricavare che per una certa temperatura la velocità di propagazione del suono non solo dipende, come già osservato, dal mezzo, ma è maggiore nei solidi che nei fluidi. Infatti la velocità del suono nell'aria è di circa 340 m/s (il che significa che, dopo il lampo, il tuono impiega 3 secondi per percorrere 1000 m = 1km), contro i 1460 m/s dell'acqua e i 5000 m/s del ferro.
Qui di seguito si approfondisce un po' l'argomento velocità del suono, senza però giustificare tutti i passaggi matematici che portano alle relazioni scritte. Non è questa la sede per dimostrare queste cose. Chi lo desidera può consultre i manuali specialistici sull'argomento. Ora, tenendo conto che il suono si tramette tramite un'onda elastica, cioè in termini di piccole variazioni di pressione Δp del mezzo (ovvero in piccoli spostamenti delle molecole del mezzo intorno alla posizione di quiete), è possibile dimostrare che:
- la pressione sonora Δp è proporzionale alla velocità di oscillazione delle particelle del mezzo. Questa evidenza è espressa tramite una relazione nota come legge di Ohm acustica. Spesso si analizzano problemi diversi trattando le leggi in modo formalmente analogo a quelle che governano altri fenomeni, in questo caso la legge di Ohm;
- la velocità cs del suono risulta legata alla pressione sonora Δp (variazione di pressione) e alla variazione di densità Δρ del mezzo dalla relazione cs=(Δp/Δρ)0.5. Per calcolare la velocità del suono si deve stabilire lungo quale trasformazione (isoterma, adiabatica, isocora, politropica...) valutare il secondo termine della relazione appena introdotta. L'analisi del problema porta a concludere che per le frequenze ordinarie del suono si abbia una trasformazione adiabatica (senza trasferimento di calore).
In base alle considerazioni fatte, la legge cs=(Δp/Δρ)0.5 si trasforma in cs=(E/ρ)0.5, in cui E è il modulo di comprimibilità del mezzo e ρ la sua densità. Tanto per fissare le idee, E è dell'ordine di 109 N/m² per i liquidi. Come esempio di calcolo indicativo della velocità del suono in un solido, assumendo per il ferro una densità di 7.86 kg/dm3 e un modulo di elasticità E = 206000000 N/m², si ricava cs=5120 m/s.
Nel caso dei gas, si può assumere che essi abbiamo un comportamento da gas ideale, il che implica che E = kp, dove k è il rapporto tra i calori specifici caratteristici del gas (che si trova alla pressione p). Allora in condizioni ordinarie (in genere a pressione atmosferica) per i gas vale la relazione cs=(kp/ρ)0.5. Si osserva che per i gas è molto importante specificare la tempertura in corrispondenza della quale viene calcolata la velocità del suono (ρ varia fortemente con la temperatura e per il calcolo si usa la legge generale dei gas perfetti pV=nRT). Per il mezzo aria (in condizioni di pressione atmosferica), data la sua ovvia importanza in ambito di acustica, la velocità del suono è anche espressa in funzione della temperatura (t in ºC) dalla relazione empirica cs=331,4+0,6t.
Si deve far attenzione a non confondere la velocità del suono con la velocità con cui vibrano le particelle del mezzo attorno alla loro posizione di riposo. Si può dimostrare che, per una variazione di pressione di 20μbar (anche se numericamente molto piccola, si tratta in realtà di una pressione sonora assai rilevante), la velocità delle particelle del mezzo arriva a solo 5 cm/s. In altre parole, ciò significa che un suono caratterizzato da una pressione sonora di 20μbar (si tratta di un suono molto forte), impiega circa 3 secondi per percorrere 1 km, ma le particelle del mezzo (aria) lo hanno trasmesso vibrando con una velocità di circa 5 cm/s intorno alla posizione di quiete, ovvero con una velocità circa 6800 volte inferiore!