Onde Sonore

Perturbazioni e onde

Le onde sonore sono una perturbazione delle molecole che compongono l’aria che si propaga come vibrazione da una sorgente a un ricevitore.
La sorgente è un oggetto capace di vibrare, per esempio uno strumento musicale, e il ricevitore può essere la membrana del timpano del nostro orecchio, che viene messa in vibrazione dalle onde sonore che la colpiscono.

Figura 1. Vibrazione delle molecole d'aria investite da un'onda sonora

Se in Figura 1 osserviamo le molecole d’aria soggette a una vibrazione possiamo vedere come, fissato un punto nello spazio, le molecole nel tempo subiscano una compressione che si alterna a una rarefazione, che risulta in una variazione di densità del mezzo.
In pratica, se fossimo in grado di osservare un gruppo di molecole vicine, le vedremmo oscillare in maniera alternata in avanti e indietro lungo la direzione di propagazione della perturbazione.

Se rappresentiamo lo spostamento in funzione del tempo di un gruppo di molecole attorno alla loro posizione di riposo otteniamo una sinusoide (onda sinusoidale) caratterizzata da un pattern che si ripete a intervalli regolari nel tempo – periodicità dell’oscillazione, vedi Figura 2.

Onde sinusoidali

Figura 2. Onde sinusoidali.

Un'onda sinusoidale come quella rappresentata in Figura 2 è caratterizzata da un pattern (ciclo completo o periodo della sinusoide) che si ripete un preciso numero di volte ogni secondo – frequenza dell’onda, misurata in Hertz [Hz].
Un’onda di questo tipo, che può essere caratterizzata dalla sua frequenza di vibrazione è un tono puro, come quello prodotto dalla vibrazione di un diapason (440Hz).

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Oscillazioni composte

Strumento musicale

Figura 3. Registrazione della vibrazione generata da un oboe: (a) andamento dell'oscillazione nel tempo; (b) frequenze caratteristiche dell'oscillazione.

Se registriamo l’oscillazione d’aria prodotta dalla vibrazione di aria generata da uno strumento musicale, per esempio un oboe come in Figura 3-a, possiamo vedere che l’andamento nel tempo dell’oscillazione ha una sua periodicità – timbro dello strumento – ma non è più rappresentato da una vibrazione semplice di tipo sinusoidale.
In realtà è possibile ricostruire questa vibrazione sovrapponendo più toni puri di con diverse frequenze caratteristiche, vedi Figura 3-b, con una tecnica del tipo Fast Fourier Transform.

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Voce

Se adesso consideriamo la voce umana, in Figura 4 possiamo vedere la registrazione di un campione di voce con l’ampiezza registrata in funzione del tempo e con il contenuto di frequenze (spettro del segnale).

Figura 3. Registrazione di un campione di voce umana: (a) andamento dell'oscillazione nel tempo; (b) frequenze caratteristiche dell'oscillazione.

Possiamo osservare che non esiste un pattern che si ripete invariato nel tempo, il segnale infatti non è di tipo sinusoidale: è comunque possibile calcolarne il contenuto di frequenze e vedere come siano presenti un continuo di frequenze, la maggior parte delle quali è contenuta nell’intervallo 200-5000Hz.