Onde acustiche


Suono, ultrasuono e scienza acustica

Tecniche di lavaggio con la generazione di suoni ad alta frequenza

sgrassatura stampi e pezziIl suono è la percezione sensoriale (soggettiva) di un fenomeno fisico (oggettivo) definito come onda di pressione acustica che necessita di un mezzo per la sua propagazione. Per creare quindi un fenomeno sonoro occorre esercitare una azione su un corpo singolo o su un insieme di corpi che costituiscono la sorgente sonora.

Dalla fisica, è risaputo che un corpo è costituito da una struttura molecolare o atomica caratterizzata da una forma definita (o definibile) nello spazio. Questa struttura è dotata di una certa elasticità, ovvero la capacità di subire una deformazione (sotto l’azione di una forza) reversibile in grado di far ritornare la struttura allo stato iniziale. Il terzo principio della dinamica ci dice che se applichiamo ad un corpo una forza F, questi reagisce con una forza uguale ma contraria nel segno. Sino a quando il Corpo riesce ad opporre questa resistenza, manterrà integre le sue caratteristiche, ma quando ciò sarà impossibile avverrà un processo irreversibile che potrebbe portare alla rottura delle strutture costituenti il corpo.

La pressione è definita come forza applicata su una superficie. Quando colpiamo un tamburo con una bacchetta o con le mani, quando pizzichiamo una corda di uno strumento ad arco o premiamoun tasto di un pianoforte, esercitiamo una pressione. La sorgente sonora che riceve la forza di pressione assorbe questa energia, modifica il suo stato di equilibrio e, per inerzia o per il terzo principio di cui sopra, tende a ritornare nello stato di equilibrio iniziale rilasciando all’ambiente circostante questo surplus energetico. Supponiamo di avere una sfera vuota metallica sospesa nell’aria e che andiamo a percuotere: la sfera assorbirà questa energia e inizierà a vibrare lungo tutta la sua struttura. Intorno ad essa è presente una massa gassosa, costituita da un numero immenso di molecole libere di muoversi singolarmente in ogni direzione.

A meno che non sia presente una corrente direzionale in grado di produrre un flusso d’aria (ovvero ci sia del vento), se prendiamo un volume qualsiasi di aria, poichè le molecole si muovono in tutte le direzioni, statisticamente la loro somma vettoriale sarà pari a zero, ovvero l’aria è considerata ferma.

All’interno di questo volume, il numero di particelle contribuisce a definire il valore di pressione atmosferica locale che, in assenza di perturbazioni, è costante in ogni punto e che ha un valore che dipende da alcune condizioni. Ad esempio, se ci trovassimo al livello del mare, la pressione locale dell’aria avrebbe un valore pari ad 1 atmosfera (atm). Le molecole d’aria urtano la superficie della sfera prendendo parte del surplus energetico: l’effetto che si ottiene è un aumento dell’energia cinetica della molecola e quindi della sua velocità.

Ciò provoca un addensamento locale di molecole e un conseguente aumento del valore della pressione locale.

Il “vuoto” che queste molecole si lasciano alle spalle provoca una diminuzione della pressione che richiama le molecole. Globalmente, le molecole d’aria si trovano quindi ad oscillare rispetto ad un centro che coincide con un punto che statisticamente è fermo. Questo picco energetico di pressione dinamicamente si sposta da zona a zona e va a costituire un’onda che rappresenta pertanto la variazione locale della pressione.

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Esistono numerose tipologie di onde di pressione in grado di essere monitorate: si pensi ad esempio alle onde del mare, alle onde sismiche, alle onde d’urto provocate dalle esplosioni. Tutti questi esempi si caratterizzano per avere una quantità di energia piuttosto elevata mentre, nel caso del suono, le quantità energetiche sono così piccole, che possono essere recepite solamente dal nostro sistema sensoriale definito dall’apparato uditivo (ecco il motivo per cui si utilizza l’aggettivo “acustica” per l’onda di pressione in questione).

Per la trasmissione del suono nell’ambiente c’è bisogno di un mezzo, ovvero di materia. Esistono tre tipologie di mezzi: solidi, liquidi, gassosi. La differenza principale consiste nella densità di materia. In generale, più il mezzo è denso e maggiore sarà la possibilità del suono di essere trasmesso e con maggiore velocità (sempre se non sussistono fenomeni di impedenza acustica o di isolamento acustico).

Un altro fattore che influisce sulla trasmissione del suono è la temperatura. La velocità del suono nell’aria, a condizioni ambientali (T° = 20 °C, P = 1 atm) è pari a 343 m/s (metri al secondo) circa. Dipende dalla temperatura in base alla relazione v = 332 + 0,551T con T in °C.

Nell’acqua dolce è circa 1450 m/s mentre in quella salata aumenta leggermente sino a 1550 metri al secondo.