Benvenuto sul Portale di Ingegneria e Campanologia - www.campanologia.it - di  Ing. Michele Cuzzoni - SEZIONE I:TECNICO SCIENTIFICA

Cap. E01 - Fisica Acustica

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Energia sonora o acustica - Fenomeni di assorbimento

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Gli argomenti trattati sono stati inseriti da Ing. Michele Cuzzoni nel maggio 2009, aggiornati il 29/12/2012 e sono desunti dalla documentazione indicata in Bibliografia a fondo pagina.

 

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Energia sonora o acustica

 

Il suono è un’onda e, come tale, trasporta l’energia prodotta dalla sorgente. Dunque l’energia sonora o energia acustica è l'energia emessa da una sorgente sonora che si propaga nello spazio circostante. Tale energia si dimostra essere proporzionale al quadrato dell'ampiezza dell'oscillazione.

A un certo punto l’onda sonora può investire un "ricevitore" (la membrana del timpano, un microfono, ecc.) e in questo caso l’energia dell’onda viene, in parte riflessa ed in parte trasferita ad esso. La frazione di energia trasferita al "ricevitore" dipende da una grandezza fisica detta impedenza che misura l'efficienza della trasmissione. In particolare se il mezzo che trasporta l'energia e il "ricevitore" presentano la stessa impedenza (si dice che in questo caso si è nella situazione di adattamento di impedenza), l'energia viene trasferita con la massima efficienza. Il trasferimento di energia può avere effetti eclatanti:

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Potenza di una sorgente sonora

Per potenza di una sorgente sonora o potenza acustica si intende la quantità di energia emessa da una sorgente sonora nell'unità di tempo. In formula, la potenza è data quindi dal rapporto tra l'energia E emessa e il tempo t impiegato per l'emissione, cioè

  (1)

Nel sistema internazionale la potenza si misura quindi in Joule/sec; a tale unità di misura è stato dato il nome di Watt con simbolo W.

In realtà il rapporto (1) fornisce la potenza media sull'intervallo di tempo di durata t; se si vuole la potenza "istantanea" occorre calcolare la potenza media considerando intervalli di tempo Δt infinitesimi, al limite tendenti a zero. In formule (gli esperti riconosceranno la definizione di derivata rispetto al tempo della funzione energia P = E(t)),

  (2)

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Energia sonora "catturata" da un ricevitore

L'energia irradiata da una sorgente sonora si propaga, a seconda della geometria della sorgente e del tipo di emissione, secondo direzioni ben definite. L'informazione relativa alle direzioni di propagazione dell'energia può essere ben rappresentata in termini di fronti d'onda i quali ricalcano la simmetria della sorgente. Si distinguono

 

si parla in questo caso di campo sonoro libero o sferico.

Tale situazione si verifica nel caso di sorgenti puntiformi (o comunque di dimensioni molto minori della lunghezza d'onda emessa) e di propagazione dell'onda in un mezzo libero da ostacoli ed isotropo (cioè con caratteristiche fisiche costanti in ogni direzione). In questo caso se calcoliamo il flusso di energia emessa (cioè l'energia che passa attraverso una area unitaria a distanza d dalla sorgente) essa dovrà decrescere come il quadrato della distanza dovendo attraversare superfici che invece crescono come il quadrato della distanza. Ricordiamo che la supeficie di una sfera di raggio d è data da

 

Se la sorgente sonora ha una simmetria cilindrica ci aspettiamo che il flusso di energia emessa decresca come l'inverso della distanza dovendo attraversare superfici la cui area aumenta linearmente con la distanza dalla sorgente. Ricordiamo che la superficie laterale di un cilindro di altezza h e raggio r vale

 

Se la sorgente sonora è piana il fronte d'onda è tale che il flusso di energia attraverso un piano parallelo alla sorgente rimane, se si eccettuano fenomeni di assorbimento nel mezzo, costante.

Essendo l'energia (e quindi il flusso) direttamente proporzionale al quadrato dell'ampiezza dell'onda ciò significa che anche l'ampiezza dell'oscillazione si smorza con l'aumentare della distanza della sorgente e questo indipendentemente dalla presenza di fenomeno di assorbimento.

Dipendenza del flusso di energia e dell'ampiezza dell'onda dalla distanza r dalla sorgente

 

tipo di onda flusso di energia ampiezza
sferiche

cilindriche

piane costante costante

La rapidità con cui il flusso di energia sonora decresce (o rimane costante) con l'aumentare della distanza ha importanti conseguenze:

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Fenomeni di assorbimento

 

Nelle situazioni reali, soprattutto in ambienti aperti o in ambienti chiusi sufficientemente ampi, non è più possibile trascurare la perdita di energia sonora dovuta alla sua parziale conversione in calore.

Tale conversione avviene nei processi di vibrazione delle molecole d'aria necessari per il trasferimento della perturbazione sonora ed è dovuta a forze di tipo viscoso che si oppongono allo scorrimento delle molecole del fluido nella direzione di propagazione dell'onda.

L'attenuazione del flusso di energia sonora dovuta all'assorbimento atmosferico può essere quantificata tramite un opportuno coefficiente numerico detto impedenza caratteristica. Esso è di solito proporzionale alla densità dell'aria e alla velocità del suono nel mezzo. In modo indiretto l'impedenza caratteristica dell'aria viene quindi a dipendere da tutti i fattori "meteorologici" in grado di modificarne la densità:

 

  1. dalle condizioni di umidità dell'aria (l'aria molto umida contiene un gran numero di molecole d'acqua che ne aumenta la massa molecolare media e quindi la densità).

  2. dalla temperatura dell'aria (il grande caldo non afoso, ha la grande proprietà di diminuire la densità dell’aria e quindi di diminuire la massa molecolare media per unità di volume).

  3. dalla frequenza dell'onda sonora. In particolare le onde a più elevata frequenza vengono assorbite con maggiore facilità. Un conseguenza spettacolare di tale fatto è la modifica del timbro dell'onda sonora emessa da un tuono quando viene percepita da lontano: la sua intensità sonora è debole a causa dell'attenuazione prodotta dalla distanza, ma soprattutto essa suona come un "rombo" costituita com'è da frequenza molto basse, le uniche sopravvissute all'assorbimento atmosferico.

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Bibliografia


Documentazione tratta da: http://fisicaondemusica.unimore.it

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