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CAPITOLO 12Le onde e il suonoTabella 12.1 Velocità del suono inalcuni sostanze gassose, liquide esolideSostanzaVelocità(m/s)GasAria (a 0 °C) 331Aria (a 20 °C) 343Biossido di carbonio (a 0 °C) 259Elio (a 0 °C) 965Ossigeno (a 0 °C) 361LiquidiAcqua dolce (a 20 °C) 1482Acqua di mare (a 20 °C) 1522Alcol etilico (a 20 °C) 1162Cloroformio (a 20 °C) 1004Mercurio (a 20 °C) 1450SolidiAcciaio 5960Piombo 5010Rame 1960Vetro (Pyrex) 5640Il grafico mostra che la pressione è maggiore della pressione atmosferica nelle regionidi compressione e minore della pressione atmosferica nelle regioni di rarefazione.Il grafico mostra anche l’ampiezza della pressione, che è il valore massimo della differenzatra la pressione in una regione di compressione e il valore della pressioneatmosferica normale.Anche in questo caso osserviamo che l’ampiezza della pressionenon va confusa con l’ampiezza dell’onda.Le variazioni di pressione in un’onda sonora sono in genere molto piccole.Per esempio, in una normale conversazione tra due persone l’ampiezza della pressioneè di circa 3 10 2 Pa, ben minore della pressione atmosferica normale che èpari a 1,013 10 5 Pa.La caratteristica del suono che dipende dall’ampiezza della pressione è la suaintensità: tanto maggiore è l’ampiezza della pressione, tanto più forte è il suono.L’intensità di un suono è una caratteristica sia oggettiva sia soggettiva. Infatti l’ampiezzadella pressione può essere misurata con opportuni strumenti, ma uno stessosuono può essere percepito come più forte o più debole da persone diverse a secondadella sensibilità del loro apparato uditivo. La velocità del suonoCome mostra la tabella 12.1, il suono si propaga a velocità molto diverse nei gas,nei liquidi e nei solidi. A temperatura ambiente la velocità del suono nell’aria è di343 m/s (pari a circa 123018 km/h) ed è notevolmente maggiore nei liquidi e neisolidi. Per esempio, la velocità del suono nell’acqua è circa quattro volte maggioredi quella nell’aria e la sua velocità nell’acciaio è più di diciassette volte maggiore diquella nell’aria. In generale, il suono viaggia più lentamente nei gas, più velocementenei liquidi e ancora più velocemente nei solidi.12.5 L’intensità del suonoLe onde sonore trasportano energia che può essere usata per compiere lavoro, peresempio per far vibrare il timpano del nostro orecchio. La quantità di energia trasportatain un secondo da un’onda è chiamata potenza dell’onda e nel Sistema Internazionalesi misura in joule al secondo (J/s), cioè in watt (W). Intensità di un suonoQuando si allontana dalla sorgente che l’ha emessa, come l’altoparlante della figura12.19, un’onda sonora si propaga attraversando superfici di area sempre maggiore.Attraverso le superfici indicate in figura con 1 e 2 passa la stessa potenza, mal’intensità del suono è minore nella superficie più lontana.12Figura 12.19La potenza trasportata da un’ondasonora si propaga con l’onda dopoche è stata emessa dalla sorgente,che in questa figura è l’altoparlante.Perciò l’onda attraversaperpendicolarmente primala superficie 1 e poi la superficie 2che ha un’area maggiore. INTENSITÀ DI UN SUONOL’intensità di un suono I è definita come rapporto tra la potenza sonora media–P che attraversa perpendicolarmente una data superficie e l’area A della superficie:–PI —(12.5)AUnità di misura: watt al metro quadrato (W/m 2 ).340
Onda sferica uniforme I P(12.6)4πr 2 Figura 12.20CAPITOLO 12 Le onde e il suonoESEMPIO 3 Intensità di un suonoProblem solvingIntensità sonoraSuoni da un altoparlantee potenza sonoraL’altoparlante della figura 12.19 genera una potenza sonora di 12 10 5 W che L’intensità sonora I e la potenzasonora P sono due grandezzeattraversa perpendicolarmente le superfici indicate con 1 e 2, di area rispettivamenteA 1 4,0 m 2 e A 2 12 m 2 diverse e non vanno confuse. Sono.comunque due grandezze collegate, Calcola l’intensità del suono in ciascuna delle due superfici e spiega perché l’osservatoreperché la potenza sonora è uguale2 sente un suono più debole di quello che sente l’osservatore 1.all’intensità sonora per unità disuperficie.Ragionamento e soluzioneLe superfici 1 e 2 sono attraversate dalla stessa potenza, ma l’area della superficie2 è maggiore di quella della superficie 1, quindi l’intensità del suono nellasuperficie 2 è minore di quella nella superficie 1. Dall’equazione (12.5):Superficie 1–P 12 10I 1 WSorgente sonora 3,0 10 –5 W/m 24,0 m 2al centro della sferaA 1Superficie 2–P 12 10I 2 W 1,0 10 –5 W/m 2A 12 m 22L’orecchio di un osservatore, che ha sempre la stessa superficie, è attraversato dauna potenza minore dove l’intensità del suono (cioè la potenza sonora per unitàdi superficie) è minore. Quindi l’osservatore 2 sente un suono più debole.Se una sorgente emette onde sonore in modo uniforme in tutte le direzioni, l’intensitàsonora è legata alla distanza da una relazione molto semplice. La figura12.20 mostra una sorgente di questo tipo al centro di una sfera immaginaria (di cuiper chiarezza è rappresentata solo una metà) di raggio r. Poiché l’intera superficiesferica (di area A 4πr 2 ) è attraversata dalla stessa potenza P, l’intensità del suonoI in un punto a distanza r dalla sorgente è:Dall’equazione precedente si può vedere che l’intensità di un’onda sferica uniformeè inversamente proporzionale al quadrato della distanza dalla sorgente che l’haemessa. Per esempio, se la distanza raddoppia l’intensità del suono diventa un quarto:(1/2) 2 1/4.ESEMPIO 4 Onde sfericheFuochi d’artificioLa sorgente sonora al centro della sfera(di cui è rappresentata per chiarezzasolo una metà) emette onde sonoreuniformemente in tutte le direzioni.r 2r 121La figura 12.21 mostra l’esplosione di un fuoco d’artificio. Supponi che il suonogenerato dallo scoppio si propaghi uniformemente in tutte le direzioni e che il suonoriflesso dal suolo sia trascurabile. Quando il suono arriva all’osservatore 2, chesi trova a una distanza r 2 640 m dalla sorgente, la sua intensità è I 2 0,10 W/m 2 .Figura 12.21Se il suono prodotto dallo scoppiodi un fuoco d’artificio si propagauniformemente in tutte le direzioni,la sua intensità in un punto a distanzar dalla sorgente è I P/4r 2 , dove P è lapotenza sonora generata dallo scoppio.341
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