Le onde sonore sono onde di pressione che viaggiano attraverso la crosta terrestre, i corpi idrici e l’atmosfera. Le frequenze sonore naturali specificano gli attributi di frequenza delle onde sonore che indurranno efficacemente la vibrazione in un corpo (ad esempio, la membrana timpanica dell’orecchio) o che risultano naturalmente dalla vibrazione di quel corpo.
Le onde sonore sono create da un disturbo che poi si propaga attraverso un mezzo (ad esempio, crosta, acqua, aria). Le singole particelle non vengono trasmesse con l’onda, ma la propagazione dell’onda fa sì che le particelle (ad esempio, le singole molecole d’aria) oscillino intorno a una posizione di equilibrio.
Ogni oggetto ha una frequenza naturale di vibrazione unica. La vibrazione può essere indotta dalla perturbazione forzata diretta di un oggetto o dalla perturbazione forzata del mezzo in contatto con un oggetto (ad esempio l’aria o l’acqua circostante). Una volta eccitati, tutti questi vibratori (cioè i corpi vibranti) diventano generatori di onde sonore. Per esempio, quando una roccia cade, l’aria circostante e la crosta colpita subiscono oscillazioni sinusoidali e generano un’onda sonora.
I corpi vibranti possono anche assorbire onde sonore. I corpi vibranti possono, tuttavia, vibrare efficacemente solo a certe frequenze chiamate frequenze naturali di oscillazione. Nel caso di un diapason, se un’onda sonora sinusoidale viaggiante ha la stessa frequenza dell’onda sonora prodotta naturalmente dalle oscillazioni del diapason, l’onda di pressione viaggiante può indurre la vibrazione del diapason a quella particolare frequenza.
La risonanza meccanica si verifica con l’applicazione di una forza periodica alla stessa frequenza della frequenza naturale della vibrazione. Di conseguenza, quando le fluttuazioni di pressione in un’onda sonora risonante viaggiante colpiscono i rebbi della forchetta, i rebbi subiscono forze successive a intervalli appropriati per produrre la generazione del suono alla frequenza naturale di vibrazione o suono naturale. Se l’onda risonante itinerante continua ad esercitare una forza, l’ampiezza dell’oscillazione del diapason aumenterà e l’onda sonora emanata dal diapason diventerà più forte. Se le frequenze sono all’interno della gamma dell’udito umano, il suono sembrerà diventare più forte. I cantanti sono in grado di rompere il vetro cantando ad alta voce una nota alla frequenza di vibrazione naturale del vetro. Le vibrazioni indotte nel vetro possono diventare così forti che il vetro supera il suo limite elastico e si rompe. Fenomeni simili si verificano nelle formazioni rocciose.
Tutti gli oggetti hanno una frequenza naturale o un insieme di frequenze alle quali vibrano.
Le onde sonore possono potenziarsi o annullarsi secondo il principio di sovrapposizione e se sono in fase o fuori fase tra loro. Le onde di tutte le forme possono subire un’interferenza costruttiva o distruttiva. Le onde sonore mostrano anche spostamenti Doppler – un cambiamento apparente di frequenza dovuto al movimento relativo tra la fonte di emissione sonora e il punto di ricezione. Quando le onde sonore si muovono verso un osservatore, l’effetto Doppler sposta le frequenze osservate più in alto. Quando le onde sonore si allontanano da un osservatore l’effetto Doppler sposta le frequenze osservate più in basso. L’effetto Doppler è comunemente e facilmente osservabile nel passaggio di aerei, treni e automobili.
La velocità di propagazione di un’onda sonora dipende dalla densità del mezzo di trasmissione. Le condizioni atmosferiche (ad esempio, temperatura, pressione, umidità, ecc.) e alcune caratteristiche geofisiche e topografiche (ad esempio, montagne o colline) possono ostacolare la trasmissione del suono. L’alterazione delle onde sonore da parte delle condizioni meteorologiche comunemente incontrate è generalmente trascurabile, tranne quando le onde sonore si propagano su lunghe distanze o provengono da una sorgente ad alta frequenza. Nei casi estremi, le condizioni atmosferiche possono piegare o alterare la trasmissione delle onde sonore.
La velocità del suono attraverso un fluido – inclusi in questa definizione di “fluido” sono i gas atmosferici – dipende dalla temperatura e dalla densità del fluido. Le onde sonore viaggiano più velocemente a temperature più alte e densità del mezzo. Di conseguenza, in un’atmosfera standard, la velocità del suono (riflessa nel numero di Mach) diminuisce con l’aumentare dell’altitudine.
Le condizioni meteorologiche che creano strati d’aria a temperature drammaticamente diverse possono rifrangere le onde sonore.
La velocità del suono in acqua è circa quattro volte più veloce della velocità del suono in aria. Lo scandaglio SONAR del terreno oceanico è uno strumento comune degli oceanografi. Proprietà come la pressione, la temperatura e la salinità influenzano anche la velocità del suono nell’acqua.
Perché il suono viaggia così bene sott’acqua, molti biologi marini sostengono che l’introduzione del rumore prodotto dall’uomo (ad esempio, il rumore dei motori, la cavitazione delle eliche, ecc) negli oceani negli ultimi due secoli interferisce con i metodi di comunicazione sonora ben adattati in precedenza tra gli animali marini. Per esempio, è stato dimostrato che il rumore prodotto dall’uomo interferisce con le comunicazioni a lungo raggio delle balene. Anche se le implicazioni a lungo termine di questa interferenza non sono pienamente comprese, molti biologi marini temono che questa interferenza possa avere un impatto sull’accoppiamento delle balene e portare a ulteriori riduzioni della popolazione o all’estinzione.
Vedi anche Aerodinamica; Composizione e struttura atmosferica; Strati di inversione atmosferica; Spettro elettromagnetico; Trasformazioni di energia; Sismografo; Sismologia