Cenni storici
I
primi studi di acustica risalgono al VI secolo avanti Cristo con Pitagora, il
quale giunse a stabilire le relazioni esistenti fra la lunghezza delle corde
vibranti e l'altezza dei suoni e a introdurre una delle prime scale musicali.
Pitagora scoprì che un'ottava rappresenta un rapporto di frequenze di due a uno,
ed enunciò la legge che mette in relazione le armonie di note con i rapporti
numerici; egli considerava le note musicali come "numeri applicati",
contrapposti ai "numeri puri" propri dell'aritmetica.
Con
i Greci e poi con i Romani lo sviluppo dell'acustica architettonica raggiunse
traguardi notevoli con la definizione di una forma ottimale di teatro all'aperto
per un vasto auditorio.
Lo
studio dei meccanismi e delle proprietà fisiche del suono, tuttavia, ha assunto
un carattere scientifico e sistematico soltanto a partire dal XVII secolo, con
le ricerche di Galileo. Nella sua opera "Discorsi e dimostrazioni matematiche
intorno a due nuove scienze attinenti alla meccanica", egli enunciò la relazione
tra altezza e frequenza, le leggi dell'armonia e della dissonanza, e diede
inoltre una spiegazione teorica di come la frequenza naturale di vibrazione di
una corda tesa dipenda dalla lunghezza, dal peso e dalla tensione della corda.
Nel
1660, lo scienziato Robert Boyle dimostrò la necessità di un mezzo, solido,
liquido o gassoso, per la propagazione dei suoni. Egli sospese una campana in un
contenitore chiuso in cui era stato praticato il vuoto, e mostrò che, nonostante
la campana venisse sollecitata, non si avvertiva alcun suono.
La
trattazione matematica della teoria del suono fu iniziata da Isaac Newton che,
nella sua opera "I principi matematici della filosofia naturale" del 1687
dimostrò come la propagazione del suono attraverso qualunque fluido dipendesse
solo da proprietà misurabili, come elasticità e densità, e calcolò la velocità
del suono nell'aria.
Contemporaneamente alla ripresa degli studi di acustica, i teorici cominciarono
a sviluppare la teoria matematica delle onde, necessaria per la trattazione non
solo dell'acustica, ma anche di gran parte della fisica.
I
matematici Jean-Baptiste le Rond d'Alembert, Giuseppe Luigi Lagrange, Johann
Bernoulli ed Eulero si dedicarono allo studio di proprietà quali l'altezza e il
timbro di suoni prodotti da particolari strumenti, nonché allo studio del
meccanismo di trasmissione del suono in diversi mezzi. L'analisi di un'onda
periodica complessa nelle sue componenti spettrali, effettuata dal matematico
francese Jean-Baptiste Fourier (1768-1830), costituisce oggi uno strumento
indispensabile non solo in acustica, ma in moltissime altre branche della
fisica.
Sempre nel XVIII secolo si ebbero le prime ipotesi sul fenomeno dei battimenti,
già noto ai costruttori d'organo, particolare fenomeno che avviene in presenza
di due suoni di frequenza poco diversa. Sauver (1653--1716) ne attribuì la causa
alle concordanze fra le vibrazioni del primo suono e quelle del secondo per cui
il suono udito dovuto ai battimenti ha frequenza pari alla differenza fra le
frequenze dei due suoni.
Il
XIX secolo fu un periodo di conquiste e progressi nel campo dell’acustica. Alla
prima misura accurata della velocità di propagazione del suono in acqua,
effettuata nel 1826 dal matematico francese Jacques Sturm, seguirono numerosi
esperimenti, eseguiti mediante strumenti come lo stetoscopio e la sirena, che
portarono alla determinazione della legge fondamentale secondo cui la velocità
di propagazione del suono dipende dalla densità e dall'elasticità del mezzo, ma
non dalla frequenza dell'onda.
Nello studio di un altro carattere del suono, il timbro, i maggiori contributi
si devono a Helmholtz che ideò i risuonatori per poter analizzare le componenti
semplici di un qualsiasi suono e costruì uno strumento per visualizzare come il
diverso timbro di due suoni della stessa frequenza sia dovuto alle diverse
armoniche presenti.
Nello studio ottico dei suoni furono importanti anche le esperienze di Lissajous,
in particolare, le famose figure di Lissajous, ottenute in una camera oscura,
attraverso l'introduzione di un fascio di luce solare concentrato da una lente;
il fascio veniva riflesso due volte da specchietti montati su due diapason posti
perpendicolarmente, e andava infine ad impressionare una lastra fotografica che
visualizzava figure illustranti la sovrapposizione di due moti armonici fra loro
perpendicolari.
Le
proprietà delle lamine di vibrare all'unisono con i corpi posti in loro
vicinanza permise la realizzazione del telefono, del fonografo e del microfono.
Il telefono fu inventato da Antonio Meucci (1808--1889) nel 1849 ma fu reso noto
solo anni più tardi (1872). Le ristrettezze economiche in cui Meucci versava non
gli permisero di mantenere il brevetto; nel frattempo Graham Bell inventò un
apparecchio simile che ebbe invece un grandissimo successo all'esposizione di
Filadelfia del 1876 e giunse poi in Europa introdotto da William Thomson.
Hunghes inventò il microfono che fu subito utilizzato nel telefono di Bell. Il
fonografo di Edison fu utilizzato per registrare e riprodurre suoni e venne poi
sostituito dal grammofono.
Nel
XX secolo i fisici poterono disporre di strumenti che resero lo studio
quantitativo del suono semplice e accurato. Mediante oscillatori elettronici,
oggi si possono infatti produrre elettronicamente onde di qualunque tipo, che
possono poi essere convertite in suoni per via elettromagnetica o
piezoelettrica. Al contrario, è possibile, per mezzo di un microfono, convertire
i suoni in correnti elettriche che poi possono essere amplificate
elettronicamente e analizzate da un oscilloscopio a raggi catodici.
Infine, grazie alla più recente tecnologia è possibile la registrazione e la
riproduzione del suono ad alta fedeltà con concreti vantaggi nell'esperienza
quotidiana di tutti noi. Pensiamo, ad esempio, alla qualità sonora degli attuali
home theatre o, più semplicemente, della riproduzione musicale da formati audio
MP3.
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