Cenni storici

L'acustica dalle origini ai tempi nostri

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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