Quando la maggior parte delle persone sente la parola " onda", si immagina l'oceano: mareggiate, onde che si infrangono, forse anche un surfista che si distrugge in modo spettacolare. Ma nel mondo della musica e del suono le onde funzionano in modo diverso.

Questo non vuol dire che le onde oceaniche e le onde sonore non abbiano molto in comune. Entrambe si muovono nello spazio, trasportano energia e possono essere misurate in termini di dimensioni e velocità.

Naturalmente, la grande differenza è che le onde oceaniche viaggiano attraverso l'acqua, mentre le onde sonore si muovono attraverso l'aria (o qualsiasi materiale si trovi a passare). E mentre le onde oceaniche rendono il loro movimento facilmente visibile, le onde sonore sono un po' più complesse, lavorando nel regno microscopico.

Conoscere il comportamento di queste onde può essere incredibilmente utile per chiunque lavori con il suono, che si tratti di ingegneri audio, costruttori di studi o sviluppatori di trattamenti acustici. Vediamo quindi di spiegarlo nel modo più semplice possibile!

Che cos'è un'onda sonora?

In fondo, un'onda sonora è solo una vibrazione che si muove nell'aria (o nell'acqua, o in un solido. Il suono non è schizzinoso). È il motivo per cui sentiamo tutto, dalla musica alle voci, alle cose che accadono di notte!

Descriviamo le onde sonore in base ad alcune caratteristiche fondamentali, tra cui la velocità con cui si muovono (frequenza), la loro grandezza (ampiezza) e la loro variazione nel tempo. Ma prima di entrare nel merito, è importante capire che le onde sonore sono un tipo speciale di onde, chiamate onde longitudinali.

A differenza delle onde oceaniche, che si muovono in alto e in basso mentre viaggiano in avanti, un'onda longitudinale spinge e tira l'aria nella stessa direzione in cui viaggia.

Per immaginare il funzionamento di un'onda longitudinale, si pensi a una lunga fila di persone in piedi, spalla a spalla. Se la prima persona si sporge in avanti e urta la successiva, e questa fa lo stesso con la successiva, si ha una reazione a catena, proprio come le molecole d'aria che reagiscono a un suono. Questo movimento avanti e indietro è il motivo per cui il suono viene spesso definito un'onda di pressione.

Quando parliamo di onde sonore nella musica e nella vita di tutti i giorni, in realtà parliamo di onde di pressione sonora. Queste onde sonore rientrano nella gamma dell'udito umano, che va all'incirca da 20 Hz a 20.000 Hz. Al di sotto dei suoni percepiti dall'orecchio umano c'è la gamma degli infrasuoni, troppo bassi per essere uditi, ma utili per rilevare terremoti e seguire gli elefanti (sì, avete letto bene). Al di sopra della gamma dell'orecchio umano ci sono gli ultrasuoni, che utilizziamo per qualsiasi cosa, dall'imaging medico alla pulizia dei gioielli. Torneremo a parlarne tra poco.

Oltre alla musica, ci sono diversi settori in cui le onde sonore svolgono un ruolo importante. Esse svolgono qualsiasi funzione, da quella di aiutare i medici a vedere all'interno del corpo umano a quella di permettere ai sottomarini di navigare sott'acqua. Ma per noi musicisti e produttori, queste onde sono alla base di tutto ciò con cui lavoriamo e più le comprendiamo, più abbiamo il controllo sul nostro suono.

Quali sono i componenti di un'onda sonora?

Le onde sonore possono sembrare una magia nera, ma come qualsiasi altra cosa in fisica, seguono una serie di regole. Ogni suono che ascoltiamo ha caratteristiche specifiche che ne definiscono il comportamento, e ci sono una manciata di componenti chiave che danno forma alle onde sonore.

Frequenza

La frequenza è uno dei fattori principali che determinano il modo in cui ascoltiamo il suono. In parole povere, è la velocità di vibrazione di un'onda sonora. La misuriamo in hertz (Hz), che indica il numero di cicli dell'onda in un secondo.

Più veloce è la vibrazione, più alta è la frequenza. E la frequenza è ciò che determina l'altezza. Ad esempio, il do centrale di un pianoforte ha una frequenza di circa 261,6 Hz, il che significa che l'aria vibra a quella velocità al secondo per produrre la nota. Nel frattempo, una nota bassa potrebbe aggirarsi intorno ai 60 Hz, mentre un fischio penetrante può superare i 20.000 Hz (che, opportunamente, è il punto in cui l'udito umano si esaurisce).

Lunghezza d'onda

La lunghezza d'onda (λ) è la dimensione di un'onda sonora, in particolare la distanza percorsa in un ciclo completo. Se si congelasse un'onda sonora e la si stendesse davanti a sé, la lunghezza d'onda sarebbe la distanza tra un picco e l'altro.

C'è una formula semplice per capirlo:

λ=c/f

Ecco cosa significa:

• λ (lunghezza d'onda): La lunghezza di un ciclo completo dell'onda
• c (velocità del suono): La velocità con cui il suono si muove nell'aria (circa 343 metri al secondo a temperatura ambiente).
• f (frequenza): Velocità di vibrazione dell'onda, misurata in hertz.

Quindi, se avete un suono a 100 Hz, potete collegarlo:

λ = 343/100 = 3,43 metri

Ciò significa che l'onda è lunga più di 3 metri!

Ora, se lo confrontiamo con un suono a 1.000 Hz:

λ = 343/1000 = 0,343 metri

Come si può notare, le frequenze più alte hanno lunghezze d'onda più corte, motivo per cui i bassi (frequenze basse) si sentono grandi e ampi, mentre gli alti (frequenze alte) sono più focalizzati e direzionali.

Questo è anche il motivo per cui i suoni bassi possono attraversare le pareti, mentre quelli più acuti tendono a essere assorbiti o riflessi più facilmente.

Ampiezza

L'ampiezza rappresenta la potenza o il volume di un suono. È la parte di un'onda sonora che la rende forte o morbida. Più tecnicamente, rappresenta quanto le particelle d'aria vengono spinte dalla loro posizione di riposo quando un'onda sonora le attraversa. Più grande è il movimento, più forte è l'onda e più forte è il suono.

Pensate a questo: se picchiettate delicatamente un tamburo, l'aria si muove appena e si ottiene un suono silenzioso. Ma se si colpisce il tamburo con forza, l'aria si comprime e si espande in modo molto più marcato, creando un suono più forte.

Questa è l'ampiezza in azione.

In una forma d'onda, l'ampiezza è l'altezza dell'onda. Onde più alte significano un'ampiezza maggiore, che percepiamo come un volume maggiore. Le onde più piccole sono caratterizzate da un'ampiezza inferiore, che viene percepita come un suono più silenzioso.

Al di là del volume, tuttavia, l'ampiezza gioca anche un ruolo nel modo in cui il suono interagisce con lo spazio, come si sente fisicamente e persino come viene percepito emotivamente nella musica.

Velocità

Quando si parla di velocità del suono (e non di una delle migliori canzoni dei Coldplay), si intende la velocità con cui le onde sonore attraversano un mezzo. A differenza della luce, che sfreccia nello spazio a velocità difficilmente immaginabili, il suono ha bisogno di qualcosa attraverso cui viaggiare. Può trattarsi di aria, acqua, metallo, e così via. E a seconda di cosa sia quel qualcosa, la velocità del suono cambia.

Nell'aria (a temperatura ambiente), il suono si muove a circa 343 metri al secondo (1.125 piedi al secondo). Ma se si grida sott'acqua, il suono viaggia quattro volte più velocemente rispetto all'aria. E se si batte su un tubo di metallo, la vibrazione attraversa il metallo ancora più velocemente.

Allora, perché succede questo?

Dipende da quanto sono strette le molecole nei diversi materiali. Nei gas, come l'aria, le molecole sono piuttosto distribuite, quindi l'onda impiega più tempo a passare. Nei liquidi, le molecole sono più vicine tra loro, quindi il suono si muove più velocemente. Nei solidi, dove le molecole sono strettamente impacchettate, il suono si muove più velocemente.

Ecco perché se mettete l'orecchio contro i binari di un treno (non ve lo consiglio), sentirete un treno in arrivo molto prima che il suono vi raggiunga attraverso l'aria. È anche il motivo per cui il suono si comporta in modo diverso in ambienti diversi, come nel caso in cui la voce risulti stranamente ovattata in una fitta nebbia, poiché l'umidità extra nell'aria modifica la velocità e l'assorbimento delle onde sonore).

Intensità

Se l'ampiezza ci dice quanto è grande un'onda sonora, l'intensità ci dice quanto è forte. Più precisamente, l'intensità è la quantità di potenza trasportata da un'onda sonora per unità di superficie e si misura in watt per metro quadro (W/m²).

Pensate a una torcia elettrica. Una torcia poco potente diffonde una piccola quantità di energia in un'area, mentre una ad alta potenza emette una tonnellata di luce nello stesso spazio. Il suono funziona allo stesso modo. Più energia c'è in un'onda, più è intensa.

L'intensità è importante perché gioca un ruolo fondamentale nella percezione del volume. Mentre l'ampiezza ci dà l'altezza dell'onda, l'intensità ci dice quanta energia totale viene erogata. Un piccolo altoparlante e un impianto audio da stadio possono produrre la stessa ampiezza in un singolo punto, ma l'impianto da stadio distribuisce l'energia su un'area molto più ampia, rendendola molto più intensa.

Questo è anche il motivo per cui la distanza influisce sul volume del suono. Quando un'onda sonora si propaga, la sua intensità diminuisce perché l'energia viene distribuita su uno spazio più ampio. Ecco perché un concerto ha un suono assordante vicino agli altoparlanti, ma si attenua più ci si allontana.

Fase

La fase analizza la tempistica di un'onda. È il punto del ciclo di un'onda sonora in un determinato momento. Se si potesse congelare una forma d'onda e indicare un punto specifico su di essa, si identificherebbe la sua fase.

La fase si misura in gradi, con un ciclo d'onda completo di 360°. Un'onda a 0° o a 360° è al suo punto di partenza, mentre 180° significa che è a metà strada e si è capovolta.

Quando più onde sonore interagiscono, le loro fasi determinano se lavorano insieme o l' una contro l' altra.

Se due onde identiche sono in fase (allineate negli stessi punti), si rafforzano a vicenda, rendendo il suono più forte. Se invece sono sfasate, cioè il picco di un'onda si allinea con l'avvallamento di un'altra, si annullano parzialmente o completamente, riducendo o addirittura eliminando il suono.

La cancellazione di fase è la rovina di ogni tecnico audio. Per esempio, se avete mai registrato una batteria e avete notato che il rullante suona stranamente sottile, il colpevole potrebbe essere la cancellazione di fase tra i microfoni. È anche il motivo per cui l'inversione di fase in un mixer o in una DAW può talvolta riportare in vita un suono.

Abbiamo un intero blog sul perché la fase è importante nella musica che vi consiglio di consultare se volete saperne di più.

Diversi tipi di onde sonore in base alla propagazione

È importante notare che non tutte le onde sonore si muovono allo stesso modo. Sebbene tutte trasportino energia attraverso un mezzo, il modo in cui si propagano (termine di fantasia per indicare il modo in cui le onde sonore viaggiano) può essere diverso a seconda della situazione.

La propagazione è il modo in cui un'onda si muove nello spazio. Alcune onde spingono e tirano nella stessa direzione in cui viaggiano, mentre altre si muovono verso l'alto e verso il basso o si diffondono in schemi complessi.

Vediamo i principali tipi di onde sonore in base a come si muovono e perché sono importanti.

Onde longitudinali

Le onde longitudinali sono il formato preferito per le onde sonore nella vita quotidiana. Sono definite dal modo in cui si muovono. Le particelle d'aria vibrano avanti e indietro nella stessa direzione in cui viaggia l'onda.

Mi piace immaginare di spingere un'estremità di una molla in avanti e di tirarla indietro, per vedere le bobine che si raggruppano e si disperdono in alcune sezioni. In sostanza, le onde longitudinali si muovono attraverso aree di compressione (in cui le particelle vengono spinte insieme) e di rarefazione (in cui le particelle si allontanano). Questo ciclo costante di spinta e trazione è il modo in cui il suono si muove nell'aria e raggiunge le nostre orecchie.

Le onde longitudinali si sentono nell'aria e nell'acqua, poiché questi materiali non hanno la struttura necessaria per sostenere altri tipi di movimento ondulatorio. Ma esse viaggiano anche attraverso i solidi.

Poiché queste onde sono responsabili di quasi tutti i suoni che sentiamo, sono alla base di tutto ciò che è musica, dalla vibrazione di una corda di chitarra al tocco croccante di un hi-hat.

Onde trasversali

Le onde trasversali si muovono in modo leggermente diverso rispetto alle loro cugine longitudinali. Invece di far vibrare le particelle avanti e indietro nella stessa direzione dell'onda, le onde trasversali sono caratterizzate da un movimento perpendicolare al percorso dell'onda: ciò significa che l'energia si muove in avanti, ma le particelle si muovono in alto e in basso.

Un buon modo per immaginarlo è scuotere una corda. Se si tiene un'estremità e la si scuote su e giù, si vedranno le onde viaggiare lungo la corda, ma il materiale effettivo della corda si muove da un lato all'altro anziché lungo la lunghezza dell'onda. È così che si comportano le onde trasversali.

La differenza fondamentale è che le onde trasversali si verificano solo nei solidi. Questo perché i solidi hanno la struttura rigida necessaria per sostenere il movimento verso l'alto e verso il basso. I liquidi e i gas non hanno questo tipo di resistenza interna.

Anche se non fanno parte del modo in cui sentiamo il suono, le onde trasversali svolgono un ruolo fondamentale nella comprensione delle proprietà meccaniche dei materiali nel mondo che ci circonda. Si manifestano nell'attività sismica, nelle vibrazioni delle strutture solide e persino nella risonanza degli strumenti. Se avete mai sentito il corpo di una chitarra acustica vibrare quando suonate una nota, state sperimentando le onde trasversali in azione.

Onde di superficie

Le onde di superficie sono il meglio dei due mondi e combinano gli elementi delle onde longitudinali e trasversali. Invece di muoversi puramente avanti e indietro o su e giù, le onde di superficie creano un movimento più circolare o di rotolamento quando viaggiano lungo il confine tra due materiali diversi.

Tornando alle onde dell'oceano , quando un'onda rotola verso la riva, l'acqua si muove secondo uno schema ad anello. Le particelle vicino alla superficie viaggiano in cerchi più grandi, mentre quelle più in profondità si muovono meno. Lo stesso principio si applica alle onde di superficie in altri materiali, compresi alcuni casi in cui il suono interagisce con superfici solide.

L'aspetto fondamentale delle onde di superficie è che la loro energia diminuisce con la profondità. Più ci si allontana dalla superficie, più il movimento dell'onda si riduce. Questo è il motivo per cui i subacquei di profondità non sentono lo stesso movimento che sballotta le barche in alto.

Diversi tipi di onde sonore in base alla frequenza

Alcune onde sonore sono udibili, mentre altre sono completamente fuori dalla nostra portata. In base alla frequenza, le onde sonore si dividono in tre categorie principali:

• Onde sonore udibili: Sono le frequenze che gli esseri umani possono effettivamente sentire. Tutto ciò che va da 20 Hz a 20 kHz rientra in questa gamma. Con l'avanzare dell'età, il limite superiore tende a ridursi, ed è per questo che alcuni suoni ad alta frequenza sono percepiti solo da orecchie più giovani (probabilmente ricordate i vostri compagni di classe che suonavano quelle fastidiose applicazioni per zanzare in classe perché l'insegnante non riusciva a sentirle).
• Infrasuoni: Si tratta di frequenze bassissime, inferiori a 20Hz, troppo profonde per l'udito umano, ma comunque molto reali e potenti. Gli infrasuoni sono utilizzati per il rilevamento dei terremoti, per il monitoraggio dell'attività vulcanica e persino per la comunicazione tra animali. Gli elefanti, ad esempio, usano gli infrasuoni per "parlare" a grandi distanze. Alcuni ricercatori collegano gli infrasuoni anche a sensazioni di disagio, il che potrebbe spiegare quei momenti in cui "giuro di aver appena visto un fantasma".
• Ultrasuoni: Queste onde sonore ad alta frequenza, superiori a 20 kHz, sono al di là di ciò che gli esseri umani possono sentire, ma hanno tonnellate di applicazioni pratiche. Le immagini mediche (ecografie), la tecnologia sonar e persino alcuni deterrenti per i parassiti si basano sugli ultrasuoni. Alcuni animali, come i pipistrelli e i delfini, li usano per l'ecolocalizzazione, per "vedere" in modi che vanno oltre la nostra percezione.

Pensieri finali sulle onde sonore

Quindi, cosa si può fare con tutte queste nuove informazioni sulle onde sonore?

Tanto per cominciare, la comprensione delle onde sonore consente di avere un maggiore controllo sulla produzione musicale, sul mixaggio, sulla registrazione e persino sull'impostazione del suono dal vivo. Sia che stiate regolando un equalizzatore e cercando di capire la frequenza delle onde che sentite, sia che stiate posizionando i microfoni e cercando di evitare la fase, sapere come si muove il suono vi aiuta a fare scelte migliori.

Volete un esperimento divertente sulle onde sonore?

Provate a farlo: prendete un altoparlante, riproducete un'onda sinusoidale a bassa frequenza (circa 50-100 Hz) e avvicinate la mano. Sentite la vibrazione? Ora suonate un'onda sinusoidale ad alta frequenza (5.000 Hz o più). Notate come le vibrazioni si attenuano? Ecco la lunghezza d'onda e la frequenza in azione. Più bassa è la frequenza, più lunga è la lunghezza d'onda e più si muove nell'aria in modo da poter essere percepita fisicamente.

In fin dei conti, le onde sonore non sono solo parte di una scienza astratta. Danno forma a tutto ciò che sentiamo e percepiamo nella musica. E più le capite, più potete piegarle alla vostra volontà.