Cosa sono i treni di onde acustiche? Sono soggetti ad interferenza? In quali condizioni essa si può verificare?

Si definisce treno d’onde (di qualsiasi genere) un impulso di durata pari a
qualche periodo, cosicché una eventuale rappresentazione grafica può
rappresentare il treno come un insieme di oscillazioni con alcuni massimi ed
alcuni minimi. Un treno d’onde è detto anche pacchetto d’onde; nel caso di onde acustiche si usa anche il termine “burst”. Tali
impulsi vengono ad esempio utilizzati da sistemi di rilevamento come sonar,
sodar, RASS, ecc.

Nel caso di onde elastiche si possono facilmente
immaginare onde non sinusoidali, poiché in base al principio di sovrapposizione
una qualsiasi funzione periodica si può pensare come sovrapposizione di più (in
realtà infinite) onde sinusoidali di frequenze ed ampiezze diverse. Dalla risoluzione dell’equazione delle onde di pressione in
aria si dimostra che le velocità di propagazione delle onde elastiche non dipende dalla frequenza (come invece le onde elettromagnetiche), e la forma del treno d’onda si
conserva durante la propagazione; questo fenomeno è indicato come non dispersione delle onde. È interessante notare che dall’orecchio umano
la forma del treno d’onda viene percepito come il timbro, mentre la
frequenza (o, equivalentemente, la lunghezza d’onda o il periodo) è responsabile
dell’altezza del suono. È a causa della non dispersione che possiamo udire i suoni con lo stesso timbro a tutte le distanze, in quanto la forma del pacchetto resta costante durante la propagazione. Altrimenti gli spettatori nelle prime file di un auditorium ascolterebbero un suono diverso dagli spettatori delle ultime file!
Si accenna solamente, invece, al fatto che
fisicamente un treno d’onde di durata finita non può essere considerato “puro”,
cioè composto da una sola frequenza, ma composto da un insieme di frequenze
tanto più grande quanto più breve è l’impulso (analisi armonica o di Fourier).
Un burst formato da una sola oscillazione, infatti, risulta essere composto da
un grande spettro di frequenze anche se quell’impulso ha forma puramente
sinusoidale!
In figura 1 sono illustrati tre treni d’onde sinusoidali di
diversa frequenza composti da una, tre e dieci cicli. La durata totale dei tre
bursts è la stessa.

Fig. 1: Treni d’onde di uno, tre e dieci cicli sinusoidali.

Per quanto riguarda l’interferenza, ogni onda
meccanica è soggetta ad interferire con altre eventuali onde, per cui un
qualsiasi treno d’onde può interferire con un altro e con se stesso.
Per
fare qualche esempio, è su questo fenomeno che si basano molti sistemi di
attenuazione del rumore, ad esempio i silenziatori delle marmitte che, essendo
composti da molte camere simili, fanno sì che le riflessioni dei suoni
all’interno interferiscano distruttivamente.
Alcuni assorbitori per studi
fonografici, che devono essere efficienti in un largo intervallo di lunghezze
d’onda, sono addirittura disegnati con geometria frattale per indurre
l’interferenza a tutte le frequenze.
Un’altra conseguenza dell’interferenza
delle onde acustiche con se stesse è il cosiddetto “effetto pettine”, che si
manifesta come una notevole alterazione del suono registrato da un microfono
posto vicino ad una parete riflettente. A causa dell’interferenza del treno
d’onde che giunge direttamente al microfono con quello riflesso dal muro, alcune
frequenze interferiranno costruttivamente ed altre distruttivamente, così che in
un diagramma ampiezza-frequenza, quello che registra il microfono ha l’aspetto
di un pettine. In figura 2 sono rappresentati i diversi percorsi che possono
giungere al microfono dando luogo all’interferenza. La differenza di cammino fa
sì che solo per determinate lunghezze d’onda si avrà la sovrapposizione dei due
massimi delle onde, mentre per altre si avrà il massimo di una con il minimo di
un’altra con la soppressione di quella particolare frequenza. Data la natura
periodica delle oscillazioni, a frequenze multiple tra di loro si avranno
effetti simili.
Per altri dettagli sull’effetto pettine vedere ad
esempio:
http://www.wilsonaudio.com/technotes/roomacoustics.shtml
(in inglese).

Infine, un accenno al sistema di soppressione dei rumori
tentato in alcune automobili con la tecnica dell’emissione di un suono con la
stessa forma di quello generato dal motore e da altre componenti (rilevato
elettronicamente istante per istante), ma con ampiezza invertita, così da
generare soltanto interferenza distruttiva all’interno dell’abitacolo. Non so se
funzioni davvero, infatti l’interferenza, come emerge da quanto osservato prima,
ha carattere sostanzialmente locale.