La fisica del suono con Audacity

La fisica del suono è un argomento comunemente trattato nel secondo biennio del liceo scientifico. Tema affascinante poiché vicino al mondo della musica, può essere affrontato coinvolgendo la classe nella registrazione e analisi dei suoni più svariati utilizzando un software tipico di chi lavora in ambito radio-musicale: Audacity. Si tratta di un editor audio gratuito utile per registrare, riprodurre e modificare tracce audio. Grazie alla sua semplicità e immediatezza si rivela un valido strumento per spiegare e analizzare fenomeni relativi alle onde sonore: con Audacity è possibile sentire un suono e, contemporaneamente, visualizzarne la corrispondente forma d’onda. Nell’articolo descriviamo come utilizzare Audacity per esaminare le grandezze fondamentali del suono (altezza, intensità, timbro), riprodurre e analizzare il fenomeno dei battimenti e realizzare una misura della velocità del suono in aria.

Introduzione ad Audacity

È possibile scaricare il software direttamente dal sito. Una volta installato e aperto, lo schermo di Audacity presenta una serie di toolbar in alto (oltre alle voci di menu) e una zona centrale dedicata alla rappresentazione della forma d’onda del brano da editare. Se selezioniamo un brano dal nostro computer (File > Apri), il software visualizza la forma dell’onda dell’intero brano nella zona centrale della finestra del programma. Attraverso lo strumento “selezione” possiamo posizionarci nel punto desiderato della registrazione oppure selezionarne una parte; con lo zoom si può dilatare orizzontalmente l’intero brano (è possibile anche rimpicciolirlo, selezionando la lente con il meno).

Confronto tra altezze...

Come prima attività, proviamo a confrontare due onde di altezza differenza, ovvero con frequenze diverse. Il programma consente infatti di generare onde sonore sinusoidali della frequenza (e ampiezza) desiderata. Selezionando il comando Genera > Tono possiamo riprodurre due onde con frequenza differente – per esempio una da 440 Hz, l’altra da 880 Hz – e medesima ampiezza. Per visualizzarne in modo chiaro l’andamento, occorre ingrandirle con lo zoom. Per poterle ascoltare una alla volta, selezionare “Solo” nel menu a sinistra della forma d’onda: la traccia selezionata apparirà blu, l’altra, quella che non si sentirà, grigia.
È così possibile notare come onde con frequenze differenti vengano percepite dal nostro orecchio come suoni dalla diversa altezza. Può essere inoltre interessante variare la frequenza dell’onda sonora per determinare la soglia personale inferiore e superiore di udibilità del suono (per frequenze alte, se la sinusoide risulta poco pulita, aumentare la “frequenza del progetto” in basso a sinistra).

... e intensità

Possiamo anche vedere come due onde di ampiezza differente vengano percepite dal nostro orecchio come due suoni dal diverso volume. Sempre utilizzando il comando Genera > Tono è possibile modificare l’ampiezza dell’onda e notare la conseguente variazione in volume. Un altro modo per modificare l’ampiezza dell’onda è utilizzare il comando Effetti > Amplifica, dal menu in alto.

Valutare il timbro

Se ascoltiamo una stessa nota musicale emessa da due strumenti differenti, per esempio il La centrale emesso da un violino e quello emesso da un pianoforte, la sensazione che percepiamo è differente. Si dice che questi due suoni hanno un timbro diverso. Dal punto di vista fisico, il timbro dipende dalla forma dell’onda sonora, determinata dalla sovrapposizione delle onde sinusoidali caratterizzate dai suoni fondamentali e dai loro armonici. Crediamo possa essere interessante proporre ai ragazzi di registrare il suono di diversi strumenti musicali a una data frequenza, per confrontarne le forme d’onda.

Il fenomeno dei battimenti

Quando due onde, aventi la stessa ampiezza ma diversa frequenza (f1 e f2), interferiscono, si verifica il fenomeno dei battimenti: il volume dell’onda risultante aumenta e diminuisce, fino ad annullarsi, per poi tornare ad aumentare e nuovamente a diminuire, in modo periodico. La frequenza con cui si ripetono i momenti di silenzio, detta frequenza di battimento, coincide con il modulo della differenza delle frequenze delle onde iniziali: fb = |f1 – f2|. Per verificare tale proprietà, creiamo due onde sinusoidali con frequenze leggermente differenti (f1 = 440 Hz, f2 = 445 Hz) e stessa ampiezza (poiché le due onde saranno poi sommate, impostare una ampiezza _ 0,5 per evitare che l’onda risultante sia troncata) attraverso il comando Genera > Tono. Riproducendo in contemporanea il suono delle due tracce è ben udibile il fenomeno dei battimenti. È possibile creare la traccia somma delle due armoniche utilizzando il comando Tracce > Miscela e renderizza. Dal grafico risultante appare chiara la frequenza del battimento fb = |f1 – f2| = 5 Hz: l’inviluppo della funzione si annulla infatti ogni 0,2 s.

Misura della velocità del suono in aria

È possibile fornire una stima della misura della velocità del suono in aria utilizzando Audacity e un paio di cuffie auricolari (maggiore è la lunghezza del cavo, migliore risulterà la misura). Occorre inserire le cuffie nell’entrata del computer normalmente dedicata al microfono; in questo modo ogni singola cuffia è in grado di rilevare un segnale sonoro. Le cuffie devono quindi essere posizionate in modo che gli auricolari risultino distanti tra di loro e rivolti uno dietro all’altro, con le parti sensibili al suono orientate nello stesso verso. Ognuna delle cuffie registrerà singolarmente il suono percepito; producendo un rumore in prossimità di una delle due cuffie, la seconda lo registrerà con un ritardo temporale rispetto alla prima dovuto alla distanza spaziale tra esse. Nota la distanza tra le cuffie e il ritardo temporale, si ricava la velocità del suono in aria.
Si impostino computer e Audacity in modo da essere in grado di registrare due canali stereo (Modifica > Preferenze > Dispositivi > Canali: 2 Stereo). Può essere necessario modificare il livello di attivazione audio (Modifica > Registrazione > Livello di attivazione audio -60 dB). Un battito di mani o uno schiocco di dita è sufficiente per essere registrato dal programma. Per poter visualizzare nel dettaglio i segnali provenienti dalle due cuffie e misurare il loro spostamento temporale occorre ingrandire le tracce tramite Effetti > Amplifica. Nota la distanza tra le cuffiette e misurata la differenza temporale tra i segnali dei due auricolari, è quindi possibile fornire una stima della velocità del suono.

Abbiamo mostrato qualche possibile applicazione di Audacity alla didattica, ma crediamo possano essercene tante altre: cosa accadrebbe, per esempio, se registrassimo il suono di una sorgente posta su un carrellino in movimento? Buon lavoro a tutti!