acustica
Supporto teorico
La risonanza

Da un punto di vista del tutto generale la risonanza è un fenomeno fisico che abbraccia diverse discipline (meccanica, fluidodinamica, costruzioni, acustica, elettronica); in alcuni casi è la causa principale del funzionamento di certi dispositivi, in altri può comportarne il disastroso collasso. Ad esempio, la sintonizzazione su una stazione radiofonica avviene sfruttando il fenomeno della risonanza in ambito dei circuiti elettrici. Dal lato opposto, è abbastanza nota la cronaca della colonna di soldati al passo che, attraversando un ponte, ne provocò il crollo. La struttura era infatti entrata in risonanza.

In ambito di acustica introduciamo questo fenomeno fisico attraverso la descrizione di due esperimenti. Nel primo esperimento si impiegano due corde tese di identica sezione e stesso materiale. Una delle due viene strofinata con un archetto, mentre sull'altra sono disposti a cavallo dei leggerissimi pezzetti di carta. I pezzetti di carta servono a mettere in evidenza le vibrazioni trasversali della corda.

Ora, facendo suonare la corda libera, sull'altra non si osserva nessuna vibrazione, fino a quando le due corde non sono messe nelle condizioni di emettere la stessa nota, il che avviene, per quanto visto, se risultano tirate con identica forza. L'aria, che trasporta l'onda di pressione che viene percepita come suono, riesce in questo caso a far nascere sulla corda non strofinata un'onda stazionaria. Per verificare che effettivamente l'altra corda stia suonando con la stessa nota della prima, anche se non strofinata, è sufficiente bloccare con la mano la corda libera. La corda non strofinata suona per risonanza.

Nel secondo esperimento si impiega un diapason e un lungo tubo, per esempio di vetro, chiuso a un'estremità tramite un pistone scorrevole, di modo che si possa variare la lunghezza della colonna d'aria entro di esso. Facendo suonare il diapason, lo strumento emette una nota di debole intensità. Accostandolo di volta in volta all'imboccatura del tubo per diverse lunghezze della colonna d'aria, si avverte in certe condizioni un marcato aumento dell'intensità del suono; il diapason ha eccitato uno degli armonici della colonna d'aria. In genere a “rispendere” è il modo fondamentale. Anche in questo caso si dice che l'aria è entrata in risonanza.

Dal secondo esperimento emerge che l'intensità del suono è incrementata dalla presenza di casse piene d'aria (casse sonore o casse di risonanza) opportunamente dimensionate. Sia una corda tesa che un diapason emettono suoni molto deboli per intensità. Ciò comporterebbe, per esempio, che il suono emesso da una corda di violino sarebbe udibile solo nelle immediate vicinanze dello strumento e non certo a parecchi metri di distanza. Se però si monta la corda sopra a una cassa piena d'aria è possibile sfruttare il fenomeno della risonanza per far udire bene la voce di uno strumento a corde in un raggio di parecchi metri.

per questo motivo che generalmente i diapason si trovano montati sopra una cassa di legno a un'estremità aperta (lo strumento si chiama "corista"). L'analisi del suono emesso dal diapason mette in luce che, accanto al primo armonico o modo fondamentale, vi è anche la presenza del sesto armonico e di armonici di ordine più elevato di fatto debolissimi. per questo motivo che si è detto essere il diapason una sorgente sonora pressoché pura, cioè di tipo armonico. Il diapason è a maggior ragione una sorgente armonica se montato su una cassa di risonanza a una solo lato chiuso. Si è visto infatti che nei tubi chiusi i soli armonici possibili sono quelli dispari, con la conseguenza che il sesto armonico non può essere amplificato dalla cassa. Ciò ha come risultato quello di "purificare" il suono finale.

Può sembrare strano che la cassa di risonanza produca un'amplificazione del suono, dato che l'energia disponibile è e rimane sempre quella del diapason o della corda in vibrazione. In effetti merita sottolineare che non si aumenta l'energia disponibile, ma l'efficienza con cui l'energia viene trasferita dal diapason o dalla corda all'aria circostante. Se non ci fosse la cassa di risonanza, questo trasferimento sarebbe molto esiguo e udremmo un suono molto debole per un tempo molto lungo.

Sul fenomeno della risonanza è basato un metodo per l'analisi della composizione del suono degli strumenti musicali, cioè delle onde sinusoidali che lo compongono, poiché si è visto che una nota emessa da uno strumento è una specie di “miscela” di varie armoniche, da cui il concetto di timbro. Tale metodo fu ideato nel XIX secolo da Hermann von Helmholtz e consiste in una serie di sfere cave (risuonatori di Helmoltz) dotate di due aperture diametralmente opposte. A una di queste si avvicina la sorgente sonora, all'altra l'orecchio. Se una delle frequenze della sorgente coincide con la frequenza propria dell'aria entro la sfera, il suono corrispondente risulta amplificato. Naturalmente la serie di risuonatori deve essere sufficientemente ampia per permettere una buona analisi dei suoni.