Che relazione esiste tra effetto Doppler, udito e fonti sonore?

Ultimo aggiornamento 22 novembre 2023

L'effetto Doppler è un fenomeno fisico a cui assistiamo più spesso di quanto pensiamo nella vita di tutti i giorni. Lo avvertiamo in diversi ambiti, dalla percezione dei suoni a quella della luce, ma ha un ruolo importante anche in campo medico e ingegneristico.

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Che cos'è l'effetto Doppler?

Scoperto nel 1842 a Vienna da Christian Doppler, da cui prende il nome, l’effetto Doppler riguarda la percezione della frequenza di una emissione da parte di un osservatore fermo in un determinato punto quando la sorgente della frequenza o del rumore è in movimento.

L’effetto Doppler riguarda le onde sonore, che hanno bisogno di un mezzo materiale (l’aria) per propagarsi, e viene percepito come una variazione del tono del suono mentre si allontana o si avvicina alla sorgente; ma riguarda anche le onde elettromagnetiche, che non hanno invece bisogno di nessun mezzo per propagarsi.

L’effetto Doppler è importante in vari ambiti come medicina e navigazione, ma soprattutto in astrofisica e cosmologia: nel 1929, proprio grazie all’effetto Doppler, Hubble scoprì l’espansione dell’universo capendo che le galassie si allontanano da noi con una velocità proporzionale alla loro distanza.

L'effetto Doppler e la sua relazione con l'udito

L’effetto Doppler ha un impatto importante sulla nostra percezione uditiva. Innanzitutto, ci permette di capire se il suono è in movimento, se si sta avvicinando o allontanando e di conseguenza ci consente di reagire anche a situazioni di eventuale pericolo o semplicemente di lasciare passare un'ambulanza in corsa.

Come funziona il nostro udito?

L’udito è un senso davvero importante perché ci permette di vivere serenamente la nostra quotidianità. Un processo che sembra così semplice in realtà è composto da diversi organi che lavorano in sincrono per permetterci di sentire suoni e rumori.

Le onde sonore sono in sostanza vibrazioni che entrano dall’orecchio e innescano impulsi nervosi che il nostro cervello interpreta come suoni. Sono coinvolte tutte le parti dell’orecchio, sia esterno che interno.

Partendo dall’esterno, il padiglione auricolare e il condotto uditivo captano le onde sonore e le vibrazioni per trasmetterle all’orecchio medio grazie al timpano, che porta al movimento di martello, incudine e staffa. Questi, poi, toccano la coclea: le vibrazioni muovono il liquido che si trova all’interno di questo organo ma anche le cellule ciliate che lo contornano, attivando i ricettori nervosi e trasmettendo i segnali al cervello che li traduce e li interpreta permettendoci così di sentire.

I suoni che vengono percepiti dall’orecchio umano sono descritti da frequenza, che si misura in Hertz, e intensità, che si misura in decibel. Esistono dei suoni che però non possono essere percepiti da un essere umano ma che vengono avvertiti come vibrazioni piuttosto che suoni veri e propri. La percezione di persone con deficit uditivi, poi, è diversa da quella delle persone normo-udenti e normalmente si hanno difficoltà a sentire i suoi acuti.

In generale, anche se si pensa di avere delle buone capacità uditive, un controllo periodico dall’audioprotesista è sempre una buona idea per intervenire presto e arginare eventuali problemi grazie ad apparecchi acustici sempre più discreti e minimal.

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Come funziona l'effetto Doppler?

L’effetto Doppler è la variazione del suono che percepiamo quando una fonte prima si avvicina e poi si allontana. Immaginiamo di essere fermi in un determinato punto, mentre la sorgente del rumore è in movimento: la frequenza delle onde si riduce quando la fonte e l’osservatore si allontanano perché le onde percorrono uno spazio maggiore. Invece, se lo spazio tra sorgente e osservatore si riduce, la frequenza aumenta.

Una spiegazione semplice per capire l’effetto Doppler può essere data pensando a quando sentiamo il suono di una ambulanza che si avvicina: dapprima lo percepiamo flebile e man mano che si avvicina sentiamo che il suono si alza, ma in realtà sappiamo bene che la fonte del suono produce il rumore con la stessa intensità. L’effetto è praticamente lo stesso se è la sorgente a muoversi, oppure se lo è l’osservatore, o se invece sono entrambe ad essere in movimento.

Esempi di effetto Doppler nella vita quotidiana

Tutti i giorni ci possiamo rendere conto dell’influenza dell’effetto Doppler sui suoni che percepiamo: che si tratti di rumori che sentiamo quando siamo su una banchina di una stazione e un treno di passaggio emette un fischio di avvertimento, oppure quando sentiamo passare una ambulanza con la sirena accesa. In entrambi i casi, sia che siamo in movimento, sia che siamo fermi, percepiamo un cambiamento del suono che si avvicina, passa e si allontana.

Assistiamo da un lato al cambiamento dell’intensità del suono, più forte quando si avvicina, mentre diminuisce quando si allontana; ma varia anche la frequenza: più bassa quando è lontano, più alta quando si avvicina. A dare vita all’effetto Doppler è il cambiamento del tempo che il suono impiega per raggiungere l’osservatore.

La spiegazione è abbastanza semplice: quando la fonte del suono si avvicina all’osservatore, le onde sonore devono percorrere uno spazio inferiore e impiegano meno tempo a raggiungerci arrivando con una frequenza più alta perché in poco tempo percepiamo una quantità di onde sonore alta. Mentre quando la fonte del rumore si allontana, le onde devono percorrere più spazio rispetto a prima e la frequenza si riduce, portando ad un suono più grave.

Campi di applicazione dell'effetto Doppler

Le applicazioni dell’effetto Doppler sono varie e toccano ambiti diversi: si va dalla medicina alla musica, dal radar all’astronomia.

L’effetto Doppler in medicina è usato per misurare la velocità del flusso del sangue attraverso uno strumento, noto come Eco-doppler, che orienta una fonte di onde sonore (normalmente si tratta di ultrasuoni) poi rielaborate per capire la velocità.
Anche alcune forme di radar sfruttano l’effetto Doppler per misurare la velocità degli oggetti: un fascio è lanciato contro un oggetto in movimento, come ad esempio un’auto in corsa, e da lì viene calcolata la velocità. Lo stesso procedimento è usato per le previsioni meteo perché permette di individuare con precisione la distanza, la velocità e la direzione delle nuvole o dei fronti nuvolosi.
L’effetto Doppler è poi impiegato in astronomia, dove misura la velocità con cui le stelle e le galassie si avvicinano o si allontanano, oppure per capire la velocità di rotazione di stelle e galassie.
L’effetto Doppler può avere applicazioni anche in ambito informatico: attraverso il microfono del computer è possibile rilevare precisamente il movimento di una mano, grazie alle onde provocate dallo spostamento dell’aria. Il microfono può infatti diventare una sorta di controller, senza bisogno di usare particolari accorgimenti.

Tutti questi campi di applicazione hanno il medesimo funzionamento di base perché fondati sulla frequenza delle onde.

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