Impedenza acustica

L’impedenza acustica è una proprietà intensiva correlata alla resistenza alla propagazione delle onde ultrasoniche attraverso un mezzo. Come l’impedenza elettrica o resistenza elettrica, l’impedenza acustica è una misura della facilità con cui un’onda sonora si propaga attraverso un particolare mezzo. Maggiore è l’impedenza, più difficile sarà per il suono passare attraverso un materiale mentre un’impedenza inferiore significa che il suono può viaggiare con relativa facilità. Tuttavia, a differenza dell’impedenza elettrica, che spesso è costante per un dato materiale, può cambiare in base alla frequenza.

L’impedenza acustica è una grandezza importante perché determina il modo in cui le onde sonore interagiscono con i diversi materiali aiutando a comprendere e prevedere la trasmissione, la riflessione e l’assorbimento del suono.

Questa conoscenza è fondamentale in campi come l’ingegneria audio, l’imaging medico e l’acustica subacquea, poiché consente la progettazione di sistemi efficaci e il miglioramento della qualità del suono. L’impedenza acustica è influenzata da due fattori principali ovvero la densità del mezzo e la velocità del suono all’interno di quel mezzo.

La densità si riferisce alla massa del mezzo per unità di volume, con materiali più densi che generalmente hanno impedenze acustiche più elevate perché i mezzi più densi forniscono maggiore resistenza al passaggio delle onde sonore. Anche la velocità del suono all’interno del mezzo gioca un ruolo cruciale. Il suono viaggia più velocemente nei mezzi più densi, come i solidi, e più lentamente nei mezzi meno densi, come i gas. Pertanto, i materiali con un’elevata velocità del suono, come l’acciaio o l’acqua, hanno tipicamente impedenze acustiche più elevate.

L’impedenza acustica indica quanta pressione sonora viene generata dalla vibrazione delle molecole di un particolare mezzo acustico ad una data frequenza e può essere una caratteristica del mezzo. Per questi motivi trova applicazioni nei campi più svariati come, ad esempio, unitamente all’impedenza di taglio, la densità, la porosità, il modulo di Young, il modulo di taglio e il modulo di massa, per conoscere le proprietà di una roccia e le strutture nel sottosuolo.

Impedenza acustica e equazioni

L’impedenza acustica è pari al rapporto fra la pressione sonora p ovvero la deviazione della pressione locale dalla pressione atmosferica dell’ambiente, causata da un’onda sonora e la portata volumetrica acustica U ovvero il volume di fluido che passa nell’unità di tempo.

Poiché la pressione sonora si misura in Pa e la portata volumetrica si misura in m³/s l’impedenza acustica Z, data da:
Z = p/U
ha come unità di misura Pa·s/m³. L’impedenza acustica specifica z è data dal il rapporto tra la pressione sonora e la velocità delle particelle del mezzo messe in vibrazione dall’onda sonora che lo attraversa e ha, come unità di misura, Pa·s/m.

Nel sistema MKS si usa dare, come unità di misura di z, il rayl che equivale a 1 pascal per secondo al metro, così chiamata in onore del fisico britannico Lord Rayleigh. L’impedenza acustica specifica, proprietà caratteristica del mezzo e del tipo di onda che si propaga, può anche essere espressa come z= ρv dove ρ è la densità e v la velocità del suono nel mezzo.

Per l’aria, la densità ρ è pari a 1.2 kg/m³ e v è 343 m/s , quindi z per l’aria è 420 kg ·s⁻¹· m⁻² = 420 Pa·s·m ⁻¹ . I valori  di z per le fasi condensate sono generalmente molto più alti di quelli dei gas. Per l’acqua, la densità è 1000 kg/m³ e v è 1480 m/s, quindi z per l’acqua è 1.48 MPa·s·m ⁻¹.

In sintesi:
Z = pressione sonora/ portata volumetrica acustica
z = pressione/velocità delle particelle

Materiali

I materiali con elevata impedenza acustica includono metalli come acciaio e ottone, nonché acqua e ossa umane. Questi materiali hanno una densità maggiore e quindi offrono maggiore resistenza al passaggio delle onde sonore.

Ad esempio, l’acciaio ha un’impedenza acustica molto elevata grazie alla sua elevata densità e velocità del suono. Questo è il motivo per cui il suono viaggia più velocemente nell’acciaio che nell’aria, ma anche perché viene trasmessa meno energia dell’onda sonora quando colpisce una barriera d’acciaio. Il resto dell’energia viene riflesso o assorbito all’interno del materiale, determinando una diminuzione del suono dall’altra parte.

Quando le onde sonore incontrano un materiale con un’elevata impedenza acustica, incontrano una maggiore resistenza, che può smorzare o ridurre l’intensità del suono. Questa interazione tra le onde sonore e i materiali in base alla loro impedenza acustica è fondamentale per ottimizzare le prestazioni dei sistemi audio, come gli altoparlanti, per ottenere la qualità del suono desiderata ma è utilizzata nella diagnostica medica ed in particolare nelle ecografie.