Tra i fenomeni tipici delle onde sonore si può certamente annoverare la rifrazione del suono, in cui le onde si piegano o si espandono, a seconda dei cambiamenti di velocità dell’onda stessa. La rifrazione non è un fenomeno che riguarda soltanto l’acustica, ma lo si può individuare anche in altre occasioni. Un esempio riguarda le onde marine, che approcciano la costa in modo parallelo alla spiaggia. Un altro è fornito dal motivo per cui le lenti di vetro possono essere utilizzate per incanalare delle onde luminose deboli in un unico punto. In normali circostanze, il sole riscalda la Terra che, a sua volta, trasferisce calore all’atmosfera. Spesso il fenomeno della rifrazione del suono è dovuto alla presenza del gradiente della temperatura dell’atmosfera. L’aria si raffredda più si sale di quota, seguendo i valori determinati dal gradiente termico verticale. Il gradiente termico verticale è un tasso che indica la variazione della temperatura dell’aria in relazione alla quota. Le onde sonore si propagano più velocemente nell’aria calda, risultando quindi più rapide se vicine al terreno. Per analizzare questo fenomeno ci viene in aiuto il Principio di Huygens. Semplificando la definizione delineata dal fisico olandese, l’onda sonora generata da una sorgente si propaga in modo sferico. Ogni punto dei vari fronti d’onda che si susseguono diventa una sorgente secondaria che genera a sua volta altre onde che presentano le medesime caratteristiche dell’onda originaria (il fronte d’onda è l’insieme dei punti che vibrano all’unisono al passaggio di una determinata onda). Il Principio di Huygens può essere esplicato con un semplice esempio. A volte ci capita di vedere un fulmine scendere dal cielo ma non siamo in grado di sentire il suono del tuono che lo segue. Questo si verifica a causa della rifrazione del suono e del Principio di Huygens: le onde sonore del tuono si rifrangono pesantemente in direzione verticale, creando una “zona d’ombra” in cui il rumore non viene udito. Tipicamente, questo particolare fenomeno si può notare a una distanza di circa 22,5 chilometri dal punto di caduta di un fulmine che si è originato a 4000 metri d’altezza.
Il fenomeno della rifrazione del suono può essere controllato inserendo alcuni elementi all’interno di un determinato ambiente. Le sale da concerto o quelle con grande capienza di persone richiedono una progettazione acustica accurata tale da raggiungere il corretto livello di riverberazione e di propagazione delle onde. In questi vasti ambienti, infatti, può sembrare apparentemente difficoltoso rendere nitido e comprensibile qualsiasi suono non amplificato prodotto da strumenti musicali o voci. La soluzione è data dagli specchi e dai deflettori, dei pannelli di legno di diverse forme che possiedono superfici lisce o ruvide, a seconda delle necessità. Questi elementi sono disposti in modo tale da direzionare e diffondere le onde sonore per consentire a tutti gli ascoltatori di udire perfettamente ed uniformemente i suoni emessi dalla fonte, indipendentemente dalla posizione in cui si trovano all’interno della stanza. L’effetto contrario, invece, è dato dai pannelli fonoassorbenti che al posto di riflettere il suono, lo assorbono. Questi materiali porosi sono spesso usati nei cinema in cui è necessario ridurre la riverberazione e i suoni indesiderati presenti data la potenza dei diffusori acustici al loro interno. Al fine di ottimizzare la rifrazione sonora, vengono usati soprattutto nei teatri degli specchi acustici curvi che, grazie al loro effetto-lente, propagano le onde acustiche in direzione del pubblico. Queste lenti acustiche sono costituite da vari strati di materiali sagomati; ciascuno di essi è responsabile della modifica sonora in relazione alla velocità di propagazione dell’onda, come avviene all’incirca per le rispettive lenti ottiche, in cui la lavorazione della lente determina la loro gradazione. Le lenti acustiche sono molto utilizzate per captare i segnali acustici all’interno dei sonar data la loro proprietà peculiare di amplificare e indirizzare il segnale. Un ulteriore impiego di questi utili dispositivi avviene all’interno del settore medicale, per esempio negli ultrasuoni per le ecografie.
Il fenomeno della rifrazione del suono, però, si può notare anche in svariate circostanze della nostra quotidianità. Per esempio, durante la notte o nel corso di giornate in cui il cielo risulta piuttosto coperto avviene un’inversione di temperatura. L’aria, infatti, risulta essere più calda più ci si eleva. In questo caso, la rifrazione del suono avviene nella direzione del suolo. Il fenomeno dell’inversione temperatura è la ragione per cui di notte le onde sonore possono essere udite più chiaramente da distanze maggiori. L’effetto è addirittura migliore se il suono viene propagato sull’acqua, consentendo ad esso di essere udibile in modo estremamente chiaro a grandi distanze.
La rifrazione del suono è un fenomeno maggiormente presente anche durante i giorni ventosi. Il vento, muovendosi più velocemente ad altezze maggiori, provoca un cambiamento nella velocità effettiva del suono in relazione alla distanza dal suolo. Un ulteriore esempio di rifrazione del suono è dato dagli oceani. In normali circostanze, la temperatura degli oceani diminuisce all’aumentare della profondità. Questo risulta nella rifrazione verso il basso dell’onda sonora generata sott’acqua (esattamente l’opposto del fenomeno descritto precedentemente quando ci si riferiva alla “zona d’ombra” creata dalla rifrazione verticale dell’onda sonora creata dal tuono). Secondo i biologi marini il fenomeno della rifrazione del suono negli oceani aumenta la propagazione delle onde sonore prodotte dai mammiferi marini come le balene e i delfini, aiutandoli a comunicare tra loro a distanze elevate.