Secondo il principio della risonanza di Helmholtz l'aria presente all'interno di una cavità può iniziare a vibrare in modo continuo e con una frequenza ben precisa (generando quindi un'onda acustica) se viene adeguatamente eccitata.
Hermann von Helmholtz
(fisico tedesco nato nel 1821 a Potsdam, immagine tratta da Wikipedia)
Ecco qui alcuni esempi di fenomeni quotidiani in cui si può manifestare un fenomeno di risonanza di una massa d'aria presente all'interno di una cavità:
- soffiando delicatamente sul collo di una bottiglia vuota (o semi-vuota) o sull'imboccatura di una cannuccia si produce un suono che può essere un fischio nel caso di risuonatori piccoli o una nota più flautata nel caso di oggetti più grandi
- quando si riempie gradualmente una bottiglia vuota con dell'acqua ad esempio utilizzando la cannella di una fontana si può udire un "suono" che diventa sempre più acuto mano a mano che la bottiglia si riempie, fino a scomparire quando la bottiglia è completamente piena: la frequenza del suono varia, generando una nota sempre più acuta, perché via via che la bottiglia si riempie la quantità d'aria nella bottiglia diminuisce e quindi diminuiscono le dimensioni del risuonatore
- quando si sta viaggiando in automobile e tutti i finestrini sono chiusi eccetto uno che magari è aperto per metà e si verificano determinate condizioni di velocità e di pressione si può improvvisamente iniziare a udire una strana e fastidiosa oscillazione all'interno dell'abitacolo, una sorta di pulsazione che altro non è che un'onda sonora avente frequenza molto bassa (2 - 10 Hz)
In tutti questi casi si genera un'onda acustica il cui valore di frequenza di oscillazione è legato alle dimensioni, alla geometria della cavità risonante e alla modalità di eccitazione della massa d'aria.
La frequenza di risonanza di un risuonatore perfetto di Helmholtz può essere determinata con la formula seguente:
dove: v è la velocità del suono nell'aria (m/s)
A l'area della sezione trasversale dell'imboccatura della cavità (m²)
L è la lunghezza dell'imboccatura della cavità (m)
V è il volume della cavità (m³)
Costruendo una serie di oggetti cavi di varie dimensioni è quindi possibile costruire uno strumento musicale aerofono che copra tutto l'intervallo di note desiderato.
Per quanto riguarda la modalità di eccitazione della cavità risonante, nel caso delle canne d'organo ad anima è necessario che le stesse siano dotate di una struttura geometrica appositamente progettata allo scopo: questa è la bocca della canna.