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Aprendé algo de acústica

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Una de las muchas cosas acerca de las que mi profesión me obliga a tener ciertos conocimientos es la acústica, y es por eso que se me ocurrió hacer un post para compartir con la comunidad algunos conocimientos básicos acerca del origen, características y forma de propagación del sonido. Empecemos entonces, con algunas nociones fundamentales de acústica.
Aprendé algo de acústica


SONIDO: NATURALEZA, PROPAGACIÓN, VELOCIDAD, CONCEPTO DE ONDA SONORA

Puede definirse el sonido como la sensación auditiva producida por una vibración en un medio elástico. Este fenómeno vibratorio originado a partir de una perturbación, se propaga en ese medio elástico (sólido, líquido o gaseoso) bajo la forma de una variación periódica de presión que se denomina comúnmente onda sonora.
En la figura I-1, pueden observarse las posiciones de las moléculas cuando el medio es atravesado por una onda.
sonido

Si esta perturbación tiene lugar en el aire el sonido representa una vibración longitudinal, es decir, sus partículas se mueven en la misma dirección en que se propaga la onda sonora. Esta onda sonora se caracteriza por una sucesión periódica de compresiones y expansiones en el tiempo y en el espacio.
La longitud de onda (λ) representa la distancia entre dos picos de compresión consecutivos o dos valles de
expansión, también consecutivos, (ver figura I-1). Se denomina ciclo al desplazamiento completo de la partícula (figura I-2).
acustica

La frecuencia representa el número de ciclos que se producen en la unidad de tiempo. La unidad correspondiente es [ciclos/seg] o su equivalente Hertz = Hz.
El período es la inversa de la frecuencia y representa el tiempo que demora el sonido en cumplir un ciclo, [seg/ciclo].
La velocidad de propagación de las ondas sonoras involucra el desplazamiento de las moléculas del medio elástico en el cual se propaga. Dicha velocidad depende en mayor medida de la temperatura y la presión, en definitiva de la densidad (?) y fundamentalmente del módulo de elasticidad (Ey) del medio. La frecuencia influye muy poco en la velocidad del sonido.
La velocidad de propagación en cada medio puede calcularse por medio de la siguiente expresión:

C = Kte ρ Ey /ρ


en donde:
C = Velocidad del sonido en [m/s]
K = Constante de proporcionalidad
teE = Módulo de elasticidad [Nw/m2]
yρ = Densidad [Kg/m3]
Para un temperatura normal de 20°C, puede adoptarse para el aire una C = 340 m/s.


CARACTERISTICAS FISICAS DE LOS SONIDOS

En la onda acústica aérea caracterizada por un sucesión de expansiones y compresiones, tal como se indicara anteriormente, pueden definirse las siguientes características físicas, algunas de ellas ya mencionadas:

a) Frecuencia (f): Cantidad de pulsaciones o ciclos de un onda acústica senoidal que se produce en la unidad de tiempo. Esta última equivale a 1 segundo. Su unidad: [ciclos/seg], siendo [1 Hertz] = [1ciclo/1seg].

b) Ciclo: Secuencia completa de valores de una cantidad que se repite periódicamente.

c) Período (T): Tiempo en segundos que demora el sonido en realizar un ciclo completo. En consecuencia, el período es la inversa de la frecuencia (f) luego,
timbre

d) Amplitud de Onda (Av): Es el desplazamiento máximo que experimenta una partícula en vibración. La amplitud de la onda sonora es proporcional al nivel sonoro que produce. La amplitud de vibración (Av) puede obtenerse de la siguiente expresión:
frecuencia

en donde:
Cp = Velocidad de la partícula. 2πf = Frecuencia angular de esa vibración.
Gráficamente puede observase el valor de la amplitud, en la figura I-3.
armonico

e) Longitud de onda (λ): Representa la distancia en metros, que recorre una onda sonora en el tiempo de un período. Físicamente es la distancia entre dos crestas de onda. La relación entre longitud de onda (?), frecuencia (f) y velocidad del sonido (C) está dada por la siguiente expresión:
Longitud de Onda

f) Frecuencia fundamental: Es la frecuencia de la onda senoidal, componente de una onda acústica compleja en donde su presión acústica frente a las restantes componentes es máxima. A esta onda se la llama fundamental o primer armónico (ver figura I-4).
ondas sonoras

g) Armónico: El armónico de otro sonido dado es aquel que tiene una frecuencia múltiplo del dado (ver figura I-4). Así por ejemplo si un sonido duplica en frecuencia a otro se lo denomina segundo armónico, si tiene el triple tercer armónico, etc.

h) Octava: Se denomina así al intervalo de frecuencia tal que su extremo superior es el doble que el inferior, es decir:
presion sonora

Y la frecuencia central (fc) es igual a:
intensidad acustica

Las frecuencias medias de análisis normalizadas en octava son: 16, 31.5, 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 y 16000 Hz.

i) Tercio de octava: Es cada uno de los tres intervalos en que se divide una octava. Sus frecuencias de corte quedan relacionadas por la siguiente expresión:
altura del sonido

j) Bandas de frecuencia: Consisten en dividir las frecuencias en zonas o bandas, para realizar el estudio de los niveles sonoros en cada una de ellas. En acústica edilicia pueden definirse tres zonas o bandas de frecuencias:
Aprendé algo de acústica



ESPECTROS DE FRECUENCIAS

Consisten en la representación de la distribución de la energía sonora en función de las frecuencias que los componen (Fig. I-5):
sonido

Los espectros se realizan con analizadores de frecuencia que permiten considerar cada una de las frecuencias puras que componen el sonido o el ruido.


ONDA ACÚSTICA AÉREA

Está dada por la vibración del aire, caracterizada por una sucesión periódica, espacial y temporal, de expansiones y compresiones.
Representa el lugar geométrico de todos los puntos que están en el mismo estado de vibración. La vibración en el aire es longitudinal, lo que significa que las partículas alcanzadas por ella se mueven en la misma dirección en que avanza la onda sonora.
En cualquier medio elástico homogéneo el sonido se propaga en todas direcciones formando un campo acústico esféric (figura I-6), en donde la presión sonora en un punto disminuye en función del cuadrado de la distancia del mismo ala fuente sonora.
acustica

La presión sonora (P) en un punto representa la diferencia entre la presión sonora total instantánea en dicho punto bajo la influencia de la onda acústica y la presión estática en el mismo punto. Las unidades de la presión sonora en un punto son: [Kg/cm2], [Kp/cm2 ] ó .
Debe recordarse que la presión atmosférica es del orden de 105 Pascal, siendo:
1 Pascal (Pa) = 1 N/m2 = 10 dyn/cm2 = 10 μbar = 9,85 x 10-6 atm
En la onda acústica los aumentos de presión se denominan "compresiones" y las disminuciones se denominan "expansiones" o "rarefacciones". (figura I-7).
timbre



TIPOS DE ONDAS

Pueden establecerse dos grandes tipo de ondas según la dirección de la propagación del sonido y el movimiento de las partículas:

a) Ondas longitudinales: Son aquellas en las que el movimiento de las partículas tiene lugar en la misma dirección que la propagación. Este tipo de ondas puede producirse en cualquiera de los estados del medio elástico: sólido, líquido o gaseoso.

b) Ondas Transversales: Son aquellas en las que el movimiento de las partículas es perpendicular a la dirección de propagación del sonido. Este tipo de ondas sólo puede producirse en los sólidos.


CARACTERISTICAS PSICOFISICAS DEL SONIDO

Son tres las características psicofísicas del sonido:
a) Intensidad b) Altura o tono c) Timbre

Cuyas variables físicas son respectivamente:
a) Amplitud b) Frecuencia c) Forma de Onda

Tal como se indica en la figura I-11.
frecuencia


a) Intensidad Acústica (I)
Puede definirse como la energía que atraviesa en la unidad de tiempo, una superficie unitaria perpendicular a la dirección de propagación de las ondas.
Esta característica permite distinguir los sonidos fuertes de los débiles.
armonico

En donde:
W= Energía (En Watt).
S= Superficie (m).

La intensidad acústica se relaciona con la intensidad mecánica del sonido o cantidad de energía que pasa por cm2 junto al oído.
Si la fuente reparte el sonido en todas direcciones (figura I-12),
Longitud de Onda

la intensidad sonora a una distancia d de la fuente estará dada por la siguiente expresión:
ondas sonoras

En donde:
I = Intensidad sonora a una distancia d.
Ed = Energía que atraviesa la esfera de radio r, en la unidad de tiempo, es decir en 1 seg.
Se = Superficie de la esfera.

Si la onda es plana o esférica, progresiva y libre, es decir sin obstáculos en su camino, la intensidad sonora (I) a una distancia d, puede expresarse en función de la presión.
presion sonora

En donde:
p = Presión.
ρ = Densidad del medio.
C = Velocidad de propagación
ρ . C = Impedancia acústica.

La cantidad de energía emitida en la unidad de tiempo por una determinada fuente se denomina potencia acústica de la misma.
La unidad correspondiente es el Watt.
Cuantitativamente en campo libre
W = I . S en donde:
W = Potencia acústica de la fuente.
I = Intensidad sonora a una distancia d.
S= Superficie de la esfera de radio r igual a la distancia d del oyente. Es decir r = d

b) Altura o Tono del Sonido
Dos sonidos de igual intensidad acústica pueden producir dos sensaciones diferentes si ambos sonidos difieren en la frecuencia. Dicha característica se denomina Altura o Tono del sonido y permite diferenciar los sonidos entre “agudos o altos” y “graves o bajos”.
Para percibir un tono se requiere un tiempo de audición superior a 1/50 seg. A mayores frecuencias se obtendrán sonidos más agudos y a menores, más graves.
La frecuencia audible más baja percibida por el ser humano es de aproximadamente 20 Hz ó ciclos/seg, y la más alta oscila alrededor de los 20.000 Hz. Sin embargo estos últimos valores disminuyen con los años porque el oído pierde capacidad de discriminación
Cuando existen dos tonos simultáneos de diferente frecuencia, el oído percibe la suma o diferencia de ambos (figura I-15).
intensidad acustica


c) Timbre del Sonido
Representa la característica subjetiva de dos sonidos de igual intensidad y altura pero que permite distinguirlos en formas diferentes. El timbre depende de la intensidad y del número de armónicos. Debe recordarse que estos representan la variedad de tonos cuya frecuencia es múltiplo de la fundamental. En definitiva el timbre depende de la forma de la onda.

altura del sonido

Bueno, hasta acá llega mi primer post sobre acústica. Espero que les haya resultado interesante o útil. En otros post voy a seguir avanzando sobre esta apasionante disciplina llamada acústica. Sus puntos y comentarios son bienvenidos. Nos vemos en mi próximo post.

Saludos a todos.

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