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Unidad 1 Conceptos básicos del sonido

Definición del sonido El sonido se puede definir de formas muy diversas. De todas ellas, las más habituales son las siguientes:  Vibración mecánica que se propaga a través de un medio elástico (habitualmente el aire), y que es capaz de producir una sensación auditiva. Por esto, a diferencia de la luz, el sonido no se propaga en el vacío.  Sensación auditiva producida por el movimiento vibratorio de los cuerpos sonoros que se propaga a través de un medio mecánico, elástico y denso.  Conjunto de compresiones (regiones donde las moléculas se agrupan acercándose entre sí) y rarefacciones (regiones en las que las moléculas se encuentran separadas), que son producto de perturbaciones en un medio elástico, y que son percibidas por el oído. Generación y propagación del sonido El elemento generador del sonido se denomina fuente sonora (tambor, cuerda de un violín, cuerdas vocales, etc.). La generación del sonido tiene lugar cuando dicha fuente entra en vibración. Dicha vibración es transmitida a las partículas de aire adyacentes a la misma que, a su vez, la transmiten a nuevas partículas contiguas. Las partículas no se desplazan con la perturbación, sino que simplemente oscilan alrededor de su posición de equilibrio. La manera en que la perturbación se traslada de un lugar a otro se denomina propagación de la onda sonora. Si se considera como fuente sonora, por ejemplo, un tambor, un golpe sobre su membrana provoca una oscilación. Cuando la membrana se desplaza hacia fuera, las partículas de aire próximas a su superficie se acumulan creándose una zona de compresión, mientras que en el caso contrario, dichas partículas se separan, lo cual da lugar a una zona de rarefacción o dilatación (figura 1.1). La oscilación de las partículas tiene lugar en la misma dirección que la de propagación de la onda. En este caso se habla de ondas sonoras longitudinales, en contraposición a las

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Fig. Zonas de compresión y dilatación de las partículas de aire en la propagación de una onda sonora

ondas electromagnéticas que son transversales (oscilación de la señal generadora perpendicu- lar a la dirección de propagación de la onda). Presión sonora total PT Se observan incrementos y disminuciones periódicas de presión P 0+ P sonora alrededor de su valor de equilibrio, correspondiente a la presión P0 atmosférica estática P0. Dichas Tiempo (s) variaciones van asociadas a los procesos de compresión y P 0- P dilatación comentados anteriormente. El valor máximo de la oscilación respecto a P0 recibe el nombre de amplitud de la presión asociada a la onda sonora, y se representa por Fig. Evolución de la presión sonora total PT en función la letra P. del tiempo en un punto cualquiera del espacio Frecuencia del sonido (f) El número de oscilaciones por segundo de la presión sonora p se denomina frecuencia (f) del sonido y se mide en hertzios (Hz) o ciclos por segundo (c/s). Lógicamente, la frecuencia del sonido coincide con la frecuencia de la vibración mecánica que lo ha generado (en el ejemplo anterior, la frecuencia de oscilación de la membrana del tambor).

En la siguiente figura se observan dos ejemplos de presión sonora p asociada a oscilaciones de diferente frecuencia. Presión sonora p

Presión sonora p 1 Hz

10 Hz

P

P

0

0

Tiempo (s) -P

Tiempo (s)

-P

1s

1s

Fig. Ejemplos de oscilaciones de frecuencias 1 y 10 Hz

Periodo del sonido (t) El periodo es la cantidad de tiempo que toma un sonido en cumplir un ciclo, se expresa en segundos. En la figura anterior se muestran dos formas de onda referentes a dos sonidos, el primero de 1Hz y la segunda de 10 Hz, sus periodos son 1s y 0.1s respectivamente, pues el periodo es : t=1/f. Velocidad de propagación del sonido (c) El sonido viaja en el aire a una velocidad de 344m/s, a nivel del mar, a una temperatura de 15º Celsius. La velocidad con que viaja el sonido es independiente de la frecuencia. Si bien el aire constituye el medio habitual de propagación de las ondas sonoras, conviene tener presente que el sonido puede propagarse a través de cualquier otro medio elástico y denso. Cuanto más denso y menos elástico sea el medio, mayor será la velocidad del sonido a través del mismo. Por ejemplo, la velocidad de propagación del sonido generado por un tren a través de los rieles es mucho mayor que a través del aire, por lo que la vibración del riel se percibirá mucho antes que el sonido aéreo debido a dicho tren. Longitud de onda () Se define como la distancia entre dos puntos consecutivos del campo sonoro que se hallan en el mismo estado de vibración en cualquier instante de tiempo. Por ejemplo, si en un instante dado se seleccionan dos puntos consecutivos del espacio donde los valores de presión son máximos, la longitud de onda es precisamente la distancia entre ambos puntos.

Presión sonora total PT P 0+ P

P 0

Distancia (m) P 0- P

Fig. Longitud de onda () del sonido

La relación entre las tres magnitudes: frecuencia (f), velocidad de propagación (c) y longitud de onda (), viene dada por la siguiente expresión:  = c/f Según se observa, para cada frecuencia, la longitud de onda depende del medio de propagación, ya que es proporcional a la velocidad, y ésta varía para cada medio. Por otro lado, se puede ver que la longitud de onda y la frecuencia son inversamente proporcionales, es decir, cuanto mayor es f menor es , y viceversa. Por ejemplo, en el aire, las longitudes de onda correspondientes a la banda de frecuencias audibles se hallan situadas entre 17,2 m (f = 20 Hz) y 1,72 cm (f = 20 kHz) En la figura siguiente se presenta un nomograma que relaciona  con f, suponiendo que el medio de propagación es el aire.

Longitud de onda 20

10 10

5 20

2 1 50

0,5 100

200

0,2 500

0,1 1.000

(m)

0,05 2.000

5.000

10.000

Frecuencia f (Hz)

Fig. Relación entre longitud de onda () y frecuencia (f) en el aire

Espectro frecuencial Los sonidos que percibimos en la naturaleza no constan únicamente de una sola frecuencia, sino que están constituidos por múltiples frecuencias superpuestas. Incluso cada uno de los sonidos generados por un instrumento musical están formados por más de una frecuencia. Estas frecuencias superpuestas son llamadas armónicos y son múltiplos de una frecuencia fundamental. Los sonidos que constan de una sola frecuencia son llamados tonos puros.  Banda de frecuencias Las notas inferior y superior de un piano de 88 teclas tienen unas frecuencias fundamentales de 27,5 Hz y 4.400 Hz, respectivamente. La primera corresponde a un sonido muy grave, mientras que la segunda va asociada a uno muy agudo. Por consiguiente, un sonido grave está caracterizado por una frecuencia baja, en tanto que uno agudo lo está por una frecuencia alta. El conjunto de frecuencias situado entre ambos extremos se denomina banda o margen de fre- cuencias del piano. Dicha definición es válida para cualquier fuente sonora. En la figura siguiente se muestran las bandas de frecuencias asociadas a diversos instrumen- tos musicales y a la voz humana. 16

31,5

63

125

250

500

1.000

2.000

4.000

8.000

16.000

VOZ Soprano Contralto Tenor Bajo

VIENTO-MADERA Pícolo Flauta Oboe Clarinete

VIENTO-METAL Trompeta Trompa Trombón Tuba

CUERDA Violín Viola Violoncelo Contrabajo Guitarra

TECLADO Piano Órgano

PERCUSIÓN Celeste Xilófono

16

31,5

63

125

250

500

1.000

2.000

4.000

8.000

16.000

Fig. Bandas de frecuencias de instrumentos musicales y de la voz

Frecuencia (Hz)

En el caso de la audición humana, la banda de frecuencias audibles para una persona joven y sana se extiende, aproximadamente, de 20 Hz a 20.000 Hz (o bien 20 kHz). Las fre- cuencias inferiores a 20 Hz se llaman subsónicas y las superiores a 20 kHz ultrasónicas, dando lugar a los infrasonidos y ultrasonidos, respectivamente. Señal de audio Audio es la representación eléctrica del sonido, en forma de valores fluctuantes de voltaje o corriente. Dentro de los limites de los equipos de audio, los valores de voltaje o corriente fluctúan a una tasa exactamente igual a la de la señal acústica(sonido) que representan, y las amplitudes de la señal acústica y la señal eléctrica de audio, sus valores, se corresponden proporcionalmente. Al hablar por un micrófono la señal acústica se convierte en señal de audio y al salir por los parlantes se convierte en señal acústica de nuevo. La amplitud o fuerza de una onda acústica o sonido, ya convertida en audio, se le llama nivel de señal. Los niveles acústicos o eléctricos, se miden en dB. Fase Es la relación temporal entre dos puntos en una onda continua. La fase es expresada en grados; una forma de onda sinusoidal, como las de las figuras antes vistas en el presente documento, recorre 360º en un ciclo.

En la anterior figura se muestra un procesador con una señal de entrada (Vin), y una señal de salida (Vout). La fase de la señal de salida se muestra en relación con la de la señal de entrada. En el caso (b), la señal de salida se encuentra en fase con la entrada. En (c), la señal se encuentra 90º desfasada con respecto a la señal de entrada, y en (d), la señal está desfasada con respecto a la entrada 180º.

En la figura anterior es posible ver como en (a), al estar las dos señales en fase sus amplitudes se suman, obteniéndose una señal cuya amplitud es el doble de cada una de ellas, esto es llamado interferencia constructiva. En (b) las señales están en desfase 90º, al sumarse se obtiene una

señal 1.414 veces el valor de cada una de ellas. En (c), se encuentran en desfase 180º, por eso se cancelan totalmente, ocurriendo interferencia destructiva.

Tomado de “Diseño acústico de espacios arquitectónicos” y “Sound Reinforcement Handbook”. Adaptación y traducción por Salomón Díaz