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Señales acústicas. Su propagación y características

Enviado por Kristian Islas



Su propagación y características

  1. Señales acústicas y su propagación.
  2. Tonos puros y sonidos complejos
  3. Voz, Música y Ruido
  4. Características del sonido.
  5. Materiales absorbentes acústicos

Señales acústicas y su propagación.

Acústica.

La acústica es la rama de la física y de la técnica que estudia el sonido en toda la amplitud, ocupándose así de su producción y propagación, de su registro y reproducción, de la naturaleza del proceso de audición, de los instrumentos y aparatos para la medida, y del proyecto de salas de audición que reúnan cualidades idóneas para una perfecta audición.

Sonido.

Sonido audible:

Tiene un espectro que se encuentra entre los 20 y 20,000 Hz.

El sonido se caracteriza por fluctuaciones de presión en un medio compresible, bien sea gaseoso, líquido o sólido. Sin embargo, no todas las fluctuaciones de presión producen la sensación de audición cuando alcanzan al oído humano. Cuando nos referimos al sonido audible, estamos hablando de la sensación detectada por nuestro oído, que producen las rápidas variaciones de presión en el aire (presión acústica) por encima y por debajo de un valor estático. Este valor estático nos lo da la presión atmosférica.

Dos cosas deben existir a fin de que se produzca una onda sonora: una fuente mecánica de vibración y un medio elástico a través del cual pueda propagar la perturbación. La fuente puede ser un diapasón, una cuerda vibrante o una columna de aire vibrante en un tubo de órgano. La velocidad con que se propaga el sonido depende en gran medida de las características del medio elástico, temperatura, presión, densidad, etc.

Propagación

Como ya mencionáramos, un cuerpo en oscilación pone en movimiento a las moléculas de aire (del medio) que lo rodean. Éstas, a su vez, transmiten ese movimiento a las moléculas vecinas y así sucesivamente. Cada molécula de aire entra en oscilación en torno a su punto de reposo. Es decir, el desplazamiento que sufre cada molécula es pequeño. Pero el movimiento se propaga a través del medio.

Entre la fuente sonora (el cuerpo en oscilación) y el receptor (el ser humano) tenemos entonces una transmisión de energía pero no un traslado de materia. No son las moléculas de aire que rodean al cuerpo en oscilación las que hacen entrar en movimiento al tímpano, sino las que están junto al mismo, que fueron puestas en movimiento a medida que la onda se fue propagando en el medio.

El (pequeño) desplazamiento (oscilatorio) que sufren las distintas moléculas de aire genera zonas en las que hay una mayor concentración de moléculas (mayor densidad), zonas de condensación, y zonas en las que hay una menor concentración de moléculas (menor densidad), zonas de rarefacción. Esas zonas de mayor o menor densidad generan una variación alterna en la presión estática del aire (la presión del aire en ausencia de sonido). Es lo que se conoce como presión sonora.

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La distancia entre las barras representa las zonas de mayor o menor presión sonora

Si el cuerpo que genera la oscilación realiza un movimiento armónico simple, las variaciones de la presión en al aire pueden representarse por medio de una onda sinusoidal. Por el contrario, si el cuerpo realiza un movimiento complejo, las variaciones de presión sonora deberán representarse por medio de una forma de onda igual a la resultante de la proyección en el tiempo del movimiento del cuerpo. Ver Figura siguiente

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Variaciones de presión en el aire (condensación y rarefacción) en el caso de un movimiento armónico simple.
Los puntos representan las moléculas de aire.

Como dijimos, en el aire el sonido se propaga esféricamente, es decir en todas direcciones. Podemos imaginarnos al sonido propagándose como una esfera cuyo centro es la fuente sonora y que se va haciendo cada vez más grande. O, lo que es lo mismo, que va aumentando cada vez su radio. Por razones de comodidad, para estudiar el sonido podremos hacerlo desde uno de esos dos puntos de vista, a veces como una esfera creciendo, o como un radio (eventualmente todos los radios) de la misma (rayos).

Imaginemos entonces una cadena de partículas (moléculas) entre la fuente sonora y el receptor (un rayo). Entre el instante en que la fuente sonora pone en movimiento a la partícula más cercana y el instante en que la primer partícula transmite su movimiento a la segunda transcurre un tiempo determinado. Es decir, cuando la primer partícula entra en movimiento, la tercera -por ejemplo- aún está en su posición de reposo. Recordemos también que las partículas de aire sólo oscilan en torno a su posición de reposo.

Podemos decir entonces que cada partícula se encontrará en una situación distinta del movimiento oscilatorio. Es decir, cada partícula tendrá una situación de fase (ángulo de fase) distinta. En algún lugar de la cadena encontraremos una partícula cuya situación de fase coincide con la de la primera, aunque la primer partícula estará comenzando su segundo ciclo oscilatorio, mientras que la otra recién estará comenzando su primer ciclo.

La distancia que existe entre dos partículas consecutivas en igual situación de fase se llama longitud de onda (l ). También podemos definir la longitud de onda como la distancia que recorre una onda en un período de tiempo T. La longitud de onda está relacionada con la frecuencia f (inversa del período T) por medio de la velocidad de propagación del sonido (c), de manera que c = l · f. Las ondas sonoras tienen longitudes de onda de entre 2 cm y 20 m aproximadamente.

No debemos confundir la velocidad de propagación de la onda con la velocidad de desplazamiento de las partículas. Éstas realizan un movimiento oscilatorio muy rápido, cuya velocidad es distinta a la velocidad de propagación de la onda.

La velocidad de propagación de la onda sonora (velocidad del sonido) depende de las características del medio en el que se realiza dicha propagación y no de las características de la onda o de la fuerza que la genera. En el caso de un gas (como el aire) es directamente proporcional a su temperatura específica y a su presión estática e inversamente proporcional a su densidad. Dado que si varía la presión, varía también la densidad del gas, la velocidad de propagación permanece constante ante los cambios de presión o densidad del medio.

Pero la velocidad del sonido sí varía ante los cambios de temperatura del aire (medio). Cuanto mayor es la temperatura del aire mayor es la velocidad de propagación. La velocidad del sonido en el aire aumenta 0,6 m/s por cada 1º C de aumento en la temperatura.

La velocidad del sonido en el aire es de aproximadamente 344 m/s a 20º C de temperatura, lo que equivale a unos 1.200 km/h (1.238,4 km/h, para ser precisos). Es decir que necesita unos 3 s para recorrer 1 km. (Como posible referencia recordemos que la velocidad de la luz es de 300.000 km/s.)

El sonido se propaga a diferentes velocidades en medios de distinta densidad. En general, se propaga a mayor velocidad en líquidos y sólidos que en gases (como el aire). La velocidad de propagación del sonido es, por ejemplo, de unos 1.440 m/s en el agua y de unos 5.000 m/s en el acero.

El sonido es una onda mecánica longitudinal que se propaga a través de un medio elástico.

El sonido NO se propaga en el vacío

Tonos puros y sonidos complejos

El tono o altura de un sonido depende únicamente de su frecuencia, es decir, del numero de oscilaciones por segundo. La altura de un sonido corresponde a nuestra percepción del mismo como más grave o más agudo. Cuanto mayor sea la frecuencia, más agudo será el sonido.

Un sonido de tono puro consiste de una onda de una sola frecuencia. Sin embargo, el tono de un sonido, en general, esta formado por ondas de muchas frecuencias(sonido complejo). Dos sonidos del mismo tono tienen muchas frecuencias comunes. Por ejemplo, el sonido de la nota La de un piano y el sonido de la nota La de una guitarra tienen la frecuencia de 440 Hz en común.

Supongamos que dos ondas sonoras de frecuencias f1 y f2 llegan al oído. Los tonos que percibe el oído son, además de f1 y f2, los armónicos de estas frecuencias y los llamados tonos de combinación.

Los armónicos son tonos de frecuencias múltiplos enteros de las frecuencias de las ondas componentes: 2f1,3f1,...,2f2,3f2,...

Los tonos de combinación son de frecuencias: f2 - f1, 2f2 - 2f1 , f2 - 2f1, etc., f2 +f1, 2f2 +f1,etc. Es decir, el oído percibe frecuencias que físicamente no ocurren. Esto se debe a la naturaleza complicada del oído.

Se ha demostrado, que el tono que se oye en forma preponderante es el de la frecuencia f2 – f1, aunque no este presente en las ondas sonoras.

Voz, Música y Ruido

La voz es el sonido que emite el aparato fonador humano, por vibración de las cuerdas vocales de la laringe al paso del aire.

La producción de sonido requiere hacer vibrar aire. Esto se logra haciendo vibrar algún dispositivo que, a su vez, haga vibrar el aire. La forma común de lograrlo es hacer vibrar una cuerda, una columna de aire, etc.

Consideremos primero la vibración de una cuerda. Una cuerda fija en sus dos extremos, al vibrar, hace vibrar al aire que la rodea. Sin embargo, la cantidad de aire que vibra de esta forma es extremadamente pequeña y la intensidad del sonido resultante es muy pequeña. En este caso, no oiremos casi nada si estamos separados de la cuerda varios metros.

Si la cuerda se pone en contacto con una pieza de madera de área grande, y ésta a su vez vibra, haciendo vibrar al aire que la rodea, la intensidad de sonido será apreciable. Así los instrumentos de cuerda llevan siempre una pieza de superficie grande. Se escogen materiales y formas para estas piezas de manera que tengan muchas frecuencias naturales de oscilación. Con esto dicha pieza entrara en resonancia con la cuerda, y las vibraciones que tenga serán de amplitud grande. Esta pieza se llama resonador.

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En la figura adyacente, las notas e un piano con sus respectivas frecuencias en Hz.

Los instrumentos dentro de esta categoría son los llamados de cuerda: violín, chelo, contrabajo, piano, etc.

La frecuencia con la que vibra la cuerda depende de su tensión, masa y longitud. Ajustando adecuadamente sus valores, se puede obtener la frecuencia deseada. Así, por ejemplo, en un violín la tensión de las cuerdas se regula enrollándolas; la longitud se ajusta apretando (pisando) con el dedo en determinado lugar para obtener determinada nota. Las diversas cuerdas tienen masas distintas, con lo que se puede lograr un intervalo de frecuencias bastante amplio.

Una posibilidad distinta es la de hacer vibrar el aire directamente. Esto se puede lograr con un tubo (una flauta), al soplar en el tubo, éste vibra, con lo que el aire que lo rodea también vibra. Como cualquier objeto, el tubo tiene frecuencias naturales de oscilación, que dependen de la forma, de la masa y de la sustancia que lo componen. El tubo juega el papel del resonador.

Entre los instrumentos de viento mencionamos el órgano, la flauta, el clarinete, etc.

Una tercera categoría la forman los de percusión. Estos consisten de un objeto (varilla, membrana, etc.) que al ser golpeado vibra. Entre muchos ejemplos de estos instrumentos tenemos el tambor, las campanas, los xilófonos, etc.

La voz es el sonido que emite el aparato fonador humano, por vibración de las cuerdas vocales de la laringe al paso del aire. En este caso, el papel de resonador lo desempeñan la laringe y la boca.

Ruido.

Por definición, el ruido es cualquier sonido no deseado, el cual puede interferir en la comunicación hablada, en el trabajo y en las actividades rutinarias; en ciertos casos, puede afectar a la conducta; puede producir una perdida temporal del oído y, si el nivel de ruido es suficientemente alto, puede ser responsable de un daño permanente en el mecanismo auditivo.

La intensidad de los distintos ruidos se mide en decibeles, unidad de medida de la presión sonora. El umbral de audición está en 0dB (Mínima intensidad del estímulo) y el umbral de dolor está en 120 dB. Para tener una aproximación de la percepción de la audición del oído humano, se creó una unidad basada en el dB que se denomina decibel A (dBA).

El oído humano tiene la capacidad de soportar cierta intensidad de los ruidos; si estos sobrepasan los niveles aceptables, provocan daños en el órgano de la audición. En la ciudad, los niveles de ruido oscilan entre 35 y 85 dBA, estableciéndose que entre 60 a 65 dBA se ubica el umbral del ruido diurno que comienza a ser molesto.

Por ejemplo: en una biblioteca se tienen 40 dBA, en una conversación en voz alta 70 dBA (1 m. de distancia), tráfico en una calle con mucho movimiento sobre 85 dBA y el despegue de un avión 120 dBA ( 70 mts. de distancia).

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Características del sonido.

Las ondas sonoras que percibe el oído humano se distinguen por tres características: nivel de intensidad, tono y timbre. Pero para lo que una persona es volumen fuerte para otra es moderado. Lo que una persona percibe como calidad ora lo considera inferior. Por ello, los físicos deben tratar con definiciones mesurables explicitas; por tanto, intentan correlacionar los efectos sensoriales con las propiedades físicas de las ondas; dichas correlaciones pueden resumirse como:

Efecto sensorial

Propiedad física

Intensidad acústica

Intensidad

Tono

Frecuencia

Timbre

Forma de onda

El significado de los términos de la izquierda puede variar considerablemente entre los individuos, pero los de la derecha son mesurables y objetivos.

Intensidad.

La intensidad de un sonido viene determinada por la amplitud del movimiento oscilatorio. Matemáticamente es la potencia transferida por una onda sonora, a través de la unidad de área normal a la dirección de propagación.

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Las unidades de Intensidad son la razón de una unidad de potencia con una unidad de área. La unidad de intensidad más usual es el watt por centímetro cuadrado (W/cm2), pero, ya que la rapidez de flujo de energía de las ondas sonoras es extremadamente pequeña, el microwatt (m W) se sustituye frecuentemente como la unidad de potencia.

La intensidad de sonido también esta dada por:

Frecuencia = f

velocidad del sonido (u ) en un medio de densidad (r )

Amplitud = A

Otra unidad de nivel de intensidad que se usa frecuentemente es la décima parte de un bel, o decibel(db).

I0 = es el umbral de audición (10-10 m W/cm2)

Tono.

El tono o altura de un sonido depende únicamente de su frecuencia, es decir, del numero de oscilaciones por segundo. La altura de un sonido corresponde a nuestra percepción del mismo como más grave o más agudo. Cuanto mayor sea la frecuencia, más agudo será el sonido.

Timbre.

El timbre es la cualidad del sonido que nos permite distinguir entre dos sonidos de la misma intensidad y altura. Podemos así distinguir si una nota ha sido tocada por una trompeta o por un violín. Cuando se hace vibrar un medio se producen, además de la frecuencia fundamental, los armónicos. El número de armónicos presentes es lo que diferencia los timbres de dos sonidos.

Velocidad del sonido.

La velocidad con la que se propaga el sonido depende de las características del medio a través del cual se trasmite. El siguiente cuadro muestra los valores de la velocidad del sonido para algunas sustancias.

Sustancia

Temperatura t(ºC)

Velocidad del sonido (m/s)

Aire

0

331.46

Argón

0

319

Bióxido de carbono

0

260.3

Hidrógeno

0

1286

Helio

0

970

Nitrógeno

0

333.64

Oxigeno

0

314.84

Agua destilada

20

1484

Agua de mar

15

1509.7

Mercurio

20

1451

Aluminio

17-25

6400

Vidrio(crown)

17-25

5260

Oro

17-25

3240

Hierro

17-25

5930

Plomo

17-25

2400

Plata

17-25

3700

Acero inoxidable

17-25

5740

Reflexión y refracción

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Cuando una onda sonora, propagándose en un medio, incide sobre otro medio, se divide en dos ondas: una reflejada y otra refractada.

La reflexión y la refracción sonoras cumplen con la ley de Snell.

Ley de Snell

La reflexión del sonido comúnmente se llama eco. El eco es más notable cuando el medio sobre el cual incide la onda sonora es rígido. En este caso toda la energía de la onda incidente se refleja.

Sin un observador esta situado entre dos paredes y emite un sonido, éste se reflejara de una pared, irá a la otra, se volverá a reflejar, y así continuara. Es decir, ocurre un eco múltiple que se llama reverberación.

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Ejemplo. El oído logra distinguir entre dos sonidos iguales si estos llegan separados en un tiempo de 0.1 s, como mínimo. Determínese la mínima distancia a la que debe encontrarse un observador de una pared rígida para distinguir el eco de sus sonidos. Sea d = OP la distancia requerida. El sonido tiene que ir de O a P y de P a O en el tiempo t = 0.1s para que el observador pueda distinguir entre el sonido incidente (emitido por él mismo) y el reflejado o eco. Es decir, el sonido tiene que recorrer la distancia 2d en el tiempo t= 0.1 seg. Su velocidad es, entonces:

la velocidad del sonido en el aire es de 331.46m/s, por tanto l ecuación anterior queda de la forma . Despejando d, tenemos que 2d= 331.46m/s x 0.1 seg. = 33.146 m

d = 16.57 m

Si el observador se coloca a una distancia menos que 16.57m, no podrá distinguir entre el sonido emitido por él y el eco. Una aplicación real de esto se encuentra en el sonar, es un dispositivo que puede medir la profundidad del mar, produciendo ondas sonoras bajo la superficie del agua, y detectando el tiempo que tarda en registrar el eco.

Difracción.

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El fenómeno de difracción también se presenta en acústica. Un observador O, situado detrás de una puerta RL abierta, puede oír sonidos en un punto dentro de una habitación. Es decir, el sonido se propaga alrededor de la puerta RL; o sea, el sonido se difracta.

Para longitudes de onda grandes, el número de bandas de difracción es grande y el sonido se escucha a distancias grandes dentro de la región de sombra.

Pero de acuerdo con v=l f, vemos que si la longitud de onda es grande, la frecuencia es pequeña y, por tanto, a distancias grandes se oirán preponderantemente sonidos de frecuencia baja; o sea, sonidos graves. A medida que el observador se vaya acercando a la abertura RT irá oyendo también sonidos de longitudes de onda pequeñas; o sea, los de frecuencias grandes, sonidos agudos.

Interferencia.

Esto puede explicarse por el principio de superposición. Un ejemplo común de interferencia de ondas sonoras podemos encontrarlo cuando dos diapasones (u otras fuentes sonoras de una sola frecuencia) cuyas frecuencias solo difieren ligeramente, se golpean de manera simultanea. El sonido así producido fluctúa en intensidad, alternando entre tonos fuertes y silencio virtual. Dichas fluctuaciones regulares se denominan pulsaciones. El efecto vibrato que se obtiene en algunos órganos es un ejemplo de la aplicación de este principio. Cualquier nota vibrato se produce por dos tubos sintonizados a frecuencias ligeramente diferentes.

Para comprender el origen de las pulsaciones examínese el patrón de interferencia producido entre dos ondas sonoras que proceden de dos diapasones con frecuencias ligeramente distintas, como se muestra en la siguiente figura. A superposición de las ondas A y B ejemplifican el origen de las pulsaciones. Los tonos más fuertes ocurren cuando las ondas interfieren constructivamente, y los tonos más ligeros cuando las ondas interfieren destructivamente. La observación y los cálculos demuestran que las dos ondas interfieren constructivamente f – f’ veces por segundo. De este modo puede escribirse

Numero de pulsaciones por segundo = | f – f’ |

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Absorción sonora

Las superficies de un recinto reflejan sólo parcialmente el sonido que incide sobre ellas; el resto es absorbido. Según el tipo de material o recubrimiento de una pared, ésta podrá absorber más o menos el sonido.

Materiales absorbentes acústicos

Los materiales de construcción y los revestimientos tienen propiedades absorbentes muy variables. A menudo es necesario, tanto en salas de espectáculo como en estudios de grabación y monitoreo realizar tratamientos específicos para optimizar las condiciones acústicas. Ello se logra con materiales absorbentes acústicos, es decir materiales especialmente formulados para tener una elevada absorción sonora.

Existen varios tipos de materiales de esta clase. El más económico es la lana de vidrio, que se presenta en dos formas: como fieltro, y como panel rígido. La absorción aumenta con el espesor, y también con la densidad. Permite absorciones sonoras muy altas. El inconveniente es que debe ser separada del ambiente acústico mediante paneles protectores cuya finalidad es doble: proteger la lana de vidrio de las personas, y a las personas de la lana de vidrio (ya que las partículas que se podrían desprender no sólo lastiman la piel sino que al ser respiradas se acumulan irreversiblemente en los pulmones, con el consecuente peligro para la salud). Los protectores son en general planchas perforadas de Eucatex u otros materiales celulósicos. Es de destacar que salvo las planchas perforadas de gran espesor, no tienen efecto propio en la absorción, por lo tanto las planchas perforadas aplicadas directamente sobre la pared son poco efectivas.

Otro tipo de material son las espumas de poliuretano o de melamina (C3H6N4). Son materiales que se fabrican facetados en forma de cuñas anecoicas. Esta estructura superficial se comporta como una trampa de sonido, ya que el sonido que incide sobre la superficie de una cuña se refleja varias veces en esa cuña y en la contigua. El resultado es un aumento de la superficie efectiva de tres veces o más.

Construcción

Hz

125

200

500

1000

2000

4000

Hueco

0.05

0.10

0.36

0.72

0.51

0.80

Lana mineral compacta

0.07

0.40

0.98

0.81

0.60

1.00

Lana mineral y hueco

0.50

0.78

0.88

0.90

0.92

0.85

Resonancia

Cuando un cuerpo vibrante se pone en contacto con otro, el segundo es forzado a vibrar con la misma frecuencia que el vibrador original. Por ejemplo, si se golpea un diapasón con un martillo y se coloca con su base sobre la superficie de una mesa de madera, la intensidad del sonido incrementara súbitamente. Cuando el diapasón se retira de la mesa, la intensidad decrece a su nivel inicial. Las vibraciones de las partículas en la cubierta de la mesa en contacto con el diapasón se llaman vibraciones forzadas.

Se ha visto que los cuerpos elásticos tienen ciertas frecuencias naturales de vibración que son características del material. Siempre que un cuerpo esta bajo la acción de una serie de impulsos periódicos que tienen una frecuencia aproximadamente igual a una de las frecuencias naturales del mismo, éste es puesto en vibración con una amplitud relativamente grande. A este fenómeno se le llama resonancia o vibración simpatética.

Bibliografía

http://apolo.uji.es/radio/RADIO1.HTM

http://www.audioworld.com.ar/Acustica.htm

Tippens Física. Conceptos y aplicaciones. Mc Graw Hill

Beltrán, V., Braun, E. Principios de física. Curso de introducción.Trillas.

Océano. Enciclopedia temática. (1998)

 

Kristian Islas Lazcano .

Estudiante de Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica (6º semestre)


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