Señales acústicas. Su propagación y características

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.

Para ver el gráfico seleccione la
opción "Descargar" del menú superior

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

Para ver el gráfico seleccione la
opción "Descargar" del menú superior

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.

 Para ver el
gráfico seleccione la opción "Descargar"

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).

Para ver el gráfico seleccione la
opción "Descargar" del menú superior

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:

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.

  Para ver el
gráfico seleccione la opción "Descargar"

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.

Reflexión y
refracción

Para ver el gráfico seleccione la
opción "Descargar" del menú superior

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.

 Para ver el
gráfico seleccione la opción "Descargar"

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.

 Para ver el
gráfico seleccione la opción "Descargar"

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’ |

Para ver el gráfico seleccione la
opción "Descargar" del menú superior

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.

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)