ACUSTICA

La acústica es la rama de la física que estudia el sonido, que es una onda mecánica que se propaga a través de la materia, bien sea en estado gaseoso, líquido o sólido, porque el sonido no se propaga en el vacío.

A efectos prácticos la acústica estudia la producción, transmisión, almacenamiento y percepción o reproducción del sonido.

 La acústica es una rama de la física interdisciplinaria que estudia el sonido, infrasonido y ultrasonido, es decir ondas mecánicas que se propagan a través de la materia (tanto sólida como líquida o gaseosa) (no pueden propagarse en el vacío) por medio de modelos físicos y matemáticos. A efectos prácticos, la acústica estudia la producción, transmisión, almacenamiento, percepción o reproducción del sonido. La ingeniería acústica es la rama de la ingeniería que trata de las aplicaciones tecnológicas de la acústica.

La acústica considera el sonido como una vibración que se propaga generalmente en el aire a una velocidad de 343 m/s (aproximadamente 1 km cada 3 segundos), ó 1235 km/h en condiciones normales de presión y temperatura (1 atm y 20 °C).

1. NATURALEZA DEL SONIDO

El sonido es el resultado de una perturbación que se propaga en un medio elástico. El exceso de presión característico de la perturbación descrita se denomina presión sonora.

El oído humano escucha los sonidos que están dentro de un rango especifico ( 20 a 20.000 hz).  los sonidos que son inferiores a 20 hz se llaman infrasonidos y los superiores a 20.000 hz se llaman ultrasonidos y no son percividos por nuestro oído.

Definición de Sonido y Ruido

Desde el punto de vista físico el Sonido es un movimiento ondulatorio con una intensidad y frecuencia determinada que se transmite en un medio elástico (Aire, Agua o Gas), generando una vibración acústica capaz de producir una sensación auditiva. La intensidad del sonido corresponde a la amplitud de la Vibración acústica, la cual es medida en decibeles (dB). La Frecuencia indica el número de ciclos por unidad de tiempo que tiene una onda.(c.p.s. o Hertzios - Hz).

2. PERCEPCIÓN DEL SONIDO:

La percepción sonora es el resultado de los procesos psicológicos que tienen lugar en el sistema auditivo central y permiten interpretar los sonidos recibidos.

 La percepción del sonido en el oído humano es un proceso que parte desde la fuente sonora, al medio elástico y de este hacia el receptor ( el oído):

PROCESO DE LA PERCEPCIÓN SONORA:

3. PROPAGACIÓN DEL SONIDO:

Como el sonido es una onda mecanica longitudinal, y se priopaga por medio elasticos ya seaan solidos, liquidos y gases, variamdo su velodivcad de propagacion desdse los gases hacia los solidos:

3.1. VELOCIDAD DE PROPAGACIÓN DEL SONIDO:

Experimentalmente se ha encontrado que la velocidad de propagación del sonido en el aire varia 0.6m/s por cada grado Celsius de temperatura; por lo tanto por lo tanto se puede calcular la velocidad del sonido en el aire en función de la temperatura utilizando la expresión:

V = 331,6 m/s + 0.6 T°

Donde V₀ es la velocidad del sonido en el aire a 0°C (331.7m/s).

Por lo general se utiliza como valor promedio de la velocidad del sonido:  340 m/seg

4.  CUALIDADES DEL SONIDO:

4.1. INTENSIDAD:

   

Es la cantidad de energía acústica que contiene un sonido, es decir, lo fuerte o suave de un sonido. La intensidad viene determinada por la potencia, que a su vez está determinada por laamplitud y nos permite distinguir si el sonido es fuerte o débil.

La intensidad del sonido se divide en intensidad física e intensidad auditiva, la primera esta determinada por la cantidad de energía que se propaga, en la unidad de tiempo, a través de la unidad de área perpendicular a la dirección en que se propaga la onda.

   I  =  P / A,  donde P es la potencia en watts  y A es el area mediad en metros . ( A = 4 π R²⁾ 

La intensidad auditiva que se fundamenta en la ley psicofísica de Weber-Fechner, que establece una relación logarítmica entre la intensidad física del sonido que es captado, y la intensidad física mínima audible por el oído humano.

  β  =  10 log I /I_{0,  donde I es la intensidad aplicada y I° es la intensidad fidica minima audible  que equivale   (} 10^{- 12}  w/m^{2    )}

Los sonidos que percibimos deben superar el umbral auditivo (0 dB) y no llegar al umbral de dolor (140 dB). Esta cualidad la medimos con el sonómetro y los resultados se expresan endecibelios (dB) en honor al científico e inventor Alexander Graham Bell.

algunos niveles de intesidad medios en decibeles son: 

4.2.  TONO:  Indica si el sonido es grave, agudo o medio, y viene determinada por la frecuencia fundamental de las ondas sonoras, medida en ciclos por segundo o hercios (Hz).

• vibración lenta = baja frecuencia = sonido grave.
• vibración rápida = alta frecuencia = sonido agudo.

Para que los humanos podamos percibir un sonido, éste debe estar comprendido entre el rango de audición de 20 y 20.000 Hz. Por debajo de este rango tenemos los infrasonidos y por encima los ultrasonidos. A esto se le denomina rango de frecuencia audible. Cuanta más edad se tiene, este rango va reduciéndose tanto en graves como en agudos.

4.3.  TIMBRE:  Una misma nota suena distinta si la toca una flauta, un violín, una trompeta, etc. Cada instrumento tiene un timbre que lo identifica o lo diferencia de los demás. Con la voz sucede lo mismo. El sonido dado por un hombre, una mujer, un/a niño/a tienen distinto timbre. El timbre nos permitirá distinguir si la voz es áspera, dulce, ronca o aterciopelada. También influye en la variación del timbre la calidad del material que se utilice. Así pues, el sonido será claro, sordo, agradable o molesto.

5. PROPIEDADES DEL SONIDO:

5.1.  REFLEXION: Una onda se refleja (rebota al medio del cual proviene) cuando se encuentra con un obstáculo que no puede traspasar ni rodear.  es un cambio en al direccion de la onda sonora.

Un caso especial de la freflexion del sonido es el ECO.

• El eco. La señal acústica original se ha extinguido, pero aún no es devuelto el sonido en forma de onda reflejada. El eco se explica porque la onda reflejada nos llega en un tiempo superior al de la persistencia acústica.
• para que halla eco se debe tenr uina distanmcia mninima de 17 m, y para los multiplos de este valor se obtiene ecos muy particualres.

5.2. REFRACCION:  La refracción es un fenómeno que afecta a la propagación del sonido, y que consiste en la desviación que sufren las ondas en la dirección de supropagación, cuando el sonido pasa de un medio a otro diferente.

En la refracion cambian la velocidad de propagacion v , la longitud de onda y la frecuencia f.

5.3.  LA DIFRACCION:  La difracción es un fenómeno que afecta a la propagación del sonido. Hablamos de difracción cuando el sonido en lugar de seguir en la dirección normal, se dispersa en una continua dirección.

La explicación la encontramos en el Principio de Huygens que establece que cualquier punto de un frente de ondas es susceptible de convertirse en un nuevo foco emisor de ondas idénticas a la que lo originó. De acuerdo con este principio, cuando la onda incide sobre una abertura o un obstáculo que impide su propagación, todos los puntos de su plano se convierten en fuentes secundarias de ondas, emitiendo nuevas ondas, denominadas ondas difractadas.

La difracción se puede producir por dos motivos diferentes:

1. porque una onda sonora encuentra a su paso un pequeño obstáculo y lo rodea. Las bajas frecuencias son más capaces de rodear los obstáculos que las altas. Esto es posible porque las longitudes de onda en el espectro audible están entre 1,7cm y 17m, por lo que son lo suficientemente grandes para superar la mayor parte de los obstáculos que encuentran.
2. porque una onda sonora topa con un pequeño agujero y lo atraviesa.

5.4.  LA INTERFERENCIA: En física, la interferencia es un fenómeno en el que dos o más ondas se superponen para formar una onda resultante de mayor o menor amplitud. El efecto de interferencia puede ser observado en cualquier tipo de ondas, como luz, radio, sonido, ondas en la superficie del agua, etc.

Puede producir aleatoriamente aumento, disminución o neutralización del movimiento .

 TROMBON DE KOENIG

6. OTROS FENÓMENOS ACÚSTICOS:

6.1.  RESONANCIA: Es el fenómeno que se produce cuando los cuerpos vibran con la misma frecuencia, uno de los cuales se puso a vibrar al recibir las frecuencias del otro. Para entender el fenómeno de la resonancia existe un ejemplo muy sencillo, Supóngase que se tiene un tubo con agua y muy cerca de él (sin entrar en contacto) tenemos un diapasón, si golpeamos el diapasón con un metal, mientras echan agua en el tubo, cuando el agua alcance determinada altura el sonido será más fuerte; esto se debe a que la columna de agua contenida en el tubo se pone a vibrar con la misma frecuencia que la que tiene el diapasón, lo que evidencia por qué las frecuencias se refuerzan y en consecuencia aumenta la intensidad del sonido. Un ejemplo es el efecto de afinar las cuerdas de la guitarra, puesto que al afinar, lo que se hace es igualar las frecuencias, es decir poner en resonancia el sonido de las cuerdas.

6.2.  EFECTO DOPPLER: El efecto Doppler, llamado así por el austríaco Christian Andreas Doppler, es el aparente cambio de frecuencia de una onda producida por el movimiento relativo de la fuente respecto a su observador.

 Doppler propuso este efecto en 1842 en su tratado Über das farbige Licht der Doppelsterne und einige andere Gestirne des Himmels (Sobre el color de la luz en estrellas binarias y otros astros).

¿Qué pasará si la fuente y el observador se mueven al mismo tiempo?. En este caso particular se aplica la siguiente fórmula, que no es más que una combinación de las dos:

Los signos   + y  -  deben ser aplicados de la siguiente manera: si el numerador es una suma, el denominador debe ser una resta y viceversa.

Si la fuente de sonido se aleja del observador el denominador es positivo, pero si se acerca es negativo.

Si el observador se aleja de la fuente el numerador es negativo, pero si se aproxima es positivo. Se puede dar el caso de numerador y denominador sean una suma, y también de numerador y denominador sean una resta.

7. FUENTES SONORAS :

En acustica solo se reconocen dos fuentes sonoras, las cuerdas vibrantes y los tubos sonoros:

7.1. CUERDA VIBRANTE:  

QUE ES UNA CUERDA VIBRANTE?

Es un cable elastico, tendido entre 2 puntos fijos, suceptible de emitir un sonido musical gracias a sus vibraciones.
Una tal cuerda , supuesta cilindrica y homogenea, puede vibrar longitudinalmente o transversalmente es alejada de su posicion de equilibrio. En musica utilizamos unicamente vibraciones tranversales.
Toda cuerda vibrante se produce por efectos de la reflexion y el principio de superposicion de las ondas,  un espectro llamado husos con vientres y nodos,asi:

donde n corresponde all numero de armonicos y para n=1 se tiene el soniodo fundamental, para los demas se trienen, el segunto, tercero, cuardot, etc, armonicos, donde:

luego:  

                                                    

donde la velocidad de propagacion v , depende de la tension T y la densidad de masa lineal  m,  luego: 

 

7.2.  TUBOS SONOROS:

Se denominan tubos sonoros los tubos cilíndricos o prismáticos, de paredes metálicas o de madera, que son capaces de producir sonidos al entrar en vibración la columna de aire que contienen. Esta vibración tiene su origen en la corriente de aire que se insufla por uno de sus extremos, que proviene de los pulmones del músico o, como en el caso del órgano, de un fuelle.

Los tubos pueden ser de embocadura de flauta o de embocadura de lengüeta. Los de embocadura de flauta pueden ser abiertos o cerrados (según que el extremo del tubo opuesto a la embocadura sea abierto o cerrado), mientras que los de lengüeta son siempre abiertos, para permitir la salida del aire insuflado.

 7.2.1.  TUBOS SONOROS ABIERTOS:

En el caso de los tubos abiertos la frecuencia fundamental es v/2L, siendo L la longitud del tubo y v la velocidad del sonido en el aire. El tubo abierto puede emitir, además del sonido fundamental, la serie completa de todos sus armónicos, que tendrán las frecuencias n = nv/2L (con n = 2, 3, 4, etc.).

                      

EL VALOR DE LA FRECUENIA PARA ESTOS TUBOS ES EL MISMO QUE PARA LA CUERDA VIBRANTE, SOLO QUE LA VELOCIDAD V, ES LA VELOCIDAD DEL SONIDO ( 340 M/SEG) 

 LUEGO:  

7.2.2.  TUBOS SONOROS CERRADOS:

 En el caso de los tubos cerrados, la frecuencia fundamental es v/4L. El tubo abierto puede emitir además del sonido fundamental la serie de los armónicos impares, que tendrán las frecuencias n = (2n – 1)v/4L (con n = 2, 3, 4, etc.).

      El valor de la frecuencia para estos tubos difiere a la de los tubos sonoros abiertos en el valor de la constante 2 , por 4, y que solo se generan para valores impares de n ( n = 1,3,5,7, etc).  Luego: