Sonido. Cuando se golpea un tambor, el parche vibra y las vibraciones se transmiten a través del aire en forma de ondas. Cuando golpean la oreja, estas ondas producen la sensación de sonido. También hay sonido que no se puede escuchar, sin embargo:infrasonido, por debajo del rango de audición humana, y ultrasonido, por encima del rango de audición humana.
Términos utilizados en el estudio del sonido La acústica es la ciencia del sonido y de sus efectos en las personas. La condensación es una región de una onda sonora en la que el medio sonoro es más denso de lo normal. Decibel (dB) es la unidad que se utiliza para medir la intensidad de una onda sonora. un sonido. A 3, El tono de 000 hercios de 0 dB es el sonido más suave que puede escuchar un oído humano normal. La frecuencia de un sonido es el número de ondas sonoras que pasan por un punto determinado cada segundo. Hercios es la unidad utilizada para medir la frecuencia de las ondas sonoras. Un hercio es igual a un ciclo (vibración, u onda de sonido) por segundo.La intensidad de un sonido es una medida de la potencia de sus ondas.La sonoridad se refiere a qué tan fuerte parece un sonido cuando lo escuchamos.El ruido es un sonido que es desagradable, molesto, El tono es el grado de alto o bajo de un sonido tal como lo escuchamos. La rarefacción es una región en una onda de sonido en la que la densidad del medio sonoro es menor de lo normal. La frecuencia de resonancia es la frecuencia a la que un objeto vibran naturalmente si se les molesta. El medio sonoro es una sustancia en la que viajan las ondas sonoras. Aire, por ejemplo, es un medio de sonido Calidad de sonido, también llamado timbre, es una característica de los sonidos musicales. La calidad del sonido distingue entre notas de la misma frecuencia e intensidad que son producidas por diferentes instrumentos musicales. El ultrasonido es un sonido con frecuencias por encima del rango del oído humano, es decir, por encima de 20, 000 hercios. La longitud de onda es la distancia entre cualquier punto de una onda y el punto correspondiente de la siguiente.Técnicamente, el sonido se define como una perturbación mecánica que viaja a través de un medio elástico, un material que tiende a volver a su condición original después de deformarse. El medio no necesita ser aire; metal, madera, piedra, vidrio, agua, y muchas otras sustancias conducen el sonido, muchos de ellos mejores que el aire.
Hay muchas fuentes de sonido. Los tipos familiares incluyen la vibración de las cuerdas vocales de una persona, cuerdas vibrantes (piano, violín), una columna de aire vibrante (trompeta, flauta), y sólidos vibrantes (una puerta cuando alguien llama). Es imposible enumerarlos todos, porque cualquier cosa que imparta una perturbación a un medio elástico (como, por ejemplo, un petardo que explota al aire circundante) es una fuente de sonido.
El sonido se puede describir en términos de tono, desde el retumbar bajo de un trueno distante hasta el zumbido agudo de un mosquito, y volumen. Tono y volumen, sin embargo, son cualidades subjetivas; dependen en parte del sentido del oído del oyente. Objetivo, Las cualidades mensurables del sonido incluyen frecuencia e intensidad, que están relacionados con el tono y el volumen. Estos términos, así como otros usados para discutir el sonido, se comprenden mejor mediante el examen de las ondas sonoras y su comportamiento.
Velocidad del sonido en varios medios Media Velocidad en pies por segundo Velocidad en metros por segundo Aire a 59 grados F (15 grados C) 1, 116340 Aluminio 16, 0005, 000Ladrillo 11, 9803, 650 Agua destilada a 77 grados F. (25 grados C) 4, 9081, 496 Vidrio 14, 9004, 540 Agua de mar a 77 grados F. (25 grados C) 5, 0231, 531 Acero 17, 1005, 200 Madera (arce) 13, 4804, 110Contenido
Aire, como toda materia, consta de moléculas. Incluso una pequeña región de aire contiene una gran cantidad de moléculas de aire. Las moléculas están en constante movimiento, viajando al azar y a gran velocidad. Chocan y rebotan constantemente entre sí y golpean y rebotan de objetos que están en contacto con el aire.
Un objeto que vibra producirá ondas sonoras en el aire. Por ejemplo, cuando la cabeza de un tambor es golpeada con un mazo, el parche vibra y produce ondas sonoras. El parche vibrante produce ondas sonoras porque se mueve alternativamente hacia afuera y hacia adentro, empujando contra luego alejarse de, el aire a su lado. Las moléculas de aire que golpean el parche mientras se mueve hacia afuera rebotan con más energía y velocidad de las normales. habiendo recibido un empujón del parche. Estas moléculas de movimiento más rápido se mueven hacia el aire circundante. Por un momento, por lo tanto, la región próxima al parche tiene una concentración de moléculas de aire mayor que la normal; se convierte en una región de compresión. A medida que las moléculas de movimiento más rápido superan a las moléculas de aire en el aire circundante, chocan con ellos y transmiten su energía extra. La región de compresión se mueve hacia afuera a medida que la energía del parche vibrante se transfiere a grupos de moléculas cada vez más alejados.
Las moléculas de aire que golpean el parche mientras se mueve hacia adentro rebotan con menos de su energía y velocidad normales. Por un momento, por lo tanto, la región próxima al parche tiene menos moléculas de aire de lo normal, se convierte en una región de rarefacción. Las moléculas que chocan con estas moléculas de movimiento más lento también rebotan con menos velocidad de lo normal, y la región de rarefacción viaja hacia afuera.
La naturaleza ondulatoria del sonido se hace evidente cuando se dibuja un gráfico para mostrar los cambios en la concentración de moléculas de aire en algún punto a medida que los pulsos alternos de compresión y rarefacción pasan por ese punto. El gráfico de un solo tono puro, como el producido por un diapasón. La curva muestra los cambios de concentración. Comienza, arbitrariamente, en algún momento cuando la concentración sea normal y esté llegando un pulso de compresión. La distancia de cada punto de la curva desde el eje horizontal indica cuánto varía la concentración de lo normal.
Cada compresión y la siguiente rarefacción constituyen un ciclo. (Un ciclo también se puede medir desde cualquier punto de la curva hasta el siguiente punto correspondiente). La frecuencia de un sonido se mide en ciclos por segundo, o hercios (Hz abreviado). La amplitud es la mayor cantidad por la cual la concentración de moléculas de aire varía de la normal.
La longitud de onda de un sonido es la distancia que recorre la perturbación durante un ciclo. Está relacionado con la velocidad y frecuencia del sonido mediante la fórmula velocidad / frecuencia =longitud de onda. Esto significa que los sonidos de alta frecuencia tienen longitudes de onda cortas y los sonidos de baja frecuencia tienen longitudes de onda largas. El oído humano puede detectar sonidos con frecuencias tan bajas como 15 Hz y tan altas como 20, 000 Hz. En aire quieto a temperatura ambiente, Los sonidos con estas frecuencias tienen longitudes de onda de 75 pies (23 m) y 0,68 pulgadas (1,7 cm) respectivamente.
La intensidad se refiere a la cantidad de energía transmitida por la perturbación. Es proporcional al cuadrado de la amplitud. La intensidad se mide en vatios por centímetro cuadrado o en decibelios (db). La escala de decibelios se define de la siguiente manera:una intensidad de 10-16 vatios por centímetro cuadrado equivale a 0 db. (Escrito en forma decimal, 10-16 aparece como 0.0000000000000001.) Cada aumento de diez veces en vatios por centímetro cuadrado significa un aumento de 10 db. Así, una intensidad de 10-15 vatios por centímetro cuadrado también se puede expresar como 10 db y una intensidad de 10-4 (o 0,0001) vatios por centímetro cuadrado como 120 db.
La intensidad del sonido cae rápidamente al aumentar la distancia de la fuente. Para una pequeña fuente de sonido que irradia energía uniformemente en todas direcciones, la intensidad varía inversamente con el cuadrado de la distancia desde la fuente. Es decir, a una distancia de dos pies de la fuente, la intensidad es un cuarto de lo que es a una distancia de un pie; a tres pies es solo una novena parte del tamaño de un pie, etc.
El tono depende de la frecuencia; en general, un aumento de frecuencia provoca una sensación de tono ascendente. La capacidad de distinguir entre dos sonidos que tienen una frecuencia cercana, sin embargo, disminuye en las partes superior e inferior del rango de frecuencia audible. También existe una variación de persona a persona en la capacidad de distinguir entre dos sonidos de casi la misma frecuencia. Algunos músicos entrenados pueden detectar diferencias de frecuencia tan pequeñas como 1 o 2 Hz.
Debido a la forma en que funciona el mecanismo auditivo, la percepción del tono también se ve afectada por la intensidad. Por lo tanto, cuando un diapasón que vibra a 440 Hz (la frecuencia de A por encima del C medio en el piano) se acerca al oído, un tono ligeramente más bajo, como si el tenedor vibrara más lentamente, se escucha.
Cuando la fuente de un sonido se mueve a una velocidad relativamente alta, un oyente inmóvil escucha un sonido de tono más alto cuando la fuente se mueve hacia él o ella, y un sonido de tono más bajo cuando la fuente se aleja. Este fenómeno, conocido como efecto Doppler, se debe a la naturaleza ondulatoria del sonido.
En general, un aumento de intensidad provocará una sensación de aumento de volumen. Pero el volumen no aumenta en proporción directa a la intensidad. Un sonido de 50 dB tiene diez veces la intensidad de un sonido de 40 dB, pero es solo el doble de fuerte. La sonoridad se duplica con cada aumento de 10 dB de intensidad.
La sonoridad también se ve afectada por la frecuencia, porque el oído humano es más sensible a algunas frecuencias que a otras. El umbral de audición, la intensidad de sonido más baja que producirá la sensación de audición para la mayoría de las personas, es de aproximadamente 0 dB en 2, 000 a 5, Rango de frecuencia de 000 Hz. Para frecuencias por debajo y por encima de este rango, los sonidos deben tener mayor intensidad para ser escuchados. Por lo tanto, por ejemplo, un sonido de 100 Hz es apenas audible a 30 dB; un sonido de 10, 000 Hz es apenas audible a 20 dB. A 120 a 140 dB, la mayoría de las personas experimentan malestar físico o dolor real, y este nivel de intensidad se denomina umbral de dolor.
La velocidad del sonido depende de la elasticidad y densidad del medio a través del cual viaja. En general, el sonido viaja más rápido en líquidos que en gases y más rápido en sólidos que en líquidos. Cuanto mayor es la elasticidad y menor la densidad, el sonido más rápido viaja en un medio. La relación matemática es velocidad =(elasticidad / densidad).
El efecto de la elasticidad y la densidad sobre la velocidad del sonido se puede ver comparando la velocidad del sonido en el aire, hidrógeno, y plancha. El aire y el hidrógeno tienen casi las mismas propiedades elásticas, pero la densidad del hidrógeno es menor que la del aire. Por tanto, el sonido viaja más rápido (aproximadamente 4 veces más rápido) en hidrógeno que en aire. Aunque la densidad del aire es mucho menor que la del hierro, la elasticidad del hierro es mucho mayor que la del aire. Por tanto, el sonido viaja más rápido (unas 14 veces más rápido) en el hierro que en el aire.
La velocidad del sonido en un material, particularmente en un gas o líquido, varía con la temperatura porque un cambio de temperatura afecta la densidad del material. En aire, por ejemplo, la velocidad del sonido aumenta con el aumento de temperatura. A 32 ° F. (0 ° C.), la velocidad del sonido en el aire es 1, 087 pies por segundo (331 m / s); a 68 ° F. (20 ° C), es 1, 127 pies por segundo (343 m / s).
Los términos subsónico y supersónico se refieren a la velocidad de un objeto, como un avión, en relación con la velocidad del sonido en el aire circundante. Una velocidad subsónica está por debajo de la velocidad del sonido; una velocidad supersónica, por encima de la velocidad del sonido. Un objeto que viaja a velocidad supersónica produce ondas de choque en lugar de ondas de sonido ordinarias. Una onda de choque es una onda de compresión que, cuando se produce en el aire, generalmente se puede escuchar como un boom sónico.
Las velocidades de los objetos supersónicos se expresan a menudo en términos de número de Mach, la relación entre la velocidad del objeto y la velocidad del sonido en el aire circundante. Así, un objeto que viaja a Mach 1 lo hace a la velocidad del sonido; a Mach 2 viaja al doble de la velocidad del sonido.
Como ondas de luz y otras ondas, las ondas sonoras se reflejan, refractado, y difractado, y exhibir interferencia.
El sonido se refleja constantemente en muchas superficies diferentes. La mayoría de las veces no se nota el sonido reflejado, porque dos sonidos idénticos que llegan al oído humano con una diferencia de menos de 1/15 de segundo no pueden distinguirse como sonidos separados. Cuando el sonido reflejado se escucha por separado, se llama eco.
El sonido se refleja desde una superficie en el mismo ángulo en el que golpea la superficie. Este hecho permite enfocar el sonido mediante superficies reflectantes curvas de la misma manera que los espejos curvos pueden utilizarse para enfocar la luz. También explica los efectos de las llamadas galerías susurrantes, habitaciones en las que una palabra susurrada en un punto puede oírse claramente en algún otro punto bastante lejano, aunque no se puede escuchar en ningún otro lugar de la habitación. (Statuary Hall del Capitolio de los Estados Unidos es un ejemplo). La reflexión también se usa para enfocar el sonido en un megáfono y cuando se llama con las manos ahuecadas.
El reflejo del sonido puede suponer un grave problema en salas de conciertos y auditorios. En una sala mal diseñada, la primera palabra de un hablante puede reverberar (hacer eco repetidamente) durante varios segundos, para que los oyentes puedan escuchar todas las palabras de una oración resonando al mismo tiempo. La música se puede distorsionar de manera similar. Por lo general, estos problemas se pueden corregir cubriendo las superficies reflectantes con materiales que absorban el sonido, como cortinas o baldosas acústicas. La ropa también absorbe el sonido; por esta razón, la reverberación es mayor en una sala vacía que en una llena de gente. Todos estos materiales fonoabsorbentes son porosos; las ondas de sonido que entran en los pequeños espacios llenos de aire rebotan en ellos hasta que se gasta su energía. Son, en efecto, atrapado.
Algunos animales utilizan el reflejo del sonido, en particular murciélagos y ballenas dentadas, para la ecolocalización:localización, y en algunos casos identificando, objetos a través del sentido del oído en lugar del sentido de la vista. Los murciélagos y las ballenas dentadas emiten ráfagas de sonido de frecuencias mucho más allá de los límites superiores del oído humano, tan alto como 200, 000 Hz en el caso de las ballenas. Los sonidos con longitudes de onda cortas se reflejan incluso en objetos muy pequeños. Un murciélago puede localizar y atrapar infaliblemente incluso a un mosquito en la oscuridad total. El sonar es una forma artificial de ecolocalización.
Cuando una onda pasa de un material a otro en ángulo, generalmente cambia de velocidad, haciendo que el frente de onda se doble. La refracción del sonido se puede demostrar en un laboratorio de física utilizando un globo con forma de lente lleno de dióxido de carbono para enfocar las ondas sonoras.
Cuando las ondas sonoras pasan alrededor de un obstáculo o a través de una abertura en un obstáculo, el borde del obstáculo o la abertura actúa como una fuente de sonido secundaria, enviando ondas de la misma frecuencia y longitud de onda (pero de menor intensidad) que la fuente original. La propagación de las ondas sonoras de la fuente secundaria se llama difracción. Debido a este fenómeno, el sonido se puede escuchar en las esquinas a pesar de que las ondas sonoras generalmente viajan en línea recta.
Siempre que las olas interactúan, se produce interferencia. En el caso de las ondas sonoras, el fenómeno quizás se comprenda mejor si se piensa en términos de las compresiones y rarefacciones de las dos ondas a medida que llegan a algún punto. Cuando las ondas están en fase para que coincidan sus compresiones y rarefacciones, se refuerzan mutuamente (interferencia constructiva). Cuando están desfasados, para que las compresiones de uno coincidan con las rarefacciones del otro, tienden a debilitarse o incluso anularse entre sí (interferencia destructiva). La interacción entre las dos ondas produce una onda resultante.
En auditorios La interferencia destructiva entre el sonido del escenario y el sonido reflejado en otras partes de la sala puede crear puntos muertos en los que tanto el volumen como la claridad del sonido son deficientes. Dicha interferencia se puede reducir mediante el uso de materiales absorbentes de sonido en superficies reflectantes. Por otra parte, la interferencia puede mejorar las cualidades acústicas de un auditorio. Esto se hace colocando las superficies reflectantes de tal manera que el nivel de sonido realmente aumente en el área en la que se sienta la audiencia.
La interferencia entre dos ondas de frecuencias casi iguales, pero no del todo iguales, produce un tono de intensidad creciente y decreciente alternativamente, porque las dos ondas caen continuamente dentro y fuera de fase. Las pulsaciones que se escuchan se llaman latidos. Los afinadores de piano utilizan este efecto, ajustar el tono de una cuerda contra el de un diapasón estándar hasta que los tiempos ya no se escuchen.
Los sonidos de una sola frecuencia pura se producen únicamente mediante diapasones y dispositivos electrónicos llamados osciladores; la mayoría de los sonidos son una mezcla de tonos de diferentes frecuencias y amplitudes. Los tonos producidos por los instrumentos musicales tienen una característica importante en común:son periódicos, es decir, las vibraciones ocurren en patrones repetidos. El rastro del osciloscopio del sonido de una trompeta muestra tal patrón. Para la mayoría de los sonidos no musicales, como los de un globo que estalla o una persona tosiendo, un trazo de osciloscopio mostraría un irregular, patrón irregular, indicando un revoltijo de frecuencias y amplitudes.
Una columna de aire como eso en una trompeta, y una cuerda de piano tienen una frecuencia fundamental, la frecuencia a la que vibran con mayor facilidad cuando se ponen en movimiento. Por una columna de aire vibrante, esa frecuencia está determinada principalmente por la longitud de la columna. (Las válvulas de la trompeta se utilizan para cambiar la longitud efectiva de la columna). Para una cuerda vibrante, la frecuencia fundamental depende de la longitud de la cuerda, su tensión, y su masa por unidad de longitud.
Además de su frecuencia fundamental, una cuerda o columna de aire vibrante también produce armónicos con frecuencias que son múltiplos enteros de la frecuencia fundamental. Es el número de armónicos producidos y su fuerza relativa lo que le da a un tono musical de una fuente determinada su cualidad distintiva. o timbre. La adición de más matices produciría un patrón complicado, como el de la traza del osciloscopio del sonido de la trompeta.
Cómo la frecuencia fundamental de una cuerda vibrante depende de la longitud de la cuerda, tensión, y la masa por unidad de longitud se describe mediante tres leyes:
1. La frecuencia fundamental de una cuerda vibrante es inversamente proporcional a su longitud.
Reducir la longitud de una cuerda vibrante a la mitad duplicará su frecuencia, subiendo el tono en una octava, si la tensión sigue siendo la misma.
2. La frecuencia fundamental de una cuerda vibrante es directamente proporcional a la raíz cuadrada de la tensión.
El aumento de la tensión de una cuerda en vibración aumenta la frecuencia; si la tensión es cuatro veces mayor, la frecuencia se duplica, y el tono se eleva una octava.
3. La frecuencia fundamental de una cuerda vibrante es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la masa por unidad de longitud.
Esto significa que de dos cuerdas del mismo material y con la misma longitud y tensión, la cuerda más gruesa tiene la frecuencia fundamental más baja. Si la masa por unidad de longitud de una cuerda es cuatro veces mayor que la de la otra, la cuerda más gruesa tiene una frecuencia fundamental la mitad de la de la cuerda más fina y produce un tono una octava más bajo.
Uno de los primeros descubrimientos con respecto al sonido se realizó en el siglo VI a.C. por el matemático y filósofo griego Pitágoras. Observó la relación entre la longitud de una cuerda que vibra y el tono que produce, lo que ahora se conoce como la primera ley de las cuerdas. Pitágoras también pudo haber entendido que la sensación del sonido es causada por vibraciones. Poco después de su época se reconoció que esta sensación depende de las vibraciones que viajan por el aire y golpean el tímpano.
Hacia 1640, el matemático francés Marin Mersenne realizó los primeros experimentos para determinar la velocidad del sonido en el aire. A Mersenne también se le atribuye el descubrimiento de la segunda y tercera leyes de las cuerdas. En 1660, el científico británico Robert Boyle demostró que la transmisión del sonido requería un medio, al demostrar que no se podía escuchar el repique de una campana en un frasco del que se había bombeado el aire.
Ernst Chladni, un físico alemán, realizó análisis exhaustivos de las vibraciones que producen sonido durante finales del siglo XVIII y principios del siglo XIX. En 1801, el matemático francés Fourier descubrió que ondas tan complejas como las producidas por una cuerda vibrante con todos sus matices consisten en una serie de ondas periódicas simples.
Durante el siglo XIX se trabajó mucho sobre las olas en general. Thomas joven, un físico inglés, Investigué especialmente sobre difracción e interferencia. Christian Johann Doppler de Austria formuló la relación matemática entre las frecuencias reales y percibidas de las ondas cuando la fuente de las ondas se mueve en relación con el observador.
Wallace Clement Sabine hizo una importante contribución a la comprensión de la acústica, un físico de la Universidad de Harvard, a finales de la década de 1890. Se le pidió a Sabine que mejorara la acústica de la sala de conferencias principal del Museo de Arte Fogg de Harvard. Fue el primero en medir el tiempo de reverberación, que fue de cinco segundos y medio en la sala de conferencias. Experimentando primero con cojines de asiento de un teatro cercano, y posteriormente con otros materiales fonoabsorbentes y otros métodos, Sabine sentó las bases de la acústica arquitectónica. Diseñó el Boston Symphony Hall (inaugurado en 1900), el primer edificio con acústica formulada científicamente.
En la segunda mitad del siglo XX, el creciente nivel de ruido en el mundo moderno, particularmente en las áreas urbanas, impulsó una nueva serie de investigaciones, tratando en gran parte de los efectos fisiológicos y psicológicos del ruido en los seres humanos.
