Sonido. Cuando se golpea un tambor, el parche vibra y las vibraciones se transmiten a través del aire en forma de ondas sonoras. . Cuando llegan al oído, estas ondas producen la sensación de sonido.
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. El decibel (dB) es la unidad utilizada para medir la intensidad del sonido. un sonido. Un tono de 3000 hercios de 0 dB es el sonido más suave que un oído humano normal puede oír. 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 equivale a un ciclo (vibración u onda sonora) por segundo. La intensidad de un sonido es una medida del poder de sus ondas. El volumen se refiere a qué tan fuerte parece un sonido cuando lo escuchamos. El ruido es un sonido desagradable. molesto y que distrae. El tono es el grado de intensidad o intensidad de un sonido tal como lo escuchamos. La rarefacción es una región de una onda sonora en la que la densidad del medio sonoro es menor de lo normal. La frecuencia de resonancia es la frecuencia a la que un el objeto vibraría naturalmente si se lo perturbara. Un medio sonoro es una sustancia en la que viajan las ondas sonoras. El aire, por ejemplo, es un medio sonoro. La calidad del sonido, también llamada timbre, es una característica de los sonidos musicales. La calidad del sonido distingue entre notas de la misma frecuencia e intensidad producidas por diferentes instrumentos musicales. El ultrasonido es un sonido con frecuencias superiores al rango del oído humano, es decir, superiores a 20 000 hercios. La longitud de onda es la distancia entre cualquier punto de una onda y el punto correspondiente en la siguiente ola.Técnicamente, el sonido se define como una perturbación mecánica que se propaga a través de un medio elástico, un material que tiende a volver a su estado original después de deformarse. El medio no tiene por qué ser aire. El metal, la madera, la piedra, el vidrio, el agua y muchas otras sustancias conducen el sonido, muchas de ellas incluso mejor que el aire.
Contenido
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 produzca una perturbación en un medio elástico es una fuente de sonido.
El sonido se puede describir en términos de tono (desde el retumbar grave de un trueno distante hasta el zumbido agudo de un mosquito) y volumen. El tono y el volumen, sin embargo, son cualidades subjetivas; dependen en parte del sentido del oído del oyente. Las cualidades objetivas y mensurables del sonido incluyen la frecuencia y la intensidad, que están relacionadas con el tono y el volumen. Estos términos, así como otros utilizados al hablar del sonido, se entienden mejor mediante un examen de las ondas sonoras y su comportamiento.
Velocidad del sonido en varios medios
El aire, como toda la materia, está formado por moléculas. Incluso una pequeña región de aire contiene una gran cantidad de moléculas de aire. Las moléculas están en constante movimiento, viajando aleatoriamente y a gran velocidad. Chocan y rebotan constantemente entre sí y golpean y rebotan en objetos que están en contacto con el aire.
Cuando un objeto vibra produce ondas sonoras en el aire. Por ejemplo, cuando se golpea el parche de un tambor 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 y luego alejándose del aire junto a él. Las partículas de aire que golpean el parche mientras se mueve hacia afuera rebotan con más energía y velocidad de lo normal, habiendo recibido un empujón del parche.
Estas moléculas que se mueven más rápido se mueven hacia el aire circundante. Por un momento, la región junto al parche tiene una concentración de moléculas de aire mayor de lo normal:se convierte en una región de compresión. A medida que las moléculas que se mueven más rápido, alcanzan a las moléculas de aire en el aire circundante, chocan con ellas y transmiten su energía adicional. 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 lejos.
Las moléculas de aire que golpean el parche mientras se mueve hacia adentro rebotan con menos energía y velocidad de lo normal. Por un momento, la región junto 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 se desplaza hacia afuera.
Características de las ondas sonorasLa naturaleza del sonido se capta a través de sus características fundamentales:longitud de onda (la distancia entre los picos de las ondas), amplitud (la altura de la onda, correspondiente al volumen), frecuencia (el número de ondas que pasan por un punto por segundo, en relación con el tono), período de tiempo (el tiempo que tarda en ocurrir un ciclo completo de onda) y velocidad (la velocidad a la que la onda viaja a través de un medio). Estas propiedades se entrelazan para crear la firma única de cada sonido que escuchamos.
La naturaleza ondulatoria del sonido se vuelve evidente cuando se dibuja un gráfico que muestra los cambios en la concentración de las 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 vibrante, mostraría una onda sinusoidal (ilustrada aquí). La curva muestra los cambios de concentración. Comienza, de forma arbitraria, en algún momento en el que la concentración es normal y recién llega 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 (abreviado Hz). La amplitud es la mayor cantidad en la que la concentración de moléculas de aire varía de lo normal.
La longitud de onda de un sonido es la distancia que recorre la perturbación durante un ciclo. Está relacionado con la velocidad y la 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 20 Hz y tan altas como 20.000 Hz. En aire en calma a temperatura ambiente, los sonidos con estas frecuencias tienen longitudes de onda de 23 m (75 pies) y 1,7 cm (0,68 pulgadas), 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 decibeles (db). La escala de decibeles se define de la siguiente manera:Una intensidad de 10 a 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 disminuye rápidamente al aumentar la distancia desde 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 mayor que a una distancia de un pie; a tres pies es sólo una novena parte de lo que es a un pie, etc.
El tono depende de la frecuencia; en general, un aumento de frecuencia provoca una sensación de tono ascendente. Sin embargo, la capacidad de distinguir entre dos sonidos que tienen una frecuencia similar disminuye en las partes superior e inferior del rango de frecuencia audible. También existe variación de persona a persona en la capacidad de distinguir entre dos sonidos de casi la misma frecuencia. Algunos músicos capacitados pueden detectar diferencias de frecuencia tan pequeñas como 1 o 2 Hz.
Debido al funcionamiento del mecanismo auditivo, la percepción del tono también se ve afectada por la intensidad. Así, cuando se acerca al oído un diapasón que vibra a 440 Hz (la frecuencia de La por encima del Do medio en el piano), se escucha un tono ligeramente más bajo, como si el diapasón vibrara más lentamente.
Cuando la fuente de un sonido se mueve a una velocidad relativamente alta, un oyente estacionario escucha un sonido de tono más alto cuando la fuente se acerca a él 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 mayor 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 sólo es dos veces más fuerte. El volumen se duplica con cada aumento de 10 dB en la intensidad.
El volumen también se ve afectado 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 en la mayoría de las personas) es de aproximadamente 0 dB en el rango de frecuencia de 2000 a 5000 Hz. Para frecuencias por debajo y por encima de este rango, los sonidos deben tener mayor intensidad para ser escuchados. Así, por ejemplo, un sonido de 100 Hz apenas es audible a 30 dB; un sonido de 10.000 Hz apenas se oye a 20 dB. Entre 120 y 140 dB, la mayoría de las personas experimentan malestar físico o dolor real, y este nivel de intensidad se conoce como umbral de dolor.
Ondas transversales versus ondas longitudinalesCuando visualizamos olas, a menudo pensamos en ondas transversales, como las olas de una playa, donde el movimiento de la ola es perpendicular a la dirección de transferencia de energía. Sin embargo, las ondas sonoras son de un tipo completamente diferente:una onda longitudinal. En las ondas sonoras longitudinales, como las producidas por el parche de un tambor que vibra o por nuestras cuerdas vocales, las partículas del medio se mueven paralelas a la dirección de viaje de la onda. Este movimiento crea áreas de compresión y rarefacción en el medio (ya sea aire, agua o un sólido) que nuestros oídos interpretan como sonido. Comprender la diferencia entre ondas longitudinales y transversales es fundamental para comprender el sonido.
La velocidad del sonido depende de la elasticidad y densidad del medio por el que 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, más rápido se mueve el sonido 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, el hidrógeno y el hierro. El aire y el hidrógeno tienen casi las mismas propiedades elásticas, pero la densidad del hidrógeno es menor que la del aire. El sonido viaja más rápido (aproximadamente 4 veces más rápido) en el hidrógeno que en el aire. Aunque la densidad del aire es mucho menor que la del hierro, la elasticidad del hierro es mucho mayor que la del aire. 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 el aire, por ejemplo, la velocidad del sonido aumenta con el aumento de la temperatura. A 32 °F. (0 °C.), la velocidad del sonido en el aire es de 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 está por encima de la velocidad del sonido. Un objeto que viaja a velocidad supersónica produce ondas de choque en lugar de ondas sonoras ordinarias. Una onda de choque es una onda de compresión que, cuando se produce en el aire, normalmente puede escucharse como un estampido sónico.
Las velocidades de los objetos supersónicos a menudo se expresan en términos de número de Mach:la relación entre la velocidad del objeto y la velocidad del sonido en el aire circundante. Por tanto, un objeto que viaja a Mach 1 viaja a la velocidad del sonido; a Mach 2, viaja al doble de la velocidad del sonido.
Al igual que las ondas de luz y otras ondas, las ondas sonoras se reflejan, refractan y difractan y presentan interferencias.
El sonido se refleja constantemente en muchas superficies diferentes. La mayoría de las veces el sonido reflejado no se nota, porque dos sonidos idénticos que llegan al oído humano con menos de 1/15 de segundo de diferencia 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 con el que incide sobre la superficie. Este hecho permite enfocar el sonido mediante superficies reflectantes curvas del mismo modo que se pueden utilizar espejos curvos para enfocar la luz. También explica los efectos de las llamadas galerías de susurros, salas en las que una palabra susurrada en un punto puede oírse claramente en otro punto bastante lejano, aunque no puede oírse en ningún otro lugar de la sala. (El Salón Nacional de las Estatuas del Capitolio de los Estados Unidos es un ejemplo). La reflexión también se utiliza para enfocar el sonido en un megáfono y cuando se llama con las manos ahuecadas.
La reflexión del sonido puede suponer un grave problema en salas de conciertos y auditorios. En una sala mal diseñada, la primera palabra de un orador puede reverberar (hacer eco repetidamente) durante varios segundos, de modo que los oyentes puedan escuchar todas las palabras de una oración resonando al mismo tiempo. La música puede distorsionarse de manera similar. Estos problemas suelen corregirse cubriendo las superficies reflectantes con materiales absorbentes del sonido, como cortinas o baldosas acústicas. La ropa también absorbe el sonido; por este motivo, la reverberación es mayor en una sala vacía que en una llena de gente. Todos estos materiales fonoabsorbentes son porosos; Las ondas sonoras que entran en los pequeños espacios llenos de aire rebotan en ellos hasta que se agota su energía. De hecho, están atrapados.
Algunos animales, en particular los murciélagos, utilizan el reflejo del sonido para la ecolocalización:localizar y, en algunos casos, identificar objetos a través del sentido del oído en lugar del sentido de la vista. Los murciélagos emiten ráfagas de sonido en frecuencias mucho más allá de los límites superiores del oído humano. Los sonidos con longitudes de onda cortas se reflejan incluso en objetos muy pequeños. Un murciélago puede localizar y atrapar infaliblemente incluso un mosquito en total oscuridad. El sonar es una forma artificial de ecolocalización.
Cuando una onda pasa de un material a otro en ángulo, generalmente cambia de velocidad, lo que hace 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 ondas sonoras desde la fuente secundaria se llama difracción. Debido a este fenómeno, se puede escuchar sonido en las esquinas a pesar de que las ondas sonoras generalmente viajan en línea recta.
Siempre que las ondas interactúan, se produce interferencia. En el caso de las ondas sonoras, el fenómeno tal vez 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 de modo que sus compresiones y rarefacciones coincidan, se refuerzan entre sí (interferencia constructiva). Cuando están desfasados, de modo que las compresiones de uno coinciden 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 los auditorios, la interferencia destructiva entre el sonido del escenario y el sonido reflejado desde otras partes de la sala puede crear puntos muertos en los que tanto el volumen como la claridad del sonido son deficientes. Estas interferencias pueden reducirse mediante el uso de materiales absorbentes del sonido en superficies reflectantes. Por otro lado, las interferencias pueden mejorar las cualidades acústicas de un auditorio. Esto se consigue disponiendo las superficies reflectantes de tal manera que el nivel de sonido aumente en la zona en la que se sienta el público.
La interferencia entre dos ondas de frecuencias casi iguales, pero no del todo iguales, produce un tono de intensidad que aumenta y disminuye alternativamente porque las dos ondas continuamente entran y salen de fase. Las pulsaciones que se escuchan se llaman latidos. Los afinadores de pianos hacen uso de este efecto, ajustando el tono de una cuerda frente al de un diapasón estándar hasta que ya no se pueden escuchar los ritmos.
El sonido es una onda de presiónLas ondas sonoras son fundamentalmente ondas de presión, que viajan a través de la compresión y rarefacción de partículas dentro de un medio. Las ondas sonoras constan de áreas donde las partículas se agrupan, seguidas de áreas donde se separan. Estas regiones de alta y baja presión se propagan a través de entornos como el aire, el agua o los sólidos, a medida que la energía de la onda sonora pasa de una partícula a otra. Es la rápida variación de presión que detecta el tímpano y el cerebro decodifica los sonidos que escuchamos.
Los sonidos de una única 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 un patrón repetitivo. La traza del osciloscopio del sonido de una trompeta muestra ese patrón. Para la mayoría de los sonidos no musicales, como los de un globo al estallar o el de una persona tosiendo, el trazo de un osciloscopio mostraría un patrón irregular e irregular, lo que indica una mezcla de frecuencias y amplitudes.
Tanto una columna de aire, como la de una trompeta, como la cuerda de un piano tienen una frecuencia fundamental:la frecuencia a la que vibran más fácilmente cuando se ponen en movimiento. Para 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 de números 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 calidad o timbre distintivo. La adición de más armónicos produciría un patrón complicado, como el del trazo del osciloscopio del sonido de la trompeta.
Tres leyes describen cómo la frecuencia fundamental de una cuerda vibrante depende de la longitud, la tensión y la masa por unidad de longitud de la cuerda:
Reducir a la mitad la longitud de una cuerda vibrante duplicará su frecuencia, elevando el tono en una octava, si la tensión sigue siendo la misma.
Aumentar la tensión de una cuerda vibrante aumenta la frecuencia; si la tensión se multiplica por cuatro, la frecuencia se duplica y el tono aumenta una octava.
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 que la de la cuerda más delgada y produce un tono una octava más grave.
Uno de los primeros descubrimientos sobre el 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. Es posible que Pitágoras también entendiera que la sensación del sonido es causada por vibraciones. Poco después de su época se reconoció que esta sensación depende de 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:demostró que no se podía oír el sonido de una campana en un frasco del que se había extraído aire.
Ernst Chladni, un físico alemán, realizó extensos análisis de las vibraciones del sonido a finales del siglo XVIII y principios del XIX. A principios del siglo XIX, el matemático francés Fourier descubrió que ondas tan complejas como las producidas por una cuerda vibrante con todos sus armónicos consisten en una serie de ondas periódicas simples.
Wallace Clement Sabine, físico de la Universidad de Harvard, hizo una importante contribución a la comprensión de la acústica 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 resultó ser de 5 1/2 segundos en la sala de conferencias. Experimentando primero con cojines de asientos de un teatro cercano y luego con otros materiales absorbentes de sonido y otros métodos, Sabine sentó las bases de la acústica arquitectónica. Diseñó el Boston Symphony Hall (inaugurado en 1900), el primer edificio con una acústica formulada científicamente.
En la segunda mitad del siglo XX, el creciente nivel de ruido en el mundo moderno (particularmente en las zonas urbanas) impulsó toda una nueva serie de investigaciones, que se ocupaban en gran parte de los efectos fisiológicos y psicológicos del ruido en los seres humanos.
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