Sonido

Vibración que viaja a través de ondas de presión en la materia.

Un tambor produce sonido a través de una membrana vibrante .

Tambor - Cadencia A

Cadencias de tambores interpretadas por la Banda de la Marina de los Estados Unidos

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En física , el sonido es una vibración que se propaga como una onda acústica a través de un medio de transmisión como un gas, líquido o sólido. En fisiología y psicología humana , el sonido es la recepción de tales ondas y su percepción por el cerebro . ^[1] Solo las ondas acústicas que tienen frecuencias comprendidas entre aproximadamente 20 Hz y 20 kHz, el rango de frecuencia de audio , provocan una percepción auditiva en los humanos. En el aire a presión atmosférica, estas representan ondas sonoras con longitudes de onda de 17 metros (56 pies) a 1,7 centímetros (0,67 pulgadas). Las ondas sonoras por encima de 20  kHz se conocen como ultrasonidos y no son audibles para los humanos. Las ondas sonoras por debajo de 20 Hz se conocen como infrasonidos . Diferentes especies animales tienen diferentes rangos de audición .

Definición

El sonido se define como "(a) Oscilación en presión, tensión, desplazamiento de partículas, velocidad de partículas, etc., propagada en un medio con fuerzas internas (por ejemplo, elásticas o viscosas), o la superposición de dicha oscilación propagada. (b) Sensación auditiva evocada por la oscilación descrita en (a)". ^[2] El sonido puede verse como un movimiento ondulatorio en el aire u otros medios elásticos. En este caso, el sonido es un estímulo. El sonido también puede verse como una excitación del mecanismo auditivo que da como resultado la percepción del sonido. En este caso, el sonido es una sensación .

Acústica

La acústica es la ciencia interdisciplinaria que se ocupa del estudio de las ondas mecánicas en gases, líquidos y sólidos, incluyendo la vibración , el sonido, el ultrasonido y el infrasonido. Un científico que trabaja en el campo de la acústica es un acústico , mientras que alguien que trabaja en el campo de la ingeniería acústica puede ser llamado ingeniero acústico . ^[3] Un ingeniero de audio , por otro lado, se ocupa de la grabación, manipulación, mezcla y reproducción del sonido.

Las aplicaciones de la acústica se encuentran en casi todos los aspectos de la sociedad moderna, las subdisciplinas incluyen aeroacústica , procesamiento de señales de audio , acústica arquitectónica , bioacústica , electroacústica, ruido ambiental , acústica musical , control de ruido , psicoacústica , habla , ultrasonido , acústica subacuática y vibración . ^[4]

Física

Experimento con dos diapasones que oscilan normalmente a la misma frecuencia . Se golpea un diapasón con un mazo de goma, lo que hace que el segundo diapasón se excite visiblemente debido a la oscilación causada por el cambio periódico en la presión y la densidad del aire. Esto es una resonancia acústica . Cuando se coloca una pieza adicional de metal en una púa, el efecto se vuelve menos pronunciado ya que la resonancia no se logra con tanta eficacia.

El sonido puede propagarse a través de un medio como el aire, el agua y los sólidos como ondas longitudinales y también como una onda transversal en sólidos . Las ondas sonoras son generadas por una fuente de sonido, como el diafragma vibrante de un altavoz estéreo. La fuente de sonido crea vibraciones en el medio circundante. A medida que la fuente continúa vibrando el medio, las vibraciones se propagan lejos de la fuente a la velocidad del sonido , formando así la onda sonora. A una distancia fija de la fuente, la presión , la velocidad y el desplazamiento del medio varían en el tiempo. En un instante en el tiempo, la presión, la velocidad y el desplazamiento varían en el espacio. Las partículas del medio no viajan con la onda sonora. Esto es intuitivamente obvio para un sólido, y lo mismo es cierto para líquidos y gases (es decir, las vibraciones de las partículas en el gas o líquido transportan las vibraciones, mientras que la posición promedio de las partículas a lo largo del tiempo no cambia). Durante la propagación, las ondas pueden ser reflejadas , refractadas o atenuadas por el medio. ^[5]

El comportamiento de la propagación del sonido generalmente se ve afectado por tres cosas:

• Una relación compleja entre la densidad y la presión del medio. Esta relación, afectada por la temperatura, determina la velocidad del sonido en el medio.
• Movimiento del propio medio. Si el medio se mueve, este movimiento puede aumentar o disminuir la velocidad absoluta de la onda sonora dependiendo de la dirección del movimiento. Por ejemplo, la velocidad de propagación del sonido que se propaga a través del viento aumentará en función de la velocidad del viento si el sonido y el viento se mueven en la misma dirección. Si el sonido y el viento se mueven en direcciones opuestas, la velocidad de la onda sonora disminuirá en función de la velocidad del viento.
• La viscosidad del medio. La viscosidad del medio determina la velocidad a la que se atenúa el sonido. En muchos medios, como el aire o el agua, la atenuación debida a la viscosidad es insignificante.

Cuando el sonido se mueve a través de un medio que no tiene propiedades físicas constantes, puede refractarse (dispersarse o enfocarse). ^[5]

Ondas de compresión esférica (longitudinales)

Las vibraciones mecánicas que pueden interpretarse como sonido pueden viajar a través de todas las formas de materia : gases, líquidos, sólidos y plasmas . La materia que soporta el sonido se llama medio . El sonido no puede viajar a través del vacío . ^{[6] [7]}

Los estudios han demostrado que las ondas sonoras pueden transportar una pequeña cantidad de masa y están rodeadas por un campo gravitacional débil. ^[8]

Ondas

El sonido se transmite a través de gases, plasma y líquidos como ondas longitudinales , también llamadas ondas de compresión . Requiere un medio para propagarse. Sin embargo, a través de sólidos, puede transmitirse tanto como ondas longitudinales como ondas transversales . Las ondas sonoras longitudinales son ondas de desviaciones de presión alternas con respecto a la presión de equilibrio , que causan regiones locales de compresión y rarefacción , mientras que las ondas transversales (en sólidos) son ondas de tensión cortante alterna en ángulo recto con la dirección de propagación.

Las ondas sonoras se pueden observar utilizando espejos parabólicos y objetos que producen sonido. ^[9]

La energía transportada por una onda sonora oscilante se convierte de ida y vuelta entre la energía potencial de la compresión adicional (en el caso de ondas longitudinales) o la deformación por desplazamiento lateral (en el caso de ondas transversales) de la materia, y la energía cinética de la velocidad de desplazamiento de las partículas del medio.

Onda plana longitudinal y transversal

Un gráfico de "presión a lo largo del tiempo" de una grabación de 20 ms de un tono de clarinete demuestra los dos elementos fundamentales del sonido: presión y tiempo.

Los sonidos se pueden representar como una mezcla de sus componentes, ondas sinusoidales de diferentes frecuencias. Las ondas inferiores tienen frecuencias más altas que las superiores. El eje horizontal representa el tiempo.

Aunque la transmisión de los sonidos presenta muchas complejidades, en el punto de recepción (es decir, los oídos), el sonido se puede dividir fácilmente en dos elementos simples: presión y tiempo. Estos elementos fundamentales forman la base de todas las ondas sonoras y se pueden utilizar para describir, en términos absolutos, todos los sonidos que oímos.

Para comprender mejor el sonido, una onda compleja como la que se muestra con fondo azul a la derecha de este texto, suele separarse en sus partes componentes, que son una combinación de varias frecuencias de ondas sonoras (y ruido). ^{[10] [11] [12]}

Las ondas sonoras suelen simplificarse a una descripción en términos de ondas planas sinusoidales , que se caracterizan por estas propiedades genéricas:

• Frecuencia , o su inversa, longitud de onda
• Amplitud , presión sonora o intensidad
• Velocidad del sonido
• Dirección

El sonido que es perceptible por los humanos tiene frecuencias de aproximadamente 20 Hz a 20.000 Hz. En el aire a temperatura y presión estándar , las longitudes de onda correspondientes de las ondas sonoras varían de 17 m (56 pies) a 17 mm (0,67 pulgadas). A veces, la velocidad y la dirección se combinan como un vector de velocidad ; el número de onda y la dirección se combinan como un vector de onda .

Las ondas transversales , también conocidas como ondas de corte , tienen la propiedad adicional de la polarización , que no es una característica de las ondas sonoras longitudinales. ^[13]

Velocidad

El avión F/A-18 de la Armada estadounidense se acerca a la velocidad del sonido. El halo blanco está formado por gotitas de agua condensada que se cree que son resultado de una caída de la presión del aire alrededor del avión (véase la singularidad de Prandtl-Glauert ). ^[14]

La velocidad del sonido depende del medio por el que pasan las ondas y es una propiedad fundamental del material. El primer esfuerzo significativo para medir la velocidad del sonido lo realizó Isaac Newton . Creía que la velocidad del sonido en una sustancia particular era igual a la raíz cuadrada de la presión que actúa sobre ella dividida por su densidad:

${\displaystyle c={\sqrt {\frac {p}{\rho }}}.}$

Esto se demostró más tarde que era incorrecto y el matemático francés Laplace corrigió la fórmula al deducir que el fenómeno de la propagación del sonido no es isotérmico, como creía Newton, sino adiabático . Añadió otro factor a la ecuación, gamma , y ​​lo multiplicó por , obteniendo así la ecuación . Como , la ecuación final fue , que también se conoce como ecuación de Newton-Laplace. En esta ecuación, K es el módulo elástico volumétrico, c es la velocidad del sonido y es la densidad. Por tanto, la velocidad del sonido es proporcional a la raíz cuadrada de la relación entre el módulo volumétrico del medio y su densidad. ${\displaystyle {\sqrt {\gamma }}}$ ${\displaystyle {\sqrt {p/\rho }}}$ ${\displaystyle c={\sqrt {\gamma \cdot p/\rho }}}$ ${\displaystyle K=\gamma \cdot p}$ ${\displaystyle c={\sqrt {K/\rho }}}$ ${\displaystyle \rho }$

Esas propiedades físicas y la velocidad del sonido cambian con las condiciones ambientales. Por ejemplo, la velocidad del sonido en los gases depende de la temperatura. En el aire a 20 °C (68 °F) al nivel del mar, la velocidad del sonido es aproximadamente 343 m/s (1230 km/h; 767 mph) utilizando la fórmula v  [m/s] = 331 + 0,6  T  [°C] . La velocidad del sonido también es ligeramente sensible, al estar sujeta a un efecto anarmónico de segundo orden , a la amplitud del sonido, lo que significa que hay efectos de propagación no lineal, como la producción de armónicos y tonos mixtos que no están presentes en el sonido original (ver matriz paramétrica ). Si los efectos relativistas son importantes, la velocidad del sonido se calcula a partir de las ecuaciones relativistas de Euler .

En agua dulce, la velocidad del sonido es de aproximadamente 1.482 m/s (5.335 km/h; 3.315 mph). En el acero, la velocidad del sonido es de unos 5.960 m/s (21.460 km/h; 13.330 mph). El sonido se mueve más rápido en el hidrógeno atómico sólido a unos 36.000 m/s (129.600 km/h; 80.530 mph). ^{[15] [16]}

Nivel de presión sonora

La presión sonora es la diferencia, en un medio dado, entre la presión local promedio y la presión en la onda sonora. El cuadrado de esta diferencia (es decir, el cuadrado de la desviación de la presión de equilibrio) se promedia generalmente en el tiempo y/o el espacio, y la raíz cuadrada de este promedio proporciona un valor de raíz cuadrada media (RMS). Por ejemplo, una presión sonora RMS de 1 Pa (94 dBSPL) en el aire atmosférico implica que la presión real en la onda sonora oscila entre (1 atmPa) y (1 atmPa), es decir, entre 101323,6 y 101326,4 Pa. Como el oído humano puede detectar sonidos con una amplia gama de amplitudes, la presión sonora se mide a menudo como un nivel en una escala logarítmica de decibelios . El nivel de presión sonora (SPL) o L _p se define como ${\displaystyle -{\sqrt {2}}}$ ${\displaystyle +{\sqrt {2}}}$

${\displaystyle L_{\mathrm {p} }=10\,\log _{10}\left({\frac {{p}^{2}}{{p_{\mathrm {ref} }}^{2}}}\right)=20\,\log _{10}\left({\frac {p}{p_{\mathrm {ref} }}}\right){\mbox{ dB}}\,}$

donde p es la presión acústica cuadrática media y es una presión acústica de referencia . Las presiones acústicas de referencia comúnmente utilizadas, definidas en la norma ANSI S1.1-1994 , son 20 μPa en el aire y 1 μPa en el agua. Sin una presión acústica de referencia especificada, un valor expresado en decibeles no puede representar un nivel de presión acústica. ${\displaystyle p_{\mathrm {ref} }}$

Dado que el oído humano no tiene una respuesta espectral plana , las presiones sonoras suelen ponderarse en frecuencia para que el nivel medido coincida más estrechamente con los niveles percibidos. La Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) ha definido varios esquemas de ponderación. La ponderación A intenta hacer coincidir la respuesta del oído humano al ruido y los niveles de presión sonora ponderados A se etiquetan como dBA. La ponderación C se utiliza para medir los niveles pico.

Percepción

Un uso distinto del término sonido en física es el que se da en fisiología y psicología, donde el término se refiere al objeto de la percepción por el cerebro. El campo de la psicoacústica está dedicado a tales estudios. El diccionario Webster define el sonido como: "1. La sensación de oír, lo que se oye; especif.: a. Psicofísica. Sensación debida a la estimulación de los nervios auditivos y los centros auditivos del cerebro, generalmente por vibraciones transmitidas en un medio material, comúnmente el aire, que afectan el órgano de la audición. b. Física. Energía vibratoria que ocasiona tal sensación. El sonido se propaga por perturbaciones vibratorias longitudinales progresivas (ondas sonoras)". ^[17] Esto significa que la respuesta correcta a la pregunta: " si un árbol cae en un bosque y no hay nadie cerca para oírlo, ¿hace un sonido? " es "sí" y "no", dependiendo de si se responde utilizando la definición física o psicofísica, respectivamente.

La recepción física del sonido en cualquier organismo auditivo está limitada a un rango de frecuencias. Los humanos normalmente escuchan frecuencias de sonido entre aproximadamente 20  Hz y 20.000 Hz (20  kHz ), ^{[18] : 382} El límite superior disminuye con la edad. ^{[18] : 249} A veces, el sonido se refiere solo a aquellas vibraciones con frecuencias que están dentro del rango de audición para los humanos ^[19] o, a veces, se relaciona con un animal en particular. Otras especies tienen diferentes rangos de audición. Por ejemplo, los perros pueden percibir vibraciones superiores a 20 kHz.

Como señal percibida por uno de los sentidos principales , el sonido es utilizado por muchas especies para detectar peligro , navegar , ser depredado y comunicarse. La atmósfera de la Tierra , el agua y prácticamente cualquier fenómeno físico , como el fuego, la lluvia, el viento, el oleaje o los terremotos, producen (y se caracterizan por) sus sonidos únicos. Muchas especies, como las ranas, las aves, los mamíferos marinos y terrestres , también han desarrollado órganos especiales para producir sonido. En algunas especies, estos producen canto y habla . Además, los humanos han desarrollado una cultura y una tecnología (como la música, el teléfono y la radio) que les permite generar, grabar, transmitir y difundir sonido.

El ruido es un término que se utiliza a menudo para referirse a un sonido no deseado. En ciencia e ingeniería, el ruido es un componente indeseable que oscurece una señal deseada. Sin embargo, en la percepción del sonido se puede utilizar a menudo para identificar la fuente de un sonido y es un componente importante de la percepción del timbre (véase más abajo).

El paisaje sonoro es el componente del entorno acústico que puede ser percibido por los seres humanos. El entorno acústico es la combinación de todos los sonidos (ya sean audibles para los seres humanos o no) dentro de un área determinada, modificados por el entorno y comprendidos por las personas, en el contexto del entorno circundante.

Históricamente, existen seis formas experimentalmente separables de analizar las ondas sonoras: tono , duración , volumen , timbre , textura sónica y ubicación espacial . ^[20] Algunos de estos términos tienen una definición estandarizada (por ejemplo, en la Terminología acústica ANSI/ASA S1.1-2013 ). Los enfoques más recientes también han considerado la envolvente temporal y la estructura fina temporal como análisis perceptualmente relevantes. ^{[21] [22] [23]}

Paso

Percepción del tono. Durante el proceso de escucha, cada sonido se analiza en busca de un patrón repetitivo (flechas naranjas) y los resultados se envían a la corteza auditiva como un tono único de una determinada altura (octava) y croma (nombre de la nota).

El tono se percibe como cuán "bajo" o "alto" es un sonido y representa la naturaleza cíclica y repetitiva de las vibraciones que lo componen. Para los sonidos simples, el tono se relaciona con la frecuencia de la vibración más lenta del sonido (llamada armónico fundamental). En el caso de los sonidos complejos, la percepción del tono puede variar. A veces, las personas identifican diferentes tonos para el mismo sonido, en función de su experiencia personal de patrones de sonido particulares. La selección de un tono particular está determinada por un examen preconsciente de las vibraciones, incluidas sus frecuencias y el equilibrio entre ellas. Se presta especial atención al reconocimiento de armónicos potenciales. ^{[24] [25]} Cada sonido se coloca en un continuo de tonos de bajo a alto.

Por ejemplo: el ruido blanco (ruido aleatorio distribuido uniformemente en todas las frecuencias) suena más agudo que el ruido rosa (ruido aleatorio distribuido uniformemente en octavas) porque el ruido blanco tiene más contenido de alta frecuencia.

Duración

Percepción de la duración. Cuando se percibe un sonido nuevo (flechas verdes), se envía un mensaje de inicio del sonido a la corteza auditiva. Cuando no se percibe el patrón repetitivo, se envía un mensaje de fin del sonido.

La duración se percibe como cuán "largo" o "corto" es un sonido y se relaciona con las señales de inicio y fin creadas por las respuestas nerviosas a los sonidos. La duración de un sonido generalmente dura desde el momento en que se percibe el sonido por primera vez hasta que se identifica que el sonido ha cambiado o cesado. ^[26] A veces esto no está directamente relacionado con la duración física de un sonido. Por ejemplo; en un entorno ruidoso, los sonidos con pausas (sonidos que se detienen y comienzan) pueden sonar como si fueran continuos porque los mensajes de desfase se pierden debido a las interrupciones de los ruidos en el mismo ancho de banda general. ^[27] Esto puede ser de gran utilidad para comprender los mensajes distorsionados, como las señales de radio que sufren interferencias, ya que (debido a este efecto) el mensaje se escucha como si fuera continuo.

Volumen

La información sobre el volumen se suma durante un período de aproximadamente 200 ms antes de enviarse a la corteza auditiva. Las señales más fuertes crean un mayor "empuje" en la membrana basilar y, por lo tanto, estimulan más nervios, lo que crea una señal de volumen más fuerte. Una señal más compleja también crea más descargas nerviosas y, por lo tanto, suena más fuerte (para la misma amplitud de onda) que un sonido más simple, como una onda sinusoidal.

La sonoridad se percibe como cuán "fuerte" o "suave" es un sonido y se relaciona con el número total de estimulaciones del nervio auditivo durante períodos de tiempo cíclicos cortos, muy probablemente durante la duración de los ciclos de ondas theta. ^{[28] [29] [30]} Esto significa que en duraciones cortas, un sonido muy corto puede sonar más suave que un sonido más largo, incluso si se presentan al mismo nivel de intensidad. Después de aproximadamente 200 ms, esto ya no es así y la duración del sonido ya no afecta la sonoridad aparente del sonido.

Timbre

Percepción del timbre, que muestra cómo cambia un sonido con el tiempo. A pesar de que la forma de onda es similar, las diferencias a lo largo del tiempo son evidentes.

El timbre se percibe como la calidad de diferentes sonidos (por ejemplo, el ruido sordo de una roca que cae, el zumbido de un taladro, el tono de un instrumento musical o la calidad de una voz) y representa la asignación preconsciente de una identidad sonora a un sonido (por ejemplo, "¡es un oboe!"). Esta identidad se basa en la información obtenida de los transitorios de frecuencia, el ruido, la inestabilidad, el tono percibido y la propagación e intensidad de los armónicos en el sonido durante un período de tiempo prolongado. ^{[10] [11] [12]} La forma en que un sonido cambia con el tiempo proporciona la mayor parte de la información para la identificación del timbre. Aunque una pequeña sección de la forma de onda de cada instrumento parece muy similar, las diferencias en los cambios a lo largo del tiempo entre el clarinete y el piano son evidentes tanto en la intensidad como en el contenido armónico. Menos perceptibles son los diferentes ruidos que se escuchan, como los silbidos del aire en el caso del clarinete y los golpes de martillo en el caso del piano.

Textura

La textura sónica se relaciona con la cantidad de fuentes de sonido y la interacción entre ellas. ^{[31] [32]} La palabra textura , en este contexto, se relaciona con la separación cognitiva de los objetos auditivos. ^[33] En música, la textura a menudo se refiere a la diferencia entre unísono , polifonía y homofonía , pero también puede relacionarse (por ejemplo) con un café lleno de gente; un sonido que podría denominarse cacofonía .

Ubicación espacial

La ubicación espacial representa la colocación cognitiva de un sonido en un contexto ambiental; incluida la ubicación de un sonido tanto en el plano horizontal como en el vertical, la distancia desde la fuente de sonido y las características del entorno sonoro. ^{[33] [34]} En una textura gruesa, es posible identificar múltiples fuentes de sonido utilizando una combinación de ubicación espacial e identificación de timbre.

Frecuencia

Ultrasonido

Rangos de frecuencia aproximados correspondientes al ultrasonido, con guía aproximada de algunas aplicaciones

Los ultrasonidos son ondas sonoras con frecuencias superiores a los 20.000 Hz. Los ultrasonidos no se diferencian de los sonidos audibles en sus propiedades físicas, pero no pueden ser escuchados por los seres humanos. Los aparatos de ultrasonidos funcionan con frecuencias que van desde los 20 kHz hasta varios gigahercios.

La ecografía médica se utiliza comúnmente para diagnóstico y tratamiento.

Infrasonido

Los infrasonidos son ondas sonoras con frecuencias inferiores a 20 Hz. Aunque los sonidos de frecuencia tan baja son demasiado bajos para que los humanos los puedan escuchar como un tono, estos sonidos se escuchan como pulsos discretos (como el sonido de "estallido" de una motocicleta en marcha). Las ballenas, los elefantes y otros animales pueden detectar los infrasonidos y utilizarlos para comunicarse. Se pueden utilizar para detectar erupciones volcánicas y se utilizan en algunos tipos de música. ^[35]

Véase también

Fuentes de sonido

• Auriculares
• Instrumento musical
• Sonar
• Caja de sonido
• Reproducción de sonido

Medición de sonido

• Impedancia acústica
• Velocidad acústica
• Impedancia característica
• Escala de Mel
• Aceleración de partículas
• Amplitud de partículas
• Desplazamiento de partículas
• Velocidad de la partícula
• Flujo de energía sonora
• Impedancia del sonido
• Nivel de intensidad del sonido
• Potencia del sonido
• Nivel de potencia sonora

Unidades

• dB , decibelio
• sone - volumen percibido
• phon - sonoridad subjetiva
• Hz - unidad de frecuencia

General

• Teoría acústica
• Derrotar
• Efecto Doppler
• Eco
• Infrasonido : sonido a frecuencias extremadamente bajas
• Lista de sonidos inexplicables
• Tono musical
• Resonancia
• Reverberación
• Armamento sónico
• Síntesis de sonido
• Insonorización
• Acústica estructural

Referencias

1. Fundamentos de los sistemas de comunicación telefónica . Western Electrical Company. 1969. pág. 2.1.
2. ANSI/ASA S1.1-2013
3. ANSI S1.1-1994. Norma nacional estadounidense: terminología acústica. Sección 3.03.
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Enlaces externos

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• Suena increíble; un recurso de aprendizaje para KS3/4 sobre sonido y ondas (usa Flash) Archivado el 13 de marzo de 2012 en Wayback Machine
• HyperPhysics: Sonido y audición
• Introducción a la física del sonido
• Curvas de audición y test de audición online
• Audio para el siglo XXI Archivado el 23 de enero de 2009 en Wayback Machine
• Conversión de unidades y niveles de sonido
• Cálculos de sonido
• Audio Check: una colección gratuita de pruebas de audio y tonos de prueba que se pueden reproducir en línea
• Más sonidos asombrosos: un recurso de aprendizaje para estudiantes de sexto grado sobre las ondas sonoras