La acústica es una rama de la física que se ocupa del estudio de las ondas mecánicas en gases, líquidos y sólidos, incluyendo temas como 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 tecnología acústica puede ser llamado ingeniero acústico . La aplicación de la acústica está presente en casi todos los aspectos de la sociedad moderna, siendo los más obvios las industrias de audio y control de ruido .
La audición es uno de los medios más importantes de supervivencia en el mundo animal y el habla es una de las características más distintivas del desarrollo y la cultura humanos. En consecuencia, la ciencia de la acústica se extiende a muchas facetas de la sociedad humana: música, medicina, arquitectura, producción industrial, guerra y más. Del mismo modo, especies animales como los pájaros cantores y las ranas utilizan el sonido y la audición como un elemento clave de los rituales de apareamiento o para marcar territorios. El arte, la artesanía, la ciencia y la tecnología se han provocado mutuamente para hacer avanzar el conjunto, como en muchos otros campos del conocimiento. La "Rueda de la acústica" de Robert Bruce Lindsay es una visión general bien aceptada de los diversos campos de la acústica. [1]
La palabra "acústico" se deriva del griego ἀκουστικός ( akoustikos ), que significa "de o para oír, listo para oír" [2] y del griego ἀκουστός ( akoustos ), "oído, audible", [3] que a su vez deriva del verbo ἀκούω ( akouo ), "oigo". [4]
El sinónimo en latín es "sónico", por lo que el término sónico solía ser sinónimo de acústica [5] y más tarde una rama de la acústica. [5] Las frecuencias por encima y por debajo del rango audible se denominan " ultrasónicas " e " infrasónicas ", respectivamente.
En el siglo VI a. C., el antiguo filósofo griego Pitágoras quiso saber por qué algunas combinaciones de sonidos musicales parecían más hermosas que otras, y encontró respuestas en términos de proporciones numéricas que representan la serie de sobretonos armónicos en una cuerda. Se dice que observó que cuando las longitudes de las cuerdas vibrantes se pueden expresar como proporciones de números enteros (por ejemplo, 2 a 3, 3 a 4), los tonos producidos serán armoniosos, y cuanto más pequeños sean los números enteros, más armoniosos serán los sonidos. Por ejemplo, una cuerda de cierta longitud sonaría particularmente armoniosa con una cuerda del doble de longitud (siendo iguales los demás factores). En el lenguaje moderno, si una cuerda suena la nota C cuando se pulsa, una cuerda el doble de larga sonará C una octava más baja. En un sistema de afinación musical , los tonos intermedios se dan entonces por 16:9 para D, 8:5 para E, 3:2 para F, 4:3 para G, 6:5 para A y 16:15 para B, en orden ascendente. [6]
Aristóteles (384-322 a. C.) entendió que el sonido consiste en compresiones y enrarecimientos del aire que "cae sobre el aire que está a su lado y lo golpea...", [7] [8] una muy buena expresión de la naturaleza del movimiento ondulatorio . En De lo oído , generalmente atribuido a Estratón de Lámpsaco , se afirma que el tono está relacionado con la frecuencia de las vibraciones del aire y con la velocidad del sonido. [9]
En el año 20 a. C., aproximadamente, el arquitecto e ingeniero romano Vitruvio escribió un tratado sobre las propiedades acústicas de los teatros, que incluía un análisis de las interferencias, los ecos y la reverberación, lo que supuso el comienzo de la acústica arquitectónica . [10] En el Libro V de su De architectura ( Los diez libros de la arquitectura ), Vitruvio describe el sonido como una onda comparable a una onda de agua extendida en tres dimensiones, que, al ser interrumpida por obstrucciones, fluiría de regreso y se rompería en las ondas siguientes. Describió los asientos ascendentes de los teatros antiguos como diseñados para evitar este deterioro del sonido y también recomendó que se colocaran en los teatros vasijas de bronce (echea) de tamaños apropiados para resonar con la cuarta, quinta y así sucesivamente, hasta la octava doble, con el fin de resonar con las notas más deseables y armoniosas. [11] [12] [13]
Se cree que durante la edad de oro islámica , Abū Rayhān al-Bīrūnī (973–1048) postuló que la velocidad del sonido era mucho más lenta que la velocidad de la luz. [14] [15]
La comprensión física de los procesos acústicos avanzó rápidamente durante y después de la Revolución científica . Principalmente Galileo Galilei (1564-1642), pero también Marin Mersenne (1588-1648), de forma independiente, descubrió las leyes completas de las cuerdas vibrantes (completando lo que Pitágoras y los pitagóricos habían comenzado 2000 años antes). Galileo escribió "Las ondas son producidas por las vibraciones de un cuerpo sonoro, que se propagan a través del aire, llevando al tímpano del oído un estímulo que la mente interpreta como sonido", una declaración notable que señala los inicios de la acústica fisiológica y psicológica. Las mediciones experimentales de la velocidad del sonido en el aire se llevaron a cabo con éxito entre 1630 y 1680 por varios investigadores, principalmente Mersenne. Mientras tanto, Newton (1642-1727) derivó la relación para la velocidad de onda en sólidos, una piedra angular de la acústica física ( Principia , 1687).
En el siglo XVIII, Euler (1707-1783), Lagrange (1736-1813) y d'Alembert (1717-1783) realizaron importantes avances en acústica, basados en conceptos matemáticos y físicos más sólidos. Durante esta época, la física del medio continuo, o teoría de campos, comenzó a recibir una estructura matemática definida. La ecuación de onda surgió en diversos contextos, incluida la propagación del sonido en el aire. [16]
En el siglo XIX, las figuras más importantes de la acústica matemática fueron Helmholtz en Alemania, que consolidó el campo de la acústica fisiológica, y Lord Rayleigh en Inglaterra, que combinó los conocimientos previos con sus propias y copiosas contribuciones al campo en su monumental obra La teoría del sonido (1877). También en el siglo XIX, Wheatstone, Ohm y Henry desarrollaron la analogía entre electricidad y acústica.
El siglo XX fue testigo de un florecimiento de las aplicaciones tecnológicas del gran corpus de conocimientos científicos que existían en aquel momento. La primera de esas aplicaciones fue el trabajo pionero de Sabine en acústica arquitectónica, al que le siguieron muchas otras. La acústica submarina se utilizó para detectar submarinos en la Primera Guerra Mundial. La grabación de sonidos y el teléfono desempeñaron papeles importantes en una transformación global de la sociedad. La medición y el análisis del sonido alcanzaron nuevos niveles de precisión y sofisticación mediante el uso de la electrónica y la informática. El rango de frecuencias ultrasónicas permitió tipos de aplicaciones totalmente nuevos en la medicina y la industria. Se inventaron y utilizaron nuevos tipos de transductores (generadores y receptores de energía acústica).
La acústica se define en ANSI/ASA S1.1-2013 como "(a) La ciencia del sonido , incluyendo su producción, transmisión y efectos, incluidos los efectos biológicos y psicológicos. (b) Aquellas cualidades de una sala que, en conjunto, determinan su carácter con respecto a los efectos auditivos".
El estudio de la acústica gira en torno a la generación, propagación y recepción de ondas mecánicas y vibraciones.
Los pasos que se muestran en el diagrama anterior se pueden encontrar en cualquier evento o proceso acústico. Hay muchos tipos de causas, tanto naturales como voluntarias. Hay muchos tipos de procesos de transducción que convierten la energía de alguna otra forma en energía sónica, produciendo una onda de sonido. Hay una ecuación fundamental que describe la propagación de la onda de sonido, la ecuación de onda acústica , pero los fenómenos que surgen de ella son variados y a menudo complejos. La onda transporta energía a través del medio de propagación. Finalmente, esta energía se transduce nuevamente en otras formas, de maneras que nuevamente pueden ser naturales y/o voluntarias. El efecto final puede ser puramente físico o puede llegar lejos en los dominios biológicos o volitivos. Los cinco pasos básicos se encuentran igualmente bien si estamos hablando de un terremoto , un submarino que usa un sonar para localizar a su enemigo o una banda tocando en un concierto de rock.
La etapa central del proceso acústico es la propagación de ondas, que se enmarca en el ámbito de la acústica física. En los fluidos , el sonido se propaga principalmente como una onda de presión . En los sólidos, las ondas mecánicas pueden adoptar muchas formas, incluidas las ondas longitudinales , las ondas transversales y las ondas superficiales .
La acústica estudia en primer lugar los niveles de presión y las frecuencias de las ondas sonoras y cómo interactúan con el entorno. Esta interacción puede describirse como difracción , interferencia , reflexión o una mezcla de las tres. Si hay varios medios presentes, también puede producirse una refracción . Los procesos de transducción también son de especial importancia para la acústica.
En fluidos como el aire y el agua, las ondas sonoras se propagan como perturbaciones en el nivel de presión ambiental. Si bien esta perturbación suele ser pequeña, sigue siendo perceptible para el oído humano. El sonido más pequeño que una persona puede oír, conocido como umbral de audición , es nueve órdenes de magnitud menor que la presión ambiental. La intensidad de estas perturbaciones está relacionada con el nivel de presión sonora (SPL), que se mide en una escala logarítmica en decibeles.
Los físicos e ingenieros acústicos suelen hablar de los niveles de presión sonora en términos de frecuencias, en parte porque así es como nuestros oídos interpretan el sonido. Lo que percibimos como sonidos "más agudos" o "más graves" son vibraciones de presión que tienen un número mayor o menor de ciclos por segundo. En una técnica común de medición acústica, las señales acústicas se muestrean en el tiempo y luego se presentan en formas más significativas, como bandas de octava o gráficos de frecuencia temporal. Ambos métodos populares se utilizan para analizar el sonido y comprender mejor el fenómeno acústico.
El espectro completo se puede dividir en tres secciones: audio, ultrasonidos e infrasónicos. El rango de audio se encuentra entre 20 Hz y 20.000 Hz. Este rango es importante porque sus frecuencias pueden ser detectadas por el oído humano. Este rango tiene una serie de aplicaciones, incluida la comunicación oral y la música. El rango ultrasónico se refiere a las frecuencias muy altas: 20.000 Hz y superiores. Este rango tiene longitudes de onda más cortas que permiten una mejor resolución en las tecnologías de imágenes. Las aplicaciones médicas como la ecografía y la elastografía dependen del rango de frecuencias ultrasónicas. En el otro extremo del espectro, las frecuencias más bajas se conocen como rango infrasónico. Estas frecuencias se pueden utilizar para estudiar fenómenos geológicos como los terremotos.
Los instrumentos analíticos como el analizador de espectro facilitan la visualización y medición de señales acústicas y sus propiedades. El espectrograma producido por un instrumento de este tipo es una representación gráfica del nivel de presión y de los perfiles de frecuencia que varían con el tiempo y que confieren a una señal acústica específica su carácter definitorio.
Un transductor es un dispositivo que convierte una forma de energía en otra. En un contexto electroacústico, esto significa convertir la energía sonora en energía eléctrica (o viceversa). Los transductores electroacústicos incluyen altavoces , micrófonos , sensores de velocidad de partículas , hidrófonos y proyectores de sonar . Estos dispositivos convierten una onda sonora en o desde una señal eléctrica. Los principios de transducción más utilizados son el electromagnetismo , la electrostática y la piezoelectricidad .
Los transductores de los altavoces más comunes (por ejemplo, los woofers y tweeters ) son dispositivos electromagnéticos que generan ondas mediante un diafragma suspendido accionado por una bobina de voz electromagnética , que emite ondas de presión. Los micrófonos electret y de condensador emplean electrostática: cuando la onda sonora golpea el diafragma del micrófono, este se mueve e induce un cambio de voltaje. Los sistemas ultrasónicos utilizados en la ecografía médica emplean transductores piezoeléctricos. Estos están hechos de cerámica especial en la que las vibraciones mecánicas y los campos eléctricos están interconectados a través de una propiedad del propio material.
Un acústico es un experto en la ciencia del sonido. [17]
Hay muchos tipos de acústicos, pero por lo general tienen una licenciatura o una cualificación superior. Algunos poseen un título en acústica, mientras que otros ingresan a la disciplina a través de estudios en campos como la física o la ingeniería . Gran parte del trabajo en acústica requiere una buena base en matemáticas y ciencias . Muchos científicos acústicos trabajan en investigación y desarrollo. Algunos realizan investigaciones básicas para avanzar en nuestro conocimiento de la percepción (por ejemplo, audición , psicoacústica o neurofisiología ) del habla , la música y el ruido . Otros científicos acústicos avanzan en la comprensión de cómo se ve afectado el sonido a medida que se mueve a través de entornos, por ejemplo, acústica subacuática , acústica arquitectónica o acústica estructural . Otras áreas de trabajo se enumeran en las subdisciplinas a continuación. Los científicos acústicos trabajan en laboratorios gubernamentales, universitarios e industriales privados. Muchos continúan trabajando en ingeniería acústica . Algunos puestos, como la facultad (personal académico), requieren un doctorado en filosofía .
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La arqueoacústica , también conocida como la arqueología del sonido, es una de las pocas formas de experimentar el pasado con otros sentidos además de los ojos. [18] La arqueoacústica se estudia probando las propiedades acústicas de los sitios prehistóricos, incluidas las cuevas. Iegor Rezkinoff, un arqueólogo del sonido, estudia las propiedades acústicas de las cuevas a través de sonidos naturales como zumbidos y silbidos. [19] Las teorías arqueológicas de la acústica se centran en los propósitos ritualistas, así como en una forma de ecolocalización en las cuevas. En arqueología, los sonidos acústicos y los rituales se correlacionan directamente, ya que los sonidos específicos estaban destinados a acercar a los participantes del ritual a un despertar espiritual. [18] También se pueden establecer paralelismos entre las pinturas rupestres y las propiedades acústicas de la cueva; ambos son dinámicos. [19] Debido a que la arqueoacústica es un tema arqueológico bastante nuevo, el sonido acústico todavía se está probando en estos sitios prehistóricos en la actualidad.
La aeroacústica es el estudio del ruido generado por el movimiento del aire, por ejemplo, a través de la turbulencia, y el movimiento del sonido a través del aire fluido. Este conocimiento se aplicó en las décadas de 1920 y 1930 para detectar aeronaves antes de que se inventara el radar y se aplica en ingeniería acústica para estudiar cómo silenciar las aeronaves . La aeroacústica es importante para comprender cómo funcionan los instrumentos musicales de viento . [20]
El procesamiento de señales acústicas es la manipulación electrónica de señales acústicas. Las aplicaciones incluyen: control activo del ruido ; diseño de audífonos o implantes cocleares ; cancelación de eco ; recuperación de información musical y codificación perceptiva (por ejemplo, MP3 u Opus ). [21]
La acústica arquitectónica (también conocida como acústica de edificios) implica la comprensión científica de cómo lograr un buen sonido dentro de un edificio. [22] Por lo general, implica el estudio de la inteligibilidad del habla, la privacidad del habla, la calidad de la música y la reducción de la vibración en el entorno construido. [23] Los entornos que se estudian comúnmente son hospitales, aulas, viviendas, lugares de actuación, estudios de grabación y transmisión. Las consideraciones de enfoque incluyen la acústica de la sala, la transmisión aérea y de impacto en las estructuras de los edificios, el control del ruido aéreo y estructural, el control del ruido de los sistemas de construcción y los sistemas electroacústicos [1].
La bioacústica es el estudio científico de la audición y los llamados de los animales, así como de cómo los animales se ven afectados por la acústica y los sonidos de su hábitat. [24]
Esta subdisciplina se ocupa de la grabación, manipulación y reproducción de audio mediante dispositivos electrónicos. [25] Esto podría incluir productos como teléfonos móviles , sistemas de megafonía a gran escala o sistemas de realidad virtual en laboratorios de investigación.
La acústica ambiental se ocupa del ruido y las vibraciones provocados por los ferrocarriles, [26] el tráfico rodado, los aviones, los equipos industriales y las actividades recreativas. [27] El objetivo principal de estos estudios es reducir los niveles de ruido y vibración ambiental. Los trabajos de investigación actuales también se centran en el uso positivo del sonido en entornos urbanos: paisajes sonoros y tranquilidad . [28]
La acústica musical es el estudio de la física de los instrumentos acústicos; el procesamiento de señales de audio utilizado en la música electrónica; el análisis informático de la música y la composición, y la percepción y la neurociencia cognitiva de la música . [29]
El objetivo de esta subdisciplina de la acústica es reducir el impacto de los sonidos no deseados. El alcance de los estudios de ruido incluye la generación, propagación e impacto en estructuras, objetos y personas.
La investigación sobre el ruido investiga el impacto del ruido en los seres humanos y los animales para incluir trabajos en definiciones, reducción, ruido de transporte, protección auditiva, ruido de aviones y cohetes, ruido y vibración del sistema de construcción, propagación del sonido atmosférico, paisajes sonoros y sonido de baja frecuencia.
Se han realizado muchos estudios para identificar la relación entre la acústica y la cognición , o más comúnmente conocida como psicoacústica , en la que lo que uno escucha es una combinación de percepción y aspectos biológicos. [30] La información interceptada por el paso de las ondas sonoras a través del oído es entendida e interpretada a través del cerebro, enfatizando la conexión entre la mente y la acústica. Se han visto cambios psicológicos a medida que las ondas cerebrales se ralentizan o aceleran como resultado de la variación del estímulo auditivo, lo que a su vez puede afectar la forma en que uno piensa, siente o incluso se comporta. [31] Esta correlación se puede ver en situaciones normales y cotidianas en las que escuchar una canción alegre o de ritmo rápido puede hacer que el pie comience a golpear el suelo o una canción más lenta puede dejar a uno sintiéndose tranquilo y sereno. En una mirada biológica más profunda al fenómeno de la psicoacústica, se descubrió que el sistema nervioso central se activa por las características acústicas básicas de la música. [32] Al observar cómo el sistema nervioso central, que incluye el cerebro y la columna vertebral, se ve influenciado por la acústica, se hace evidente la vía por la cual la acústica afecta la mente y, esencialmente, el cuerpo. [32]
Los acústicos estudian la producción, el procesamiento y la percepción del habla. El reconocimiento de voz y la síntesis de voz son dos áreas importantes del procesamiento del habla mediante ordenadores. La disciplina también se superpone con las disciplinas de la física, la fisiología , la psicología y la lingüística . [33]
La acústica estructural es el estudio de los movimientos e interacciones de los sistemas mecánicos con sus entornos y los métodos de medición, análisis y control [2]. Existen varias subdisciplinas dentro de este régimen:
Las aplicaciones pueden incluir: vibraciones del suelo de los ferrocarriles; aislamiento de vibraciones para reducir las vibraciones en quirófanos; estudio de cómo las vibraciones pueden dañar la salud ( dedo blanco de la vibración ); control de vibraciones para proteger un edificio de los terremotos o medición de cómo el sonido transmitido por la estructura se mueve a través de los edificios. [34]
La ultrasónica se ocupa de los sonidos a frecuencias demasiado altas para que los oiga el ser humano. Entre sus especialidades se encuentran la ultrasónica médica (incluida la ultrasonografía médica), la sonoquímica , las pruebas ultrasónicas , la caracterización de materiales y la acústica subacuática ( sónar ). [35]
La acústica subacuática es el estudio científico de los sonidos naturales y artificiales bajo el agua. Las aplicaciones incluyen el sonar para localizar submarinos , la comunicación subacuática entre ballenas , el monitoreo del cambio climático midiendo acústicamente las temperaturas del mar , las armas sónicas [36] y la bioacústica marina. [37]
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