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 , los ultrasonidos y los infrasonidos . 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 denominarse ingeniero acústico . La aplicación de la acústica está presente en casi todos los aspectos de la sociedad moderna, siendo los más obvios las industrias del audio y el control del ruido .
La audición es uno de los medios más cruciales 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. Asimismo, especies animales como los pájaros cantores y las ranas utilizan el sonido y el oído como elemento clave en los rituales de apareamiento o para marcar territorios. Arte, artesanía, ciencia y 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 "acústica" se deriva de la palabra griega ἀκουστικός ( akoustikos ), que significa "de o para oír, dispuesto a oír" [2] y la de ἀκουστός ( akoustos ), "oído, audible", [3] que a su vez deriva del verbo ἀκούω( akouo ), "escucho". [4]
El sinónimo latino es "sónico", tras lo cual el término sonics 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 quería saber por qué algunas combinaciones de sonidos musicales parecían más bellas 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 (si los demás factores son iguales). En el lenguaje moderno, si una cuerda suena la nota C cuando se pulsa, una cuerda dos veces más larga sonará una nota C una octava más baja. En un sistema de afinación musical , los tonos intermedios vienen dados 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 consistía en compresiones y rarefacciones del aire que "cae y golpea el aire que está a su lado...", [7] [8] una muy buena expresión de la naturaleza de las ondas . movimiento. Sobre las cosas escuchadas , generalmente atribuido a Strato de Lampsaco , afirma que el tono está relacionado con la frecuencia de las vibraciones del aire y con la velocidad del sonido. [9]
Aproximadamente en el año 20 a. C., el arquitecto e ingeniero romano Vitruvio escribió un tratado sobre las propiedades acústicas de los teatros que incluía un análisis de la interferencia, los ecos y la reverberación: los inicios de la acústica arquitectónica . [10] En el Libro V de su De arquitectoura ( Los Diez Libros de la Arquitectura ), Vitruvio describe el sonido como una onda comparable a una onda de agua extendida en tres dimensiones, que, cuando es interrumpida por obstrucciones, regresa y se rompe después de las olas. Describió los asientos ascendentes en los teatros antiguos como diseñados para evitar este deterioro del sonido y también recomendó que se colocaran en los teatros vasijas de bronce de tamaños apropiados para resonar con la cuarta, quinta y así sucesivamente, hasta la doble octava, para resonar con las notas más deseables y armoniosas. [11] [12] [13]
Durante la edad de oro islámica , se cree que 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, descubrieron las leyes completas de la vibración de las cuerdas (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 por el aire, llevando al tímpano del oído un estímulo que la mente interpreta como sonido", una afirmación notable que señala los inicios de la acústica fisiológica y psicológica. . Entre 1630 y 1680, varios investigadores, entre los que destaca Mersenne, llevaron a cabo con éxito mediciones experimentales de la velocidad del sonido en el aire. Mientras tanto, Newton (1642-1727) derivó la relación de la velocidad de onda en sólidos, una piedra angular de la acústica física ( Principia , 1687).
Durante el siglo XVIII, Euler (1707-1783), Lagrange (1736-1813) y d'Alembert (1717-1783) lograron avances sustanciales en acústica, basados en conceptos matemáticos y físicos más firmes . Durante esta era, la física del continuo, o teoría de campos, comenzó a recibir una estructura matemática definida. La ecuación de onda surgió en varios contextos, incluida la propagación del sonido en el aire. [dieciséis]
En el siglo XIX, las principales figuras 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 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 vio un florecimiento de las aplicaciones tecnológicas del gran conjunto de conocimientos científicos que ya existían. La primera aplicación de este tipo fue el trabajo innovador de Sabine en acústica arquitectónica, y le siguieron muchas otras. La acústica submarina se utilizó para detectar submarinos en la Primera Guerra Mundial. La grabación de sonido 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 frecuencia ultrasónico permitió tipos de aplicación completamente nuevos en la medicina y la industria. Se inventaron y pusieron en uso nuevos tipos de transductores (generadores y receptores de energía acústica).
La acústica está definida por ANSI/ASA S1.1-2013 como "(a) La ciencia del sonido , incluida su producción, transmisión y efectos, incluidos los efectos biológicos y psicológicos. (b) Aquellas cualidades de una habitación 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 y vibraciones mecánicas.
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 volitivas. Hay muchos tipos de procesos de transducción que convierten energía de alguna otra forma en energía sónica, produciendo una onda sonora. Existe una ecuación fundamental que describe la propagación de las ondas sonoras, la ecuación de las ondas acústicas , pero los fenómenos que surgen de ella son variados y a menudo complejos. La onda transporta energía por todo el medio que se propaga. Con el tiempo, esta energía se transduce nuevamente a otras formas, de maneras que nuevamente pueden ser naturales y/o intencionalmente ideadas. El efecto final puede ser puramente físico o puede llegar muy lejos en los dominios biológico o volitivo. Los cinco pasos básicos se encuentran igualmente bien ya sea que estemos 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. Esto cae dentro del dominio 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 ondas longitudinales , ondas transversales y ondas superficiales .
La acústica analiza primero los niveles de presión y las frecuencias de la onda sonora y cómo la onda interactúa con el medio ambiente. Esta interacción puede describirse como difracción , interferencia , reflexión o una combinación de las tres. Si hay varios medios , 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 alteración suele ser pequeña, aún es 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. El volumen de estas perturbaciones está relacionado con el nivel de presión sonora (SPL), que se mide en una escala logarítmica en decibeles.
Los físicos y los ingenieros acústicos tienden a analizar los niveles de presión sonora en términos de frecuencias, en parte porque así es como nuestros oídos interpretan el sonido. Lo que experimentamos como sonidos de "tono más alto" o "de tono más bajo" 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.
Todo el espectro se puede dividir en tres secciones: audio, ultrasónico e infrasónico. El rango de audio cae entre 20 Hz y 20.000 Hz. Este rango es importante porque sus frecuencias pueden ser detectadas por el oído humano. Esta gama tiene varias aplicaciones, incluidas la comunicación por voz y la música. El rango ultrasónico se refiere a 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 ultrasonografía y la elastografía dependen del rango de frecuencia ultrasónica. 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 los perfiles de frecuencia que varían en el tiempo y que dan a una señal acústica específica su carácter definitorio.
Un transductor es un dispositivo para convertir 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 de sonido 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, woofers y tweeters ) son dispositivos electromagnéticos que generan ondas utilizando un diafragma suspendido impulsado por una bobina móvil electromagnética , enviando ondas de presión. Los micrófonos electret y los micrófonos de condensador emplean electrostática: cuando la onda sonora golpea el diafragma del micrófono, se mueve e induce un cambio de voltaje. Los sistemas ultrasónicos utilizados en ultrasonografía médica emplean transductores piezoeléctricos. Están fabricados a partir de cerámicas especiales en las 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 normalmente tienen una licenciatura o una cualificación superior. Algunos poseen una licenciatura 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 los entornos, por ejemplo, la acústica submarina , la acústica arquitectónica o la acústica estructural . Otras áreas de trabajo se enumeran en las subdisciplinas a continuación. Los científicos acústicos trabajan en laboratorios gubernamentales, universitarios y de la industria privada. Muchos pasan a trabajar en Ingeniería Acústica . Algunos puestos, como el de Facultad (personal académico) requieren un Doctor en Filosofía .
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La arqueoacústica , también conocida como arqueología del sonido, es una de las únicas formas de experimentar el pasado con otros sentidos además de los ojos. [18] La arqueoacústica se estudia probando las propiedades acústicas de sitios prehistóricos, incluidas las cuevas. Iegor Rezkinoff, arqueólogo sonoro, estudia las propiedades acústicas de las cuevas a través de sonidos naturales como tarareos y silbidos. [19] Las teorías arqueológicas de la acústica se centran en propósitos rituales, así como en una forma de ecolocalización en las cuevas. En arqueología, los sonidos acústicos y los rituales se correlacionan directamente, ya que sonidos específicos estaban destinados a acercar a los participantes del ritual a un despertar espiritual. [18] También se pueden establecer paralelos entre las pinturas murales 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 turbulencias, y el movimiento del sonido a través del aire fluido. Este conocimiento se aplica en ingeniería acústica para estudiar cómo silenciar aviones . 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 para audífonos o implantes cocleares ; cancelación del 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 comúnmente estudiados son hospitales, aulas, viviendas, lugares de actuación y estudios de grabación y radiodifusión. Las consideraciones de enfoque incluyen la acústica de la sala, la transmisión aérea y de impactos en estructuras de edificios, el control del ruido aéreo y estructural, el control del ruido de los sistemas de edificios 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 electrónica. [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 causados por los ferrocarriles, [26] el tráfico rodado, los aviones, los equipos industriales y las actividades recreativas. [27] El principal objetivo de estos estudios es reducir los niveles de ruido y vibraciones ambientales. El trabajo de investigación ahora también se centra 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 neurociencia cognitiva de la música . [29]
El objetivo de esta subdisciplina de la acústica es reducir el impacto del sonido no deseado. El alcance de los estudios de ruido incluye la generación, propagación e impacto sobre 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 del transporte, protección auditiva, ruido de aviones y cohetes, ruido y vibración de los sistemas de construcción, propagación del sonido atmosférico, paisajes sonoros y sonido de baja frecuencia.
Se han realizado muchos estudios para identificar la relación entre acústica y cognición , o más comúnmente conocida como psicoacústica , en la que lo que se escucha es una combinación de percepción y aspectos biológicos. [30] La información interceptada por el paso de las ondas sonoras a través del oído se comprende e interpreta a través del cerebro, enfatizando la conexión entre la mente y la acústica. Se han observado cambios psicológicos a medida que las ondas cerebrales se ralentizan o aceleran como resultado de estímulos auditivos variables que, a su vez, pueden 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 acelerada puede hacer que el pie comience a golpear o una canción más lenta puede hacer que uno se sienta tranquilo y sereno. En una mirada biológica más profunda al fenómeno de la psicoacústica, se descubrió que el sistema nervioso central se activa mediante características acústicas básicas de la música. [32] Al observar cómo la acústica influye en el sistema nervioso central, que incluye el cerebro y la columna vertebral, se hace evidente la vía por la que la acústica afecta a la mente y, esencialmente, al 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 computadoras. La materia 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 y las interacciones de los sistemas mecánicos con sus entornos y los métodos de medición, análisis y control [2]. Hay varias subdisciplinas que se encuentran dentro de este régimen:
Las aplicaciones pueden incluir: vibraciones del suelo causadas por ferrocarriles; aislamiento de vibraciones para reducir las vibraciones en los quirófanos; estudiar cómo las vibraciones pueden dañar la salud ( vibración dedo blanco ); control de vibraciones para proteger un edificio de terremotos, o medir cómo el sonido transmitido por las estructuras se mueve a través de los edificios. [34]
Los ultrasonidos se ocupan de sonidos en frecuencias demasiado altas para ser escuchadas por los humanos. Las especialidades incluyen ultrasonido médico (incluida la ultrasonografía médica), sonoquímica , pruebas ultrasónicas , caracterización de materiales y acústica submarina ( sonar ). [35]
La acústica submarina es el estudio científico de los sonidos naturales y artificiales bajo el agua. Las aplicaciones incluyen sonar para localizar submarinos , comunicación submarina por parte de ballenas , monitoreo del cambio climático midiendo acústicamente la temperatura del mar , armas sónicas , [36] y bioacústica marina. [37]
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