Sonido

Vibración que se transmite a través de ondas de presión en la materia.

Un tambor produce sonido a través de una membrana vibratoria .

Tambor - Cadencia A

Cadencias de batería interpretadas por la United States Navy Band

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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 dichas ondas y su percepción por parte del cerebro . ^[1] Sólo las ondas acústicas que tienen frecuencias comprendidas entre 20 Hz y 20 kHz, el rango de frecuencia de audio , provocan una percepción auditiva en los humanos. En el aire a presión atmosférica, representan ondas sonoras con longitudes de onda de 17 metros (56 pies) a 1,7 centímetros (0,67 pulgadas). Las ondas sonoras superiores a 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 . Las diferentes especies animales tienen distintos rangos de audición .

Acústica

La acústica es la ciencia interdisciplinaria que se ocupa del estudio de ondas mecánicas en gases, líquidos y sólidos, incluidas 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 denominarse ingeniero acústico . ^[2] 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. . ^[3]

Definición

El sonido se define como "(a) Oscilación de 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) Auditiva sensación evocada por la oscilación descrita en (a)". ^[4] 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 .

Física

Experimente utilizando dos diapasones que oscilan normalmente a la misma frecuencia . Uno de los tenedores está siendo golpeado con un mazo de goma. Aunque solo se ha golpeado el primer diapasón, el segundo diapasón está visiblemente excitado debido a la oscilación provocada por el cambio periódico en la presión y densidad del aire al golpear el otro diapasón, creando una resonancia acústica entre los diapasones. Sin embargo, si colocamos un trozo de metal sobre una púa, vemos que el efecto se amortigua y las excitaciones se vuelven cada vez menos pronunciadas ya que la resonancia no se consigue 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 onda transversal en los sólidos . Las ondas sonoras son generadas por una fuente de sonido, como el diafragma vibratorio de un altavoz estéreo. La fuente de sonido crea vibraciones en el medio circundante. A medida que la fuente continúa haciendo vibrar 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 ocurre con 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 con el 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 dentro del medio.
• Movimiento del propio medio. Si el medio se está moviendo, 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 mueve a través del viento aumentará con 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 con la velocidad del viento.
• La viscosidad del medio. La viscosidad media determina la velocidad a la que se atenúa el sonido. Para 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 (ya sea disperso o enfocado). ^[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 sustenta el sonido se llama medio . El sonido no puede viajar a través del vacío . ^{[6] [7]}

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. A través de los sólidos, sin embargo, se puede transmitir tanto como ondas longitudinales como transversales . Las ondas sonoras longitudinales son ondas de desviaciones de presión alternas de 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 ver utilizando espejos parabólicos y objetos que producen sonido. ^[8]

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

Onda plana longitudinal y transversal.

Un gráfico de "presión sobre el 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 del fondo tienen frecuencias más altas que las de arriba. El eje horizontal representa el tiempo.

Aunque existen muchas complejidades relacionadas con la transmisión de sonidos, 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. Se pueden utilizar para describir, en términos absolutos, cada sonido que escuchamos.

Para comprender el sonido más completamente, una onda compleja como la que se muestra con un fondo azul a la derecha de este texto generalmente se separa en sus partes componentes, que son una combinación de varias frecuencias de ondas sonoras (y ruido). ^{[9] [10] [11]}

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 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 polarización y no son una característica de las ondas sonoras.

Velocidad

El F/A-18 de la Marina de los EE. UU. se acerca a la velocidad del sonido. El halo blanco está formado por gotas de agua condensadas que se cree que son el resultado de una caída en la presión del aire alrededor del avión (ver singularidad Prandtl-Glauert ). ^[12]

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:

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

Posteriormente se demostró que esto era erróneo y el matemático francés Laplace corrigió la fórmula deduciendo que el fenómeno del viaje 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 . Desde entonces , la ecuación final resultó ser , que también se conoce como ecuación de Newton-Laplace. En esta ecuación, K es el módulo de volumen elástico, 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 aire a 20 °C (68 °F) al nivel del mar, la velocidad del sonido es de aproximadamente 343 m/s (1230 km/h; 767 mph) usando la fórmula v  [m/s] = 331 + 0,6  T  [°C ] . La velocidad del sonido también es ligeramente sensible, estando sujeta a un efecto anarmónico de segundo orden , a la amplitud del sonido, lo que significa que existen efectos de propagación no lineal, como la producción de armónicos y tonos mezclados no 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 aproximadamente 36.000 m/s (129.600 km/h; 80.530 mph). ^{[13] [14]}

Nivel de presión de sonido

La presión sonora es la diferencia, en un medio determinado, entre la presión local promedio y la presión en la onda sonora. Un cuadrado de esta diferencia (es decir, un cuadrado de la desviación de la presión de equilibrio) generalmente se promedia en el tiempo y/o el espacio, y una raíz cuadrada de este promedio proporciona un valor cuadrático medio (RMS). Por ejemplo, una presión sonora de 1 Pa RMS (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 lo hace el oído humano Puede detectar sonidos con una amplia gama de amplitudes, la presión sonora a menudo se mide como un nivel en una escala logarítmica de decibeles . 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 sonora media cuadrática y es una presión sonora de referencia . Las presiones sonoras de referencia comúnmente utilizadas, definidas en la norma ANSI S1.1-1994 , son 20 µPa en aire y 1 µPa en agua. Sin una presión sonora de referencia especificada, un valor expresado en decibelios no puede representar un nivel de presión sonora. ${\displaystyle p_{\mathrm {ref} }}$

Dado que el oído humano no tiene una respuesta espectral plana , las presiones sonoras a menudo se ponderan 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 igualar la respuesta del oído humano al ruido y los niveles de presión sonora ponderados A se denominan dBA. La ponderación C se utiliza para medir los niveles máximos.

Percepción

Un uso distinto del término sonido de su uso en física es el de fisiología y psicología, donde el término se refiere al tema de la percepción por parte del cerebro. El campo de la psicoacústica está dedicado a este tipo de 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 aire, que afecta el órgano de la audición. b. Física. Energía vibratoria que ocasiona tal sensación. El sonido se propaga mediante perturbaciones vibratorias longitudinales progresivas (ondas sonoras)". ^[15] Esto significa que la respuesta correcta a la pregunta: " si un árbol cae en el bosque sin que nadie lo escuche caer, ¿emite algún sonido? " es "sí" y "no", dependiendo de si respondieron utilizando la definición física o psicofísica, respectivamente.

La recepción física del sonido en cualquier organismo auditivo está limitada a un rango de frecuencias. Los seres humanos normalmente escuchan frecuencias de sonido entre aproximadamente 20  Hz y 20.000 Hz (20  kHz ), ^{[16] : 382} El límite superior disminuye con la edad. ^{[16] : 249} A veces el sonido se refiere sólo a aquellas vibraciones con frecuencias que están dentro del rango auditivo de los humanos ^[17] 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 , muchas especies utilizan el sonido para detectar peligro , navegación , depredación y comunicación. La atmósfera de la Tierra , el agua y prácticamente cualquier fenómeno físico , como el fuego, la lluvia, el viento , el oleaje o un terremoto, producen (y se caracterizan por) sus sonidos únicos. Muchas especies, como ranas, aves, mamíferos marinos y terrestres , también han desarrollado órganos especiales para producir sonido. En algunas especies, estos producen canto y habla . Además, los seres 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.

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 a menudo se puede utilizar para identificar la fuente de un sonido y es un componente importante de la percepción del timbre (ver más abajo).

El paisaje sonoro es el componente del entorno acústico que los humanos pueden percibir. El entorno acústico es la combinación de todos los sonidos (ya sean audibles para los 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. Ellos son: tono , duración , sonoridad , timbre , textura sonora y ubicación espacial . ^[18] Algunos de estos términos tienen una definición estandarizada (por ejemplo, en ANSI Acoustical Terminology ANSI/ASA S1.1-2013 ). Enfoques más recientes también han considerado la envoltura temporal y la estructura fina temporal como análisis perceptivamente relevantes. ^{[19] [20] [21]}

Paso

Figura 1. Percepción del tono

El tono se percibe como qué tan "bajo" o "alto" es un sonido y representa la naturaleza cíclica y repetitiva de las vibraciones que componen el sonido. Para sonidos simples, el tono se relaciona con la frecuencia de la vibración más lenta del sonido (llamada armónica fundamental). En el caso de sonidos complejos, la percepción del tono puede variar. A veces, las personas identifican diferentes tonos para el mismo sonido, basándose en 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. ^{[22] [23]} Cada sonido se coloca en un tono continuo de bajo a alto. Por ejemplo: el ruido blanco (ruido aleatorio distribuido uniformemente en todas las frecuencias) suena con un tono más alto que el ruido rosa (ruido aleatorio distribuido uniformemente en octavas), ya que el ruido blanco tiene un contenido de frecuencia más alta. La Figura 1 muestra un ejemplo de reconocimiento de tono. Durante el proceso de escucha, cada sonido se analiza en busca de un patrón repetitivo (consulte la Figura 1: flechas naranjas) y los resultados se envían a la corteza auditiva como un tono único de cierta altura (octava) y croma (nombre de la nota).

Duración

Figura 2. Percepción de la duración

La duración se percibe como qué tan "largo" o "corto" es un sonido y se relaciona con las señales de inicio y compensación creadas por las respuestas nerviosas a los sonidos. La duración de un sonido suele durar desde el momento en que se nota por primera vez hasta que se identifica que ha cambiado o cesado. ^[24] A veces esto no está directamente relacionado con la duración física de un sonido. Por ejemplo; En un entorno ruidoso, los sonidos entrecortados (sonidos que se detienen y comienzan) pueden sonar como si fueran continuos porque los mensajes compensados ​​se pierden debido a las interrupciones causadas por ruidos en el mismo ancho de banda general. ^[25] Esto puede ser de gran beneficio para comprender mensajes distorsionados, como señales de radio que sufren interferencias, ya que (debido a este efecto) el mensaje se escucha como si fuera continuo. La Figura 2 ofrece un ejemplo de identificación de la duración. Cuando se nota un nuevo sonido (consulte la Figura 2, flechas verdes), se envía un mensaje de inicio de sonido a la corteza auditiva. Cuando se pierde el patrón repetido, se envía un mensaje de compensación de sonido.

Volumen

Figura 3. Percepción del volumen

El volumen se percibe como qué tan "fuerte" o "suave" es un sonido y se relaciona con el número total de estimulaciones del nervio auditivo durante períodos cíclicos cortos, muy probablemente durante la duración de los ciclos de ondas theta. ^{[26] [27] [28]} Esto significa que en duraciones cortas, un sonido muy corto puede sonar más suave que un sonido más largo, aunque se presenten con el mismo nivel de intensidad. Pasados ​​aproximadamente 200 ms, este ya no es el caso y la duración del sonido ya no afecta el volumen aparente del sonido. La Figura 3 da una impresión de cómo se suma la información del volumen durante un período de aproximadamente 200 ms antes de enviarse a la corteza auditiva. Las señales más fuertes crean un mayor "empuje" sobre la membrana basilar y, por lo tanto, estimulan más nervios, creando una señal de mayor volumen. Una señal más compleja también crea más excitaciones nerviosas y, por lo tanto, suena más fuerte (para la misma amplitud de onda) que un sonido más simple, como una onda sinusoidal.

Timbre

Figura 4. Percepción del timbre

El timbre se percibe como la cualidad de diferentes sonidos (por ejemplo, el ruido sordo de una roca caída, 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 dispersión e intensidad de los armónicos en el sonido durante un período de tiempo prolongado. ^{[9] [10] [11]} La forma en que un sonido cambia con el tiempo (ver figura 4) 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 (ver las secciones ampliadas indicadas por las flechas naranjas en la figura 4), las diferencias en los cambios a lo largo del tiempo entre el clarinete y el piano son evidentes tanto en el volumen como en el contenido armónico. Menos perceptibles son los diferentes ruidos que se escuchan, como los silbidos del aire en el clarinete y los golpes de martillo en el piano.

Textura

La textura sonora se relaciona con la cantidad de fuentes de sonido y la interacción entre ellas. ^{[29] [30]} La palabra textura , en este contexto, se relaciona con la separación cognitiva de los objetos auditivos. ^[31] En música, la textura a menudo se conoce como la diferencia entre unísono , polifonía y homofonía , pero también puede relacionarse (por ejemplo) con un café concurrido; un sonido que podría denominarse cacofonía .

Localización espacial

La ubicación espacial representa la ubicación cognitiva de un sonido en un contexto ambiental; incluyendo 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. ^{[31] [32]} 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 a los ultrasonidos, con guía aproximada de algunas aplicaciones.

El ultrasonido son ondas sonoras con frecuencias superiores a 20.000 Hz. El ultrasonido no se diferencia del sonido audible en sus propiedades físicas, pero los humanos no pueden oírlo. Los dispositivos de ultrasonido funcionan con frecuencias desde 20 kHz hasta varios gigahercios.

La ecografía médica se utiliza habitualmente para diagnóstico y tratamiento.

Infrasonido

Los infrasonidos son ondas sonoras con frecuencias inferiores a 20 Hz. Aunque los sonidos de tan baja frecuencia son demasiado bajos para que los humanos los escuchen como tono, estos sonidos se escuchan como pulsos discretos (como el sonido de "estallido" de una motocicleta en ralentí). Las ballenas, los elefantes y otros animales pueden detectar infrasonidos y utilizarlos para comunicarse. Puede usarse para detectar erupciones volcánicas y se usa en algunos tipos de música. ^[33]

Ver también

Fuentes de sonido

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

Medición de sonido

• Impedancia acústica
• Velocidad acústica
• Impedancia característica
• escala mel
• aceleración de partículas
• amplitud de partícula
• Desplazamiento de partículas
• velocidad de partícula
• Flujo de energía sonora
• Impedancia de sonido
• Nivel de intensidad del sonido
• Potencia de sonido
• Nivel de potencia sonora

Unidades

• dB , decibelio
• sone - volumen percibido
• phon - volumen subjetivo
• 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 sonico
• Síntesis de sonido
• Insonorización
• Acústica estructural

Referencias

1. Fundamentos de los sistemas de comunicación telefónica . Compañía Eléctrica Occidental. 1969. pág. 2.1.
2. ANSI S1.1-1994. Estándar nacional estadounidense: terminología acústica. Sección 3.03.
3. Sociedad de Acústica de América. "PACS 2010 Edición regular: Apéndice de acústica". Archivado desde el original el 14 de mayo de 2013 . Consultado el 22 de mayo de 2013 .
4. ANSI/ASA S1.1-2013
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enlaces externos

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• Suena asombroso; un recurso de aprendizaje KS3/4 para sonido y ondas (usa Flash) Archivado el 13 de marzo de 2012 en Wayback Machine.
• Hiperfísica: 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 la Wayback Machine.
• Conversión de unidades y niveles de sonido.
• Cálculos sonoros
• Audio Check: una colección gratuita de pruebas de audio y tonos de prueba que se pueden reproducir en línea
• Más suena increíble; un recurso de aprendizaje de sexto curso sobre ondas sonoras