Conceptos Clave de Acústica y Propagación del Sonido

Conceptos Fundamentales de Ondas Sonoras

Tipos de Ondas

• Onda transversal: Es aquella donde el movimiento de las partículas del medio es perpendicular a la dirección de propagación de la onda.
• Onda longitudinal: Son aquellas en las que las vibraciones de las partículas del medio ocurren a lo largo de la misma dirección de propagación de la onda (como las ondas sonoras en el aire).
• Ondas esféricas: Se producen cuando la vibración se emite desde una fuente puntual y se propaga uniformemente en todas las direcciones del espacio.

Propiedades de las Ondas Sonoras

• Longitud de onda (λ): Es la distancia entre dos puntos consecutivos que se encuentran en el mismo estado de vibración (por ejemplo, dos máximos o dos mínimos de presión).
• Velocidad de propagación: Es la rapidez con la que la onda viaja a través del medio. Para el sonido en el aire, el valor estándar aproximado a temperatura ambiente es de 340 m/s.
• Frecuencia (f): Es el número de vibraciones u oscilaciones completas que se producen por unidad de tiempo (generalmente, en un segundo). Se mide en Hertz (Hz).
• Fase: Indica la posición relativa de un punto de la onda en un instante determinado dentro de su ciclo de oscilación.

Magnitudes y Cualidades del Sonido

Magnitudes Físicas

• Intensidad sonora (SIL - Sound Intensity Level): Es la cantidad de energía acústica que atraviesa una unidad de superficie perpendicular a la dirección de propagación, por unidad de tiempo. Se mide en W/m². Wo representa el umbral absoluto de audición (aproximadamente 10⁻¹² W/m²) y Wd el umbral de sensación dolorosa (aproximadamente 1 W/m² a 1000 Hz).
• Presión sonora (SPL - Sound Pressure Level): Son las variaciones de presión respecto a la presión atmosférica estática, provocadas por una onda sonora al propagarse. Se mide en Pascales (Pa).
• Potencia acústica (PWL - Sound Power Level): Es la cantidad total de energía sonora irradiada por una fuente al medio por unidad de tiempo. Se mide en Vatios (W).

Cualidades Perceptivas

• Tono: Es la cualidad del sonido que nos permite distinguir entre sonidos graves (baja frecuencia) y agudos (alta frecuencia). Está directamente relacionado con la frecuencia fundamental de la onda sonora.
• Timbre: Es la cualidad del sonido que nos permite distinguir dos sonidos de igual tono (frecuencia) e intensidad, emitidos por fuentes distintas (por ejemplo, diferentes instrumentos musicales). Está relacionado con la forma de la onda y la presencia de armónicos.
• Sonoridad: Es la percepción subjetiva de la intensidad sonora por parte del oído humano. Depende de la intensidad, la frecuencia y la duración del sonido.

Principios de Acústica

Definiciones Básicas

• Acústica: Es la rama de la física que estudia el sonido, infrasonido y ultrasonido, es decir, las ondas mecánicas que se propagan a través de la materia (sólida, líquida o gaseosa), incluyendo su producción, transmisión, recepción y efectos.
• Frente de onda: Es el lugar geométrico de todos los puntos del medio que son alcanzados por la perturbación sonora en el mismo instante y, por lo tanto, vibran en la misma fase.

Campos Sonoros

• Campo sonoro: Es la región del espacio donde existen ondas sonoras procedentes de una o varias fuentes. Las características del campo varían según la posición y el entorno.
• Campo libre: Es un campo sonoro en un espacio sin obstáculos ni superficies reflectantes, donde el sonido se propaga libremente desde la fuente sin reflexiones.
• Campo cerrado: Es un campo sonoro dentro de un recinto delimitado por superficies (paredes, techo, suelo) que reflejan y absorben parte de la energía sonora.
• Campo difuso: Es un campo sonoro ideal dentro de un recinto cerrado donde la energía sonora está distribuida uniformemente, de modo que la densidad de energía y la presión sonora promedio son iguales en todos los puntos, y el sonido incide con igual probabilidad desde todas las direcciones.

Fenómenos Acústicos

• Reflexión: Ocurre cuando una onda sonora incide sobre una superficie y parte de su energía es devuelta al medio original. El ángulo de reflexión es igual al ángulo de incidencia. La cantidad de energía reflejada depende de las propiedades de la superficie (grado de absorción).
• Refracción: Es el cambio en la dirección de propagación de una onda sonora cuando pasa de un medio a otro con diferente velocidad de propagación, o cuando atraviesa un medio con características no homogéneas (por ejemplo, cambios de temperatura en el aire).
• Difracción: Es la capacidad de las ondas sonoras para rodear obstáculos o propagarse a través de aberturas. Si el tamaño del obstáculo o abertura es comparable o menor a la longitud de onda, la difracción es significativa. Si el obstáculo es mucho mayor, se produce una zona de 'sombra acústica'.
• Eco: Es una reflexión del sonido claramente perceptible como una repetición del sonido original. Ocurre cuando el sonido reflejado llega al oyente con un retardo suficiente (generalmente, si el obstáculo está a más de 17 metros, implicando un retardo > 0.1 s).
• Reverberación: Es la persistencia del sonido en un espacio cerrado después de que la fuente sonora ha cesado, debido a múltiples reflexiones sucesivas. Las reflexiones individuales no son distinguibles.
• Interferencias: Es el fenómeno que ocurre cuando dos o más ondas sonoras coinciden en un punto, resultando en una onda cuya amplitud es la suma de las amplitudes individuales. Puede ser constructiva (aumento) o destructiva (disminución/cancelación).
• Absorción sonora: Es el proceso por el cual parte de la energía de una onda sonora incidente sobre una superficie es disipada (convertida en calor). El coeficiente de absorción (α) indica la fracción de energía absorbida (0 = reflector perfecto, 1 = absorbente perfecto).
• Tiempo de reverberación (TR o RT60): Es el tiempo necesario para que el nivel de presión sonora en un recinto disminuya en 60 decibelios (dB) después de que la fuente sonora se ha detenido.
• Onda estacionaria: Se produce por la interferencia de dos ondas de igual frecuencia y amplitud que se propagan en direcciones opuestas (onda incidente y su reflexión). Resulta en puntos fijos de amplitud mínima (nodos) y máxima (antinodos).
• Resonancia: Es el fenómeno que ocurre cuando un sistema es excitado a una de sus frecuencias naturales de vibración, resultando en una vibración de gran amplitud.