Fundamentos de la Acústica: Propagación y Cualidades del Sonido

Introducción a la Acústica

El sonido se produce cuando se generan vibraciones en un cuerpo y estas se transmiten a través de un medio elástico (aire, agua, cuerpo sólido) hasta llegar al oído. La ciencia que lo estudia se denomina Acústica.

Generación del Sonido

• Emisor: Vibración de un cuerpo.
• Medio de Transmisión: Propagación de la onda.
• Receptor: Oído.

Fuente Sonora

Es el generador de sonido (instrumentos musicales, cuerdas vocales). El sonido se produce cuando esta fuente vibra.

Propiedades Físicas del Sonido

Parámetros Fundamentales

• Amplitud: Indica el valor instantáneo de la magnitud de medida. Se evalúa por su nivel de pico a pico o su valor eficaz.
• Periodo (T): Determina la duración de un ciclo de la señal en segundos.
• Fase: Determina el inicio de un ciclo.
• Frecuencia (f): El número de ciclos de la onda que ocurren en un segundo. Se mide en Hertz (Hz).

Espectro

Cada una de las componentes frecuenciales que forman una señal.

Tipos de Sonido

• Tono Puro: La presión sonora varía en posición y tiempo de manera senoidal.
• Sonido Armónico: Está formado por la superposición de un tono fundamental y sus armónicos (característico de instrumentos musicales).
• Sonido Complejo: Sonido formado por infinidad de tonos puros (rango de 50 a 3400 Hz).
• Ruido: Espectro continuo formado por la combinación de sonidos aleatorios de distintas frecuencias.
• Ruido Variable: Varía a lo largo del tiempo.
• Ruido Impulsivo: De duración corta, cuya intensidad varía de manera brusca (ej. una explosión).

Espectro Audible

Frecuencias que el oído humano puede percibir, de 20 Hz a 20 kHz. Por debajo de 20 Hz se denomina infrasonido, por encima de 20 kHz, ultrasonido.

Ancho de Banda (BW)

Diferencia entre la frecuencia superior y la frecuencia inferior. Se divide comúnmente en bandas de octava.

Cualidades del Sonido

• Tono: Se determina por la frecuencia de las ondas. Permite clasificar los sonidos en graves, medios y agudos.
• Timbre: Diferencia dos sonidos diferentes con el mismo tono, debido a los armónicos que acompañan a la frecuencia fundamental de un sonido.
• Intensidad: Permite evaluar lo fuerte o débil que es un sonido. Es la cantidad de energía acústica que tiene un sonido. Se determina por la potencia de la fuente y la distancia de esta con el receptor.
• Duración: Tiempo de vibración de una fuente.

Magnitudes Acústicas Fundamentales

Potencia Sonora (W)

La potencia sonora (W) es la cantidad de energía sonora emitida por la fuente por unidad de tiempo. El nivel de potencia sonora (Lw) se expresa en decibelios (dB) y se calcula como:

Lw = 10 * log(W/Wo)

donde Wo = 10^-12 W (potencia de referencia).

Intensidad Sonora (I)

La intensidad sonora (I) se define como la energía acústica (W) que atraviesa una superficie (S) por unidad de tiempo y se mide en W/m². Se calcula como:

I = W / S = W / (4π * d²)

El nivel de intensidad sonora (Li) se expresa en decibelios (dB) y se calcula como:

Li = 10 * log(I/Io)

donde Io = 10^-12 W/m² (intensidad de referencia).

Los factores que dependen de la intensidad sonora son:

• Potencia de la fuente sonora: A mayor potencia, mayor intensidad.
• Distancia de la fuente: A mayor distancia, menor intensidad. La relación entre dos puntos se puede expresar como: L2 = L1 + 20 * log(d1/d2).

Presión Sonora (P)

Indica la fuerza que ejercen las partículas del aire por unidad de superficie. Se mide en Pascales (Pa).

P = F/S

El nivel de presión sonora (Lp) se expresa en decibelios (dB) y se calcula como:

Lp = 20 * log(P/Po)

donde Po = 20 * 10^-6 Pa (presión de referencia estándar en aire).

Percepción Sonora

Sonoridad

Es la sensación subjetiva de la intensidad del sonido que percibe el ser humano. A mayor intensidad, más fuerte es el sonido percibido. Para evaluar la sonoridad, se utilizan las curvas isofónicas. Estas curvas representan el nivel de presión que debe tener un sonido de una frecuencia determinada para producir la misma sensación de sonoridad. La sonoridad depende de la frecuencia.

Mecanismos de Propagación del Sonido

Una onda sonora necesita un medio de transmisión elástico para propagarse. Cuando el medio varía, aparecen fenómenos que alteran la propagación de la onda. La energía incidente (Ei) se distribuye en energía reflejada (Er), energía absorbida (Ea) y energía transmitida (Et):

Ei = Er + Ea + Et

• Velocidad de Propagación (v): Es la velocidad a la cual las ondas viajan. Depende de las condiciones ambientales (presión, temperatura) y también del medio por el que se propagan.
• Longitud de Onda (λ): Es la distancia entre dos puntos de la onda sonora en el mismo estado de vibración. La vibración de un objeto provoca la excitación del medio de transmisión que lo envuelve (aire, etc.), provocando dilatación y compresión de las moléculas que lo forman.

Fenómenos Acústicos

Reflexión

Cuando una onda sonora incide sobre una superficie grande (comparada con su longitud de onda), parte de la señal se refleja. Aunque la onda se refleje, su intensidad es menor. La relación entre la energía que se refleja y la que incide se denomina coeficiente de reflexión.

Absorción

Es el fenómeno por el cual parte de la onda que incide sobre una superficie se pierde, debido a que se transforma en calor en el material sobre el cual incide. Este proceso ocurre en todos los materiales, pero hay algunos en los que su efecto es mayor.

Refracción

Es la transmisión del sonido cuando este atraviesa diferentes medios. Es el cambio de dirección que experimenta una onda sonora cuando atraviesa diferentes medios. La desviación que sufren se debe al cambio de velocidad de propagación del sonido.

Difracción

Es un efecto de dispersión que se produce cuando el sonido, al encontrar obstáculos o aperturas, en lugar de seguir la dirección normal, se dispersa.