¿QUÉ ES LA ACÚSTICA?

La acústica es la ciencia que estudia los diversos aspectos relacionados con el sonido, particularmente los fenómenos de generación, propagación y recepción de ondas sonoras en diversos medios, así como su transducción,  su percepción y variadas aplicaciones tecnológicas.

La acústica tiene una multidisciplinariedad  que abarcan la física, pasa por la biología e incluso repercute en las ciencias sociales.

    
EL SONIDO

El sonido es un fenómeno vibratorio que, a partir de una perturbación inicial del medio elástico donde se produce, bien sea gaseoso, liquido o sólido, se propaga, en ese medio, bajo la forma de una variación periódica de presión, es decir, una variación de la presión ambiental que se  propaga en forma de ondas, excitando el órgano del oído .

La perturbación puede detectarse por la medida de algunas magnitudes físicas del medio. Para que haya  una onda en  movimiento en un medio material, este debe tener dos propiedades, inercia y elasticidad.

Existen tres tipos de sonido: 

Voz	Contiene mezcla compleja de sonidos, guarda una relación armónica entre sí.
Música	Cuando se transmite al oído un tono que contiene determinados armónicos del tono fundamental.
Ruido	Está formado por una mezcla de muchas frecuencias  diferentes dentro de un determinado rango.

PROPIEDADES DEL SONIDO

• Velocidad de Propagación:  Es la velocidad con que se desplazan las ondas sonoras, tiene una dirección perpendicular a la superficie vibrante bajo forma de ondas. Dicha propiedad depende de las condiciones ambientales (presión y temperatura) y, fundamentalmente, del medio donde se propaga, llamado «campo acústico», es decir la densidad y elasticidad, así a medida que el medio es mas elástico y menos denso , mayor sera la velocidad de propagación de una onda.

• Ondas Sonoras: Son las ondas acústicas que producen sensaciones a través del órgano de la audición. Estas presentan ciertas características como: 

1. Frecuencia:  (f) Es el número de ciclos que se realizan en un segundo.
2. Periodo: (T) Es el tiempo que se tarda en realizar un ciclo completo.
3. Longitud de onda:(λ )Es la distancia que recorre una onda sonora en el tiempo de un periodo


Puesto que el sonido es una onda sonora, su audibilidad depende de su frecuencia: 


a) Frecuencia audible: Corresponde a los sonidos que una persona normal  puede escuchar. 


b) Infrasonido: Corresponde la frecuencia de una onda inferior al limite audible. 


c) Ultrasonido: Corresponde a la frecuencia  de una onda cuando sobre pasa el     limite audible. 


REVISAR LIMITES

CUALIDADES DEL SONIDO

Las ondas que percibe el oído humano se distinguen por tres cualidades: Intensidad, Tono y  Timbre.

1. INTENSIDAD: 

Esta propiedad depende de la amplitud  de la onda y determina si un sonido es fuerte o débil. La intensidad se expresa en beles (B) o decibeles (dB).

A medida que un observador se aleja de la fuente emisora de ondas, la intensidad que detecta va disminuyendo en proporción inversa al cuadrado de la distancia que lo separa  de la fuente, se expresa en W/ m^2 :

I = E / At 

Donde: 

I :  Intensidad del sonido 

E: Cantidad de energía

A: Área

t : Tiempo  

Ejemplo:

Un micrófono de 3 cm^2 de área recibe una energía  de 1.5 * 10 ^ - 11 J en 5 segundos.

DATOS                                                FORMULA             SUSTITUCIONES

E = 1.5 * 10 ^ - 11 J                              I = E / At             I = 1.5 * 10 ^ - 11 J   /  (3 * 10 ^-4 m^2)(5s) 

t = 5 s 

A = 3 cm ^2 = 3 * 10^-4 m^2                             RESULTADOS

I = ?                                                       

                                                                          I = 10 ^ - 8 W /m^2

2. TONO

Esta cualidad depende de la frecuencia  de la onda (vibraciones por segundo): cuando ésta es baja, el sonido es grave, y cuando es  alta, agudo, de unos 20 000 Hz. De estas frecuencias se derivan las llamadas Infrasónicas y Ultrasónicas.

https://www.youtube.com/watch?v=sMJWRcbUXZ8

3. TIMBRE

Esta cualidad nos permite identificar la fuente que emite el sonido; hay que observar que el timbre esta relacionado con la intensidad y el tono de los sonidos

SONIDOS MUSICALES

FENÓMENOS ACÚSTICOS

Al  propagarse  por medio de ondas longitudinales, el sonido puede dar lugar a fenómenos como la reflexión ( eco, reverberación)  y la refracción.

1. REFLEXIÓN 

Se produce cuando las ondas sonoras chocan con una superficie dura y relativamente lejana  como una pared , una roca o una montaña y se reflejan. Debemos tener en cuenta que si el vector de propagación sonoro incide  perpendicular a una superficie reflectora se refleja en sentido contrario, pero si incide de forma oblicua, los ángulos de incidencia y de reflexión son iguales.

ECO

Cuando a propagarse a través del aire  las ondas sonoras chocan con un medio sólido, este absorbe una mínima parte de las ondas, pero reflejan la mayoría de ellas;  de esta manera se producen dos sonidos: el que se emite y el que se refleja. El eco es el sonido que se produce debido a la reflexión  del sonido original.

El eco solo se percibe si la superficie reflectora está relativamente lejos, debido a que el oído no distingue dos sonidos que le lleguen  con una separación  menor de una décima de segundo; por ello, no es captado  en un lugar pequeño y cerrado. sino sólo cuando el sonido que emite una fuente sonora recorre aproximadamente 34 m; es decir, 17 metros desde la fuente emisora al objeto que lo refleja  y los otros 17 metros de éste a aquélla.

Ejemplo:

• Determinar  la minima distancia  a la que un observador debe encontrarse  respectoa  una pared  rigida para  distinguir el eco de sus sonidos, sabendo que la velocidad del sonido en el aire es de 340 m/s, y que el tiempo minimo que puede transcurrir  entre dos sonidos para que el oido lo distinga es de 0.1s

DATOS                          FORMULA             SUSTITUCIÓN                     RESULTADO

t: 0.1s                              d = vt / 2                  d = (340 m/s)(0.1) / 2               d = 17 m 

v: 340 m/s 

d: ?

REVERBERACIÓN

Es otro fenómeno por la reflexión del sonido. Si un observador está situado entre dos paredes y emite un sonido, éste se reflejará  de una pared a la otra, se volver a reflejar, y así sucesivamente, es decir ocurre un eco múltiple. La reverberación es la repercusión que tiene el sonido emitido  de un gran salón, como consecuencia de las muchas  reflexiones que sufren contra los muros, pisos y techos.

La duración de este fenómeno  depende del tamaño del lugar  y de las características de las superficies: entre mas duras y lisas, mas tiempo dura la reverberación.



2. REFRACCIÓN 

La refracción se presenta cuando  existen diferentes velocidades de propagación  de la onda sonora. Por ejemplo, en días soleados, las palabras de  una persona no son oídas con claridad por otra situada a unos metros sobre la misma calle, pero si lo son por una persona que se encuentra en un segundo piso. Esto ocurre porque el pavimento  está caliente, el aire que esta cerca del suelo tiene mayor temperatura que el que está más arriba, esto hace que la velocidad del sonido sea diferente a distintas alturas sobre el suelo, siendo mayor en las partes de abajo que en las de arriba, lo que provoca un cambio  en la dirección de propagación, o sea, una refracción de las ondas.

3. RESONANCIA

La resonancia es el aumento en la intensidad de la vibración de un sonido o de un cuerpo   cuando una fuerza externa actúa con una frecuencia  igual a la natural de vibración  del cuerpo o sonido. 


ALGO MAS

EFECTO DOPPLER

El efecto doppler consiste en un cambio aparente  en la frecuencia de un sonido, cuando existe un movimiento relativo entre un observador y la fuente sonora;el tono de la sirena de la ambulancia y el transeúnte, cuando esta se acerca a nosotros la oímos mas aguda por el contrario cuando se aleja el tono se  vuelve mas grave. Para calcular la frecuencia aparente que un observador escucha de un sonido, existen los siguientes casos:

        a) Cuando la fuente sonora esta en movimiento y el observador esta en reposo, se usa la         expresión: 

f´= fV / V +- v


Menos (-), cuando la fuente sonora se acerca al observador
Mas ( + ), cuando se aleja de él.


b) Cuando la fuente sonora  permanece en reposo y el observador es el que se acerca o aleja de ella, se una la expresión : 


f´= f(V +- v) / V


Menos (-), cuando el observado se acerca a la fuente sonora.
Mas ( + ), cuando se aleja de ella.

f´: Frecuencia aparente escuchada por el observador

 f : Frecuencia real a la que una fuente sonora emite el  sonido 
V : Velocidad a la que se propaga el sonido en el aire
v : Velocidad a la que se mueve la fuente sonora


Si tanto el observador como la fuente se mueven , la frecuencia que debe registrarse es: 


a)   f´=(V +vi V -  vt)f                                     b) f = (V - vt / V +vi) f´

COMPLEMENTO




Ejemplo:


1. Un camión de bomberos viaja a 120Km/h y hace sonar su sirena con uan frecuencia de 920Hz. Determinar la frecuencia que escucha un observador que se encuentra estacionado , tanto si el camión se acerca como si se aleja de él.

DATOS                              FORMULA                         SUSTITUCIONES

f´: ?                                     f´= fV / V +- v                      f´= (920Hz)(340m/s)/340m/s - 33.33 m/s

 f : 920 Hz                                                                       f´= (920Hz)(340m/s)/340m/s +33.33 m/s
V : 340 m/s
v : 120 Km/h

                                                            RESULTADOS

 f´= 1019.9 Hz, si se acerca
 f´= 837.8 Hz, si se aleja

FISIOLOGIA DEL OIDO

En la imagen se muestran las tres principales secciones del oído : el oído externo , el oído medio y el oído interno. El oído externo consta de tres partes :1) el pabellón ,que es la parte externa visible del oído ; 2) el canal auditivo ,  que mide aproximadamente 2.5 a 3 cm  de largo y 3)el tímpano ,que se extiende a través del extremo interno del canal auditivo .Cuando las ondas llegan al tímpano las condensaciones y rarefacciones hacen que vibre.

El oído medio comienza justo en el interior del tímpano .Se trata de una pequeña cámara llena de aire que contiene tres huesecillos acoplados entre sí: el martillo, el yunque   y estribo. El martillo, que está firmemente sujeto al tímpano, vibra junto con este, la vibración del martillo pasa al yunque  que, a su vez, la transmite al estribo. El extremo interno del estribo se ajusta contra la ventana oval .Así, este dedicado de tres huesos transmite las vibraciones del oído medio al oído interno.

El oído interno contiene dos estructuras  generales. Los canales semicirculares y la cóclea. La función de los canales semicirculares es controlar el sentido del equilibrio y  orientación y no participan en el proceso de la audición .Dentro de la cóclea están los receptores auditivos. La cóclea es una cavidad llena de líquido, que parece caracol ; está dividida en tres canales mediante membranas que están a lo largo de dicha cavidad .Una de esas membranas , la membrana basilar ,sostiene una gran cantidad de células sensibles conocidas como órgano de Corti. Las  vibraciones transmitidas al flujo coclear a través de la ventana oval hacen vibrar a la membrana basilar ,y por tanto , al órgano de Corti. En el órgano de Corti aproximadamente 30000 células  sensibles, denominadas células ciliares, están conectadas a fibras nerviosas. Cuando vibra l membrana basilar, las células ciliares estimulan las fibras nerviosas ,produciendo impulsos nerviosos que el nervio auditivo transmite al cerebro .

APLICACIONES

Las ondas sonoras tienen muchas y variadas aplicaciones en la actualidad. Algunas áreas de la acústica son: 

https://www.youtube.com/watch?v=VW5hTTI8aWA

•  Acústica arquitectónica. Estudia la interacción del sonido con las construcciones. Participa en el diseño de: Salas de conciertos, auditorios, teatros, estudios de grabación, iglesias, salas de reuniones, salones de clases, etc. 

• Ingeniería acústica. Estudia el diseño y utilización de transductores e instrumentos de medición y producción de sonido. Incluye la instrumentación para diagnóstico médico, sísmico, detección submarina, detección de fallos en materiales, grabación y reproducción de voz y música, etc. Una rama de la ingeniería acústica es la electroacústica la cual trata con micrófonos y altavoces. 

• Acústica musical. Combina elementos de arte y de ciencia al incluir el diseño de instrumentos, el uso de sistemas de grabaciones, la modificación electrónica de la música con el estudio de su percepción. Su campo de trabajo está en la Industria de la grabación de música y cine, y en la Industria de la construcción de instrumentos. A este área pertenece el llamado ingeniero de sonido 

• Control de ruido y vibraciones. Esta área cobra cada vez mayor importancia dado el aumento en el reconocimiento del ruido como un factor de contaminación que afecta seriamente la salud. Su campo de trabajo está en las fábricas, en los organismos de control gubernamental y en asesorías a los arquitectos. También tiene un campo importante de aplicación en el mantenimiento preventivo y predictivo de maquinaria mediante el análisis de sus vibraciones. 

•  Bioacústica y acústica médica. Estudia la interacción entre las ondas sonoras y los cuerpos humanos y animales. Se ha desarrollado enormemente el uso de ultrasonidos como herramienta de diagnóstico y de tratamiento. También es importante el campo de las ayudas auditivas y de implantes para personas con defectos en la audición. 

BIBLIOGRAFIA Y CIBERGRAFIA

• Cárdenas Guerra Carlos, "Fundamentos de Física", Ed Trillas,  México , 2005, Pág. 352 - 365.

• Hewitt G. Paul "Fisica Conceptual", 10ª Edición, Ed. Pearson Educación, México, 2007, Pág. 380 - 393

• Imusa Wiley "Fisica ", 2ª Edición, Ed. Cutne II, Pág. 472 - 475

• http://editorial.cda.ulpgc.es/ftp/Instalaciones2/ACUSTICA/Recomendacion-Acustica%20aplicada-TECNUN.pdf