sábado, 18 de septiembre de 2010

El Sonido.

¿Qué es Sonido?
El sonido, en física, es cualquier fenómeno que involucre la propagación en forma de ondas elásticas (sean audibles o no), generalmente a través de un fluido (u otro medio elástico) que esté generando el movimiento vibratorio de un cuerpo.
El sonido humanamente audible consiste en ondas sonoras consistentes en oscilaciones de la presión del aire, que son convertidas en ondas mecánicas en el oído humano y percibidas por el cerebro. La propagación del sonido es similar en los fluidos, donde el sonido toma la forma de fluctuaciones de presión. En los cuerpos sólidos la propagación del sonido involucra variaciones del estado tensional del medio.

Representación esquemática del oído. (Azul: ondas sonoras. Rojo: tímpano. Amarillo: Cóclea. Verde: células de receptores auditivos. Púrpura: espectro de frecuencia de respuesta del oído. Naranja: impulso del nervio.)




La Velocidad del Sonido.


Cualquier persona que haya visto a cierta distancia cómo se dispara un proyectil ha observado el fogonazo del arma antes de escuchar la detonación. Ocurre algo similar al observar el relámpago de un rayo antes de oír el trueno. Aunque tanto la luz como el sonido viajan a velocidades finitas, la velocidad de la luz es tan grande en comparación con la del sonido que pueden considerarse instantánea. La velocidad del sonido se puede medir directamente determinando el tiempo que tardan las ondas en moverse a través de una distancia conocida. En el aire, a 0ºC, el sonido viaja a una velocidad de 331 m/s (1087 ft/s).
La velocidad de una onda depende de la elasticidad del medio y de la inercia de sus partículas. Los materiales más elásticos permiten mayores velocidades de onda, mientras que los materiales más densos retardan el movimiento ondulatoria. Las siguientes relaciones empíricas se basan en estas proporcionalidades.
Para las ondas sonoras longitudinales en un alambre o varilla, la velocidad de onda está dada por
donde Y es el módulo de Young para el sólido y p es su densidad. Esta relación es válida sólo para varillas cuyos diámetros son pequeños en comparación con las longitudes de las ondas sonoras longitudinales que se propagan a través de ellas.
En un sólido extendido, la velocidad de la onda longitudinal es función del módulo de corte S, el módulo de volumen B, y la intensidad p del medio. La velocidad de la onda se puede calcular a partir de
Las ondas longitudinales transmitidas en un fluido tienen una velocidad que se determina a partir de
donde B es módulo de volumen para el fluido y p es su densidad.
Para calcular la velocidad del sonido en un gas, el módulo de volumen está dado por
donde y es la constante adiabática (y = 1.4 para el aire y los gases diatómicos) y P es la presión del gas. Por lo tanto, la velocidad de las ondas longitudinales en un gas, partiendo de la ecuación del fluido, está dada por
Pero para un gas ideal
Donde R = constante universal de los gases
T = temperatura absoluta del gas
M = masa molecular del gas
Sustituyendo la ecuación nos queda
Ejemplos.

miércoles, 15 de septiembre de 2010

La Resonancia. Infrasonico y Ultrasonico.

La Resonancia.
Los cuerpos elásticos tienen ciertas frecuencias naturales de vibración que son características del material y de las condiciones límite (de frontera). Una cuerda tensa de una longitud definida puede producir sonidos de frecuencias características. Un tubo abierto o cerrado también tiene frecuencias naturales de vibración.
Siempre que se aplican a un cuerpo una serie de impulsos periódicos de una frecuencia casi igual a alguna de las frecuencias naturales del cuerpo, éste se pone a vibrar con una amplitud relativamente grande. Este fenómeno se conoce como resonancia o vibración simpática.
Un ejemplo de resonancia es el caso de un niño sentado a un columpio. La experiencia indica que la oscilación puede ser puesta en vibración con gran amplitud por medio de una serie de pequeños empujones aplicados a intervalos regulares. La resonancia se producirá únicamente cuando los empujones estén en fase con la frecuencia natural de vibración del columpio. Una ligera variación de los pulsos de entrada dará como resultado una vibración pequeña o incluso ninguna.
El refuerzo del sonido por medio de la resonancia tiene múltiples aplicaciones, así como también buen número de consecuencias desagradables. La resonancia en una columna de aire en un tubo de órgano amplifica el débil sonido de una vibración de un chorro de aire vibrante. Muchos instrumentos musicales se diseñan con cavidades resonantes para producir una variedad de sonidos. La resonancia eléctrica en los receptores de radiopermite al oyente percibir con claridad las señalesdébiles. Cuando se sintoniza la frecuencia de la estación elegida, la señal se amplifica por resonancia eléctrica. En auditorios mal diseñados o enormes salas de concierto, la música y las voces pueden tener un sonido profundo que resulta desagradable al oído. Se sabe que los puentes se destruyen debido a vibraciones simpáticas de gran amplitud producidas por ráfagas de viento.

El Sonido Infrasonico.
El sonido infrasónico es el sonido que esta por debajo de la capacidad auditiva del hombre, técnicamente 20Hz, aunque la gran mayoría de adultos será difícil que escuchen por debajo de 40Hz.
Sin embargo cuando el sonido infrasónico, tiene una amplitud lo suficientemente grande, lo podremos notar, ya que sentiríamos como si nos agitasen. Si alguna vez alguien ha visto el despegue de una nave espacial, te dirá que toda la tierra vibra, eso es sonido infrasónico!!!.
El sonido infrasónico es una onda de sonido muy larga, esta onda puede pasar a través de bosques, edificios e incluso montañas. Por ejemplo si nos quedamos con el ejemplo del despegue de una nave espacial, estas crean al despegar una onda de sonido muy, muy baja de aproximadamente 0.02Hz, y tarda alrededor de 20 minutos en llegar desde Kennedy, Florida hasta la base aérea de Longley, Virginia. Pues bien, esta señal ira viajando alrededor de la tierra hasta que se disipa debido a la atenuación. Animales que producen este tipo de sonido incluyen: elefantes, ballenas, caimanes, hipopótamos, rinocerontes, jirafas, leones, okapi, y diferentes pájaros. Había un pensamiento común, y era que se creía que tan solo los animales de grandes dimensiones producían sonido infrasónico, aunque se ha demostrado que también los de pequeñas dimensiones producen este sonido y probablemente hay muchos que no lo sabemos todavía. Fauna Communications se especializa en el estudio de este tipo de sonido, el sonido infrasónico.

El Ultrasonido.

El ultrasonido es el sonido que ocurre por encima de la capacidad auditiva del hombre, o por encima de 20,000Hz. Animales que se comunican con sonido ultrasónico, incluyen a los DELFINES, murciélagos, muchos pájaros e insectos.
Las ondas ultrasónicas son ondas cortas que rebotan en árboles, rocas etc… Es por esto que los murciélagos y delfines usan este tipo de señales para la eco-colocación. Este es un campo muy interesante de la bioacústica, y en la cual Fauna Communications esta muy interesada.

Aplicaciones de los Infrasonidos.

La principal aplicación de los infrasonidos es la detección de objetos. Esto se hace debido a la escasa absorción de estas ondas en el medio, a diferencia de los ultrasonidos, como veremos. Por ejemplo una onda plana de 10 Hz se absorbe cuatro veces menos que una onda de 1000 Hz en el agua. El inconveniente es que los objetos a detectar deben ser bastante grandes ya que, a tales frecuencias, la longitud de la onda es muy grande lo cual limita el mínimo diámetro del objeto. Como ejemplo diremos que un infrasonido de 10 Hz tiene una longitud de onda de 34 m en el aire, luego los objetos a detectar deben tener un tamaño del orden de 20 m en el aire y 100 m en el agua.

La comunicación de los elefantes.

Ejemplo de aplicaciones de las ondas ultrasónicas se encuentran en el mundo animal y la comunicación entre individuos de una misma especie. El ejemplo más representativo y más importante lo tenemos en los elefantes. La evolución ha hecho que estos animales emitan infrasonidos, dado que estos no se ven afectados cuando atraviesan gigantescas selvas y llanuras y les permite comunicarse a grandes distancias. Así, las hembras pueden avisar a los machos de que se encuentren lejos de ellas, que ya están listas para aparearse, o un grupo puede avisar a otro donde pueden encontrar alimentos. Se ha comprobado que la comunicaciones acústicas de este tipo permiten localizar con gran precisión la fuente de la señal, tanto en tiempo como espacio.
¿Cómo es posible que los elefantes aprecien los infrasonidos? La clave está en la distancia entre sus oídos: Los animales con cabezas pequeñas, que por tanto tienen los oídos más cercanos, pueden oír sonidos de frecuencias más altas que aquellos con oídos más separados; esto se debe esencialmente a las longitudes de onda ya que percibimos sonidos con longitudes de onda del tamaño de nuestro cuerpo aproximadamente. A partir de esto, dado que los infrasonidos tienen longitudes de onda grandes, podemos concluir que los elefantes pueden oír y producir este tipo de ondas sonoras debido a que poseen una cavidad bucal y craneal bastante grande.
Los elefantes se agrupan en familias que son coordinadas a través de infrasonidos en varios kilómetros a la redonda. Algunas de estas llamadas, las más fuertes (116 dB y una frecuencia entre 12 y 35 Hz), comunican la necesidad de reproducirse tanto de machos como de hembras, las cuales pueden ser contestadas por individuos alejados hasta cuatro kilómetros. Pero no sólo lo utilizan para la reproducción sino también para acordar la hora de amamantar a las crías o el recorrido de un paseo.

Las Características del Sonido.

La altura o tono
Cada sonido se caracteriza por su velocidad específica de vibración, que impresiona de manera peculiar al sentido auditivo. Esta propiedad recibe el nombre de tono.
                                     

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Mayor Frecuencia
Sonido agudo
                                                                
Menor frecuencia
Sonido grave









La altura o tono es la característica que nos permite diferenciar un sonido agudo de uno grave. La altura viene producida por el número de vibraciones por segundo (frecuencia), así a mayor número de vibraciones por segundo más agudo es el sonido, y a menor número de vibraciones más grave es el sonido. La sucesión de sonidos de diferentes alturas nos da la melodía.
La altura se representa en música mediante las notas musicales: DO-RE-MI-FA-SOL-LA-SI.  La posición de las notas en el pentagrama depende de la clave que se utilice.


La altura viene determinada por:
    El tamaño: cuanto más grande sea un instrumento más grave será el sonido que produzca, cuanto más pequeño más agudo será el sonido.
    La longitud: cuanto más larga sea una cuerda más grave es el sonido, cuanto más corta más agudo, por eso hay instrumentos que tienen cuerdas de diferente longitud. También cuanto más largo sea el tubo de un instrumento de viento, más grave será su sonido y cuanto más corto más agudo.
    La tensión: cuanto más tensa esté una cuerda, más agudo es el sonido y cuanto menos tensa, más grave.
    La presión: a mayor presión del aire más agudo será el sonido y viceversa.
Otros aspectos a tener en cuenta serán el grosor (de las cuerdas), el diámetro (del tubo), etc.

     La intensidad
    Es la cualidad que nos permite distinguir entre sonidos fuertes o débiles. La podemos definir como la fuerza con la que se produce un sonido. Además de la amplitud en la percepción de la intensidad, influye la distancia a que se encuentra situado el foco sonoro del oyente y la capacidad auditiva de este.
Mayor Amplitud de onda
Sonido fuerte
Menor Amplitud de onda
Sonido Suave

Las Fuentes sonoras.

Es todo cuerpo vibrante capaz de producir ondas elásticas en el medio que lo rodea. Como son cuerdas y tubos sonoros

Cuerdas Sonoras: Cuando se hace que vibre la cuerda, se producen en ellas ondas estacionarias debidas a la interferencia que tiene lugar, entre ondas que avanzan en sentidos opuestos, con la particularidad de que cada uno de los extremos se encuentra un nodo; y en la parte central de la cuerda se forma un vientre .
Ecuación de la frecuencia del sonido producido por una cuerda
fn = n v / 2L
Donde n es el armónico, v la velocidad y L es la longitud de onda
Tubos sonoros: Son cavidades que contienen aire y producen sonidos al hacer vibrar las moléculas encerradas. Existen dos tipos de tubos los abiertos y los cerrados.
Tubos abiertos: fn = n.v / 2L
Tubos cerrados: fn = n.v / 4L

Se denomina fuente sonora al proceso mediante el cual un sonido es manipulado para generar en el oyente la sensación de estar moviéndose en un espacio real o virtual.

En el caso de la espacialización sonora en un espacio real, normalmente la fuente sonora (por ejemplo, un instrumento musical o un parlante) mantiene una ubicación espacial puntual o se mueve respecto al oyente. Los primeros experimentos en espacialización usaban este método, y en un sentido amplio podría considerarse a la ubicación (y utilización) de los instrumentos dentro de una orquesta y aún el de los coros (que suenan mejor en ambientes reverberantes) como formas de espacialización.

En la espacialización virtual, se busca simular mediante procesamientos (generalmente digitales, aunque puede hacerse también en forma analógica) a las variaciones físicas (acústicas) que ocurrirían en el caso de estar moviéndose la fuente. Para oírse, estas simulaciones son reproducidas mediante al menos dos fuentes sonoras (parlantes), siendo el efecto más real cuantas más fuentes haya.

Fenómenos acústicos y psicoacústicos utilizados en la espacialización sonora

ITD (Interaural Time Difference): es la diferencia de tiempo que existe entre una señal acústica que llega a un oído y al otro. Esta diferencia de tiempo está en el orden de los 0,6 mantenimiento real de la solicitación minuciosa de mantenimiento socialo |velocidad de propagación del sonido]] en el aire es de 340 metros por segundo). Sin embargo, sufre variaciones de acuerdo a la frecuencia debido a interferencias (difracción de la misma cabeza) y su percepción se ve afectada asimismo en bajas frecuencias, cuando la longitud de onda es lo suficientemente larga como para que la diferencia de fase entre la señal percibida por ambos oídos sea despreciable.

IID (Interaural Intensity Difference) o ILD (Interaural Level Difference): es la diferencia de intensidad o amplitud que hay entre la señal que llega a un oído y al otro. Esta diferencia obedece al inverso del cuadrado de la distancia. Como en la ITD también se ve afectada por la cabeza y los pabellones auriculares (orejas), que actúan como filtro reforzando algunas frecuencias y atenuando otras.

Efecto Doppler: es un efecto de compresión/descompresión que sufren las ondas acústicas debido al movimiento entre una fuente y un oyente, que produce una desviación en la longitudes de onda, y por lo tanto en la altura percibida (es el típico efecto que oímos cuando se acerca o aleja un auto a gran velocidad).

Reverberación: la localización espacial mediante la escucha binaural de una fuente sonora se verá afectada por el recinto en el que esté sonando.

Métodos de espacialización
Páneo por intensidad: es uno de los primeros métodos utilizados, y uno de los más comunes. Se basa en el efecto de la IID o ILD, y consiste en calcular la amplitud o intensidad relativa que deberían tener las fuentes acústicas reales (parlantes) para simular una fuente virtual especializada en una ubicación determinada. Por ejemplo, en el caso más simple de un sistema estéreo, para hacer que algo parezca "sonar" en el medio, la señal deberá aparecer con la misma intensidad en ambos parlantes, mientras que si se quiere hacer que suene hacia un costado deberá ser mayor la intensidad del canal correspondiente a ese lado respecto al otro. Es interesante notar que si bien este sistema funciona bastante bien, al basarse únicamente en el IID la localización se verá afectada por los demás parámetros que pueden ir en contra del efecto de espacialización deseado. Por ejemplo, mediante el efecto Haas, se puede conseguir que si un sonido llega antes de un canal que del otro, aún sonando más fuerte este último, se perciba como proveniente del primero.
Ambisonics: inventado por Michael A. Gerzon, Peter Fellgett y John Hayes al comienzo de la década del 1970, es un método de grabación, codificación, decodificación y reproducción del sonido en tres dimensiones. Para la grabación y codificación se utilizan cuatro micrófonos independientes ubicado en un punto del espacio. Mediante este método, se consigue tener un registro de las variaciones de fase e intensidad de la señal acústica en los tres ejes del espacio (tres de los micrófonos son direccionales), y un registro global (el micrófono restante es omnidireccional). Se consigue con esto codificar la información acústica de manera que permita luego decodificarla a un número arbitrario de canales y diversos tipos de ubicación de parlantes. Debido a que la fase es conservada y puede luego ser reproducida, no presenta las limitaciones propias del páneo por intensidad.

HRTF (u Holofonía): del inglés Head-related transfer function (función de transferencia relativa a la cabeza). Es un método aprovechado al máximo en escuchas binaurales (con auriculares), y consiste en la grabación de múltiples respuestas a impulsos grabadas en micrófonos ubicados en los lugares correspondientes a los tímpanos en cabezas artificiales. Estos múltiples impulsos son generados en una esfera alrededor de la cabeza, y debido a sus características espectrales (de banda ancha), permiten obtener en una forma muy exacta la respuesta que tiene una cabeza promedio ante un estímulo sonoro proveniente desde esa posición. Por lo tanto, mediante un proceso de convolución es posible luego hacer que una señal cualquiera suene en un sistema binaural como si proviniera del lugar del impulso utilizado.

La Compresión.

La compresión física es un resultado de la aplicación de una fuerza de compresión a un material, resultando en una reducción en suvolumen.
La compresión ocurre cuando la fuerza axial aplicada esté tuteando con el sentido dirigido para el interior de la pieza. Por ejemplo, una pequeña chapa de acero engastada en una morsa, siendo gradualmente comprimida por los dos engastes, estará recibiendo fuerzas con direcciones opuestas, sin embargo, apuntando para su interior.
(a) Compresiones y rarefacciones de una onda sonora en el aire en un instante determinado. (b) Variación sinusoidal de la presión como función del desplazamiento.

Las Ondas Sonoras.

¿Qué son las Ondas Sonoras?
Es una onda longitudinal por donde viaja el sonido. Si se propaga en un medio elástico y continuo genera una variación local de presión o densidad, que se transmite en forma de onda esférica periódica o cuasiperidica.
Las variaciones de presión, humedad o temperatura del medio, producen el desplazamiento de las moléculas que lo forman. Cada molécula transmite la vibración a la de su vecina, provocando un movimiento en cadena. Esos movimientos coordinados de millones de moléculas producen las denominadas ondas sonoras, que producen en el oido humano una sensación descrita como sonido.