Modulo 01: Principios Basicos del Sonido.

Presentación : Principios Bàsicos del Sonido

Texto Módulo de Sonido I: Documento I

1. Física del sonido

1.1. Introducción

Semánticamente, el sonido puede ser definido como la interpretación que realiza el cerebro de un determinado  estímulo físico que llega al oído. Es importante entonces conocer la naturaleza de ese estímulo físico, las características del oído como mecanismo  capaz de convertir energía acústica en impulsos nerviosos y, por último, la respuesta psicológica a ese estímulo físico. Es pertinente aclarar el significado del término "audio", que se refiere al sonido "apto" expresamente para ser escuchado, ya que el sonido también puede ser empleado en otras aplicaciones que excluyen al fenómeno de la audición (por ejemplo : El ultrasonido que se utiliza para realizar eco localización, en el campo de las exploraciones geológicas y oceanográficas o ecografía, en el campo de la  medicina, entre otros).

Una de las primeras tareas que debe llevar a cabo el técnico audiovisual es familiarizarse con los términos y la transformación de un fenómeno natural.

Un micrófono convierte el sonido en una magnitud equivalente (la electricidad) que se puede manipular más fácilmente. El altavoz convierte de nuevo la electricidad en sonido para que se puedan monitorizar, o escuchar, los cambios realizados. Hay por lo tanto, dos aspectos básicos a entender: la electrónica, que estudia la naturaleza de la electricidad, sus magnitudes fundamentales y sus aplicaciones prácticas en los dispositivos que intervienen en la creación de audio, y la física del sonido, que estudia este fenómeno y aporta las herramientas teóricas para entender lo que ocurre fuera de la cadena de audio.

La física del sonido es la ciencia que estudia la generación y la propagación del sonido. La sensación sonora que se produce en el oído de los seres vivos, no obstante, es claramente subjetiva y su estudio se debe llevar a cabo con criterios  psico-acústicos.

1.2. Definición del sonido. Generación y propagación

El sonido consiste en una vibración mecánica capaz de modificar la presión existente en un medio elástico (el aire), y que se transmite desde su punto de origen hasta el oído. El sonido, por tanto, no puede propagarse en el vacío. La propagación del sonido se efectúa siempre en un medio elástico a una velocidad determinada, siendo el medio que más nos interesa el aéreo. La velocidad de propagación del sonido en el aire es de unos 340 metros por segundo, si bien puede variar dependiendo de la temperatura y la humedad del aire. En otros medios la velocidad es diferente; por citar algún ejemplo, en el agua es de unos 1200 metros (ej, sonidos de la ballenas) y en el acero de unos 5.100 mis.

El sonido se desplaza longitudinalmente (en la misma dirección que la perturbación) en forma de ondas que no son más que variaciones de presión del aire. Si el medio es homogéneo, la propagación se aleja del foco de forma esférica, pero cuando el sonido se genera en el interior de un recinto, queda sometido a las reflexiones y absorciones de los materiales y a la geometría del recinto.

La atmósfera está compuesta de moléculas de aire que pueden apretarse por la acción de una fuerza. El peso de las moléculas que están situadas encima unas de otras ejercen una fuerza constante (por unidad de superficie) y se conoce como presión atmosférica. Al no estar ligadas pueden empujarse unas a otras en cualquier dirección, ejerciendo presión de esta manera, independientemente de la presión atmosférica local. La presión se define como fuerza por unidad de superficie y se mide con diferentes unidades según el sistema utilizado: Pascal (Kg/cm2), Atmósfera y bar entre  otros. El sonido, en general, ejerce en el aire una millonésima parte de presión respecto a la atmosférica; esta última es considerada el punto de equilibrio, a partir del cual se producen las variaciones de presión percibidas como sonido.

1.3. Magnitudes Físicas del sonido.

El sonido se genera a partir de una fuerza capaz de provocar una vibración. Las magnitudes físicas que se utilizan para determinar las características del sonido son:

a. Frecuencia

Es el número de oscilaciones o ciclos por segundo de una vibración sonora. La  unidad con que se mide la frecuencia es el Hertz. El oído humano es capaz de distinguir sonidos de frecuencias comprendidas entre 20hz y 20 Khz (Kilo = 1000; 20 kHz = 20.000 Hertz). Los sonidos de baja frecuencia se consideran graves, y los de alta frecuencia, agudos.

Las frecuencias graves o  bajas oscilan lentamente, mientras que las altas o agudas lo hacen más veces por segundo En la naturaleza, el sonido se presenta como un conjunto de oscilaciones de diferentes frecuencias superpuestas, conformando su estructura armónica. También es posible describir la oscilación como el tiempo que tarda en producirse una única vibración. Se habla entonces del periodo, un parámetro que se mide en segundos y se calcula como el inverso de la frecuencia.

b. Amplitud e intensidad

Se define como la cantidad de presión que ejerce la vibración en el medio elástico (aire). Cuanta mayor amplitud tiene la onda sonora, más fuerte suena, dado que ejerce mayor presión en el aire. Se puede medir decibelio SPL (será tratado en próximos capítulos de este libro). En determinados casos se alude al concepto de intensidad sonora.  Este término hace referencia a la cantidad de sonido, pero en este caso se mide como la potencia sonora dividida por la superficie.

c. Longitud de onda

Es la distancia que hay entre dos puntos en igualdad de fase, por ejemplo entre dos momentos de máxima compresión. Se representa por la letra griega lambda, se mide en metros y se calcula como: Las frecuencias altas tienen menor longitud de onda, mientras que las bajas tienen mayor longitud de onda.

d. Periodo

Es el tiempo transcurrido entre dos puntos en igualdad de fase; relacionándolo con el punto anterior, también se puede definir como el tiempo necesario para recorrer una Longitud de onda. Se obtiene de la inversa de la Frecuencia.

• LA AMPLITUD: Altura de la Onda, determina la intensidad sonora.
• LA LONGITUD: La distancia entre dos crestas consecutivas de una misma onda, la longitud de onda se considera como la distancia entre dos puntos que están en el mismo estado de vibración.
• EL PERÍODO: Cuando producimos ondas en sucesivos impulsos hacia arriba y hacia abajo, las ondas formadas viajan. El tiempo que se toma una onda en pasar por un punto del medio material perturbado es lo que constituye el período.

Grafica de una onda Senoidal simple, o tono puro.

1.4. Fase

Es la relación de tiempo que existe entre dos (2) o más ondas de presión sonora en un punto dado del ciclo de Compresión Rarefacción en el que ocurren. Dado que las ondas de presión sonora son repetitivas, pueden ser divididas en intervalos que ocurren con regularidad. Estos intervalos son medidos en grados. Las ondas de presión sonora tienen un patrón de radiación esférico en tres dimensiones. En la primera parte del ciclo, se tiene en el punto de arranque de la onda de presión sonora una compresión nula, y por tanto, una amplitud nula equivalente a 0 grados. La máxima compresión y amplitud se encuentran a los 90 grados. La rarefacción, y por ende, la amplitud vuelven a ser nulas en 180 grados. En 270 grados se obtienen una máxima rarefacción y amplitud pero en sentido negativo. En 360 grados se com-pleta el ciclo de movimiento y se verifica una amplitud nula. Si dos ondas coinciden en su punto de arranque y desplazamiento se dice que están en fase. De no ser así entonces se dice que están en desfase. Dos ondas en fase tienden a incrementar la amplitud. Dos ondas en desfase tienden a disminuir la amplitud. Dos ondas de presión sonora pueden estar parcialmente en fase y en desfase ; esto hará que en algún punto se aumente la amplitud (interferencia constructiva) y en otros se disminuya (interferencia destructiva).

El atraso o adelanto de una onda de presión sonora con respecto a otra, puede ser calculado mediante la multiplicación del tiempo de retardo de una de las ondas por la frecuencia y por los grados correspondientes a un ciclo de Compresión - Rarefacción.

 e. El decibel. (SPL– presión sonora) Las ondas de presión sonora

EL Decibel (dB) es el valor relativo que se asigna para cuantificar la Amplitud. Este valor expresa la  relación entre dos (2) valores o cantidades de igual naturaleza (niveles de presión sonora, niveles de potencia, niveles de voltaje) donde una de las cuales es una base de cálculo o referencia. La presión acústica se mide en términos del nivel de presión sonora (dB-SPL) ya que en las ondas de presión sonora se presentan cambios repetitivos en la presión del aire. La presión más baja corresponde al sonido más tenue o débil que el oído humano es capaz de percibir, y es conocido como umbral de audición, mientras que el más fuerte, correspondiente al máximo sonido soportable por el oído, es el umbral de dolor.

Además, la percepción sonora no manifiesta una proporción lineal, lo cual quiere decir que no produce la misma sensación de aumento de sonoridad pasar de un sonido de 10 decibeles a 15 que pasar de 200 a 206. El incremento es el mismo, pero la percepción sonora no, ya que se rige según una escala logarítmica, es decir que no es lineal,  Debido a estas dos razones, la sonoridad (percepción subjetiva del sonido) y la amplísima gama de intensidades, se utiliza otra unidad: el decibel.Propuesto por Graham Bell (el inventor del teléfono), supone relacionar dos medidas de intensidad (potencia acústica) y aplicarles el operador matemático del logaritmo. El belio no expresa valores absolutos como los vatios de potencia: representa un valor sin unidades referido a una de las dos magnitudes que se emplea como  referencia. En la práctica se utilizan decenas del belio, o decibelio, en la expresión de dicha relación.