Acústica

La acústica es una rama de la física que se ocupa del estudio de las ondas mecánicas en gases, líquidos y sólidos, incluidos temas como la vibración, el sonido, el ultrasonido y el infrasonido. Un científico que trabaja en el campo de la acústica es un especialista en acústica, mientras que alguien que trabaja en el campo de la tecnología acústica puede llamarse ingeniero acústico. La aplicación de la acústica está presente en casi todos los aspectos de la sociedad moderna, siendo los más obvios las industrias de audio y control de ruido.

La audición es uno de los medios de supervivencia más cruciales en el mundo animal y el habla es una de las características más distintivas del desarrollo y la cultura humana. En consecuencia, la ciencia de la acústica se extiende a través de muchas facetas de la sociedad humana: música, medicina, arquitectura, producción industrial, guerra y más. Asimismo, especies animales como los pájaros cantores y las ranas utilizan el sonido y el oído como elemento clave en los rituales de apareamiento o marcación de territorios. El arte, la artesanía, la ciencia y la tecnología se han provocado mutuamente para avanzar en el conjunto, como en muchos otros campos del saber. "Wheel of Acoustics" de Robert Bruce Lindsay es una descripción bien aceptada de los diversos campos de la acústica.

Historia

Etimología

La palabra "acústica" se deriva de la palabra griega ἀκουστικός (akoustikos), que significa "de o para oír, listo para oír" y de ἀκουστός (akoustos), "oído, audible", que a su vez deriva del verbo ἀκούω(akouo), "Escucho".

El sinónimo latino es "sonic", después de lo cual el término sonics solía ser un sinónimo de acústica y más tarde una rama de la acústica. Las frecuencias por encima y por debajo del rango audible se denominan "ultrasónicas" e "infrasónicas", respectivamente.

Primeras investigaciones en acústica

En el siglo VI a. C., el antiguo filósofo griego Pitágoras quería saber por qué algunas combinaciones de sonidos musicales parecían más hermosas que otras, y encontró respuestas en términos de proporciones numéricas que representan la serie de sobretonos armónicos en una cuerda. Se dice que observó que cuando las longitudes de las cuerdas vibrantes se expresan como proporciones de números enteros (por ejemplo, 2 a 3, 3 a 4), los tonos producidos serán armoniosos, y cuanto más pequeños sean los números, más armoniosos serán los sonidos. Por ejemplo, una cuerda de cierta longitud sonaría particularmente armoniosa con una cuerda del doble de longitud (si los demás factores son iguales). En el lenguaje moderno, si una cuerda suena la nota C cuando se pulsa, una cuerda dos veces más larga sonará una nota C una octava más baja. En un sistema de afinación musical, los tonos intermedios están dados por 16:9 para D, 8:5 para E, 3:

Aristóteles (384-322 a. C.) entendió que el sonido consistía en compresiones y rarefacciones del aire que "cae sobre el aire que está junto a él y lo golpea...", una muy buena expresión de la naturaleza del movimiento ondulatorio. On Things Heard, generalmente atribuido a Strato de Lampsacus, establece que el tono está relacionado con la frecuencia de las vibraciones del aire y con la velocidad del sonido.

Aproximadamente en el año 20 a. C., el arquitecto e ingeniero romano Vitruvio escribió un tratado sobre las propiedades acústicas de los teatros que incluía una discusión sobre la interferencia, los ecos y la reverberación: los comienzos de la acústica arquitectónica. En el Libro V de su De architectura (Los diez libros de arquitectura) Vitruvio describe el sonido como una onda comparable a una onda de agua extendida en tres dimensiones, la cual, cuando es interrumpida por obstrucciones, fluirá hacia atrás y se romperá con las siguientes olas. Describió los asientos ascendentes en los teatros antiguos como diseñados para evitar este deterioro del sonido y también recomendó que se colocaran recipientes de bronce de tamaños apropiados en los teatros para resonar con la cuarta, quinta y así sucesivamente, hasta la doble octava, para resonar con las notas más deseables y armoniosas.

Durante la edad de oro islámica, se cree que Abū Rayhān al-Bīrūnī (973-1048) postuló que la velocidad del sonido era mucho más lenta que la velocidad de la luz.

La comprensión física de los procesos acústicos avanzó rápidamente durante y después de la Revolución Científica. Principalmente Galileo Galilei (1564-1642) pero también Marin Mersenne (1588-1648), de forma independiente, descubrieron las leyes completas de las cuerdas vibrantes (completando lo que Pitágoras y los pitagóricos habían comenzado 2000 años antes). Galileo escribió "Las ondas son producidas por las vibraciones de un cuerpo sonoro, que se esparcen por el aire, trayendo al tímpano del oído un estímulo que la mente interpreta como sonido", una afirmación notable que apunta a los inicios de la acústica fisiológica y psicológica.. Las mediciones experimentales de la velocidad del sonido en el aire se llevaron a cabo con éxito entre 1630 y 1680 por varios investigadores, principalmente Mersenne. Mientras tanto,

Era de la Ilustración y en adelante

Durante el siglo XVIII, Euler (1707-1783), Lagrange (1736-1813) y d'Alembert (1717-1783) lograron un progreso sustancial en acústica, que se basa en conceptos matemáticos y físicos más firmes. Durante esta era, la física del continuo, o teoría de campos, comenzó a recibir una estructura matemática definida. La ecuación de onda surgió en varios contextos, incluida la propagación del sonido en el aire.

En el siglo XIX, las principales figuras de la acústica matemática fueron Helmholtz en Alemania, quien consolidó el campo de la acústica fisiológica, y Lord Rayleigh en Inglaterra, quien combinó los conocimientos previos con sus copiosas contribuciones al campo en su monumental obra The Theory of Sound. (1877). También en el siglo XIX, Wheatstone, Ohm y Henry desarrollaron la analogía entre la electricidad y la acústica.

El siglo XX vio un florecimiento de las aplicaciones tecnológicas del gran cuerpo de conocimiento científico que ya existía en ese momento. La primera aplicación de este tipo fue el innovador trabajo de Sabine en acústica arquitectónica, y le siguieron muchas otras. La acústica submarina se utilizó para detectar submarinos en la Primera Guerra Mundial. La grabación de sonido y el teléfono jugaron papeles importantes en una transformación global de la sociedad. La medición y el análisis del sonido alcanzaron nuevos niveles de precisión y sofisticación mediante el uso de la electrónica y la informática. El rango de frecuencias ultrasónicas permitió tipos de aplicaciones completamente nuevos en la medicina y la industria. Se inventaron y pusieron en uso nuevos tipos de transductores (generadores y receptores de energía acústica).

Conceptos fundamentales de la acústica

Definición

La acústica se define en ANSI/ASA S1.1-2013 como "(a) Ciencia del sonido, incluida su producción, transmisión y efectos, incluidos los efectos biológicos y psicológicos. (b) Aquellas cualidades de una habitación que, juntas, determinan su carácter con respecto a los efectos auditivos".

El estudio de la acústica gira en torno a la generación, propagación y recepción de ondas y vibraciones mecánicas.

Los pasos que se muestran en el diagrama anterior se pueden encontrar en cualquier evento o proceso acústico. Hay muchos tipos de causas, tanto naturales como volitivas. Hay muchos tipos de procesos de transducción que convierten la energía de alguna otra forma en energía sónica, produciendo una onda de sonido. Hay una ecuación fundamental que describe la propagación de ondas sonoras, la ecuación de ondas acústicas, pero los fenómenos que surgen de ella son variados y, a menudo, complejos. La onda transporta energía por todo el medio de propagación. Eventualmente, esta energía se transduce nuevamente en otras formas, en formas que nuevamente pueden ser naturales y/o intencionadas por voluntad propia. El efecto final puede ser puramente físico o puede llegar lejos en los dominios biológicos o volitivos. Los cinco pasos básicos se encuentran igualmente bien si estamos hablando de un terremoto,

La etapa central en el proceso acústico es la propagación de ondas. Esto cae dentro del dominio de la acústica física. En los fluidos, el sonido se propaga principalmente como una onda de presión. En los sólidos, las ondas mecánicas pueden adoptar muchas formas, incluidas ondas longitudinales, ondas transversales y ondas superficiales.

La acústica analiza primero los niveles de presión y las frecuencias en la onda de sonido y cómo la onda interactúa con el medio ambiente. Esta interacción se puede describir como una difracción, una interferencia o un reflejo o una combinación de los tres. Si hay varios medios presentes, también puede ocurrir una refracción. Los procesos de transducción también son de especial importancia para la acústica.

Propagación de olas: niveles de presión

En fluidos como el aire y el agua, las ondas sonoras se propagan como perturbaciones en el nivel de presión ambiental. Si bien esta perturbación suele ser pequeña, todavía es perceptible para el oído humano. El sonido más pequeño que una persona puede escuchar, conocido como umbral de audición, es nueve órdenes de magnitud más pequeño que la presión ambiental. El volumen de estas perturbaciones está relacionado con el nivel de presión sonora (SPL), que se mide en una escala logarítmica en decibelios.

Propagación de onda: frecuencia

Los físicos y los ingenieros acústicos tienden a discutir los niveles de presión del sonido en términos de frecuencias, en parte porque así es como nuestros oídos interpretan el sonido. Lo que experimentamos como sonidos de "tono más alto" o "tono más bajo" son vibraciones de presión que tienen un número mayor o menor de ciclos por segundo. En una técnica común de medición acústica, las señales acústicas se muestrean en el tiempo y luego se presentan en formas más significativas, como bandas de octava o diagramas de frecuencia de tiempo. Ambos métodos populares se utilizan para analizar el sonido y comprender mejor el fenómeno acústico.

Todo el espectro se puede dividir en tres secciones: audio, ultrasonidos e infrasonidos. El rango de audio se encuentra entre 20 Hz y 20.000 Hz. Este rango es importante porque sus frecuencias pueden ser detectadas por el oído humano. Esta gama tiene una serie de aplicaciones, incluida la comunicación de voz y la música. El rango ultrasónico se refiere a las frecuencias muy altas: 20.000 Hz y superiores. Este rango tiene longitudes de onda más cortas que permiten una mejor resolución en las tecnologías de imagen. Las aplicaciones médicas, como la ultrasonografía y la elastografía, se basan en el rango de frecuencias ultrasónicas. En el otro extremo del espectro, las frecuencias más bajas se conocen como rango infrasónico. Estas frecuencias se pueden utilizar para estudiar fenómenos geológicos como los terremotos.

Instrumentos analíticos como el analizador de espectro facilitan la visualización y medición de señales acústicas y sus propiedades. El espectrograma producido por un instrumento de este tipo es una representación gráfica del nivel de presión variable en el tiempo y los perfiles de frecuencia que dan a una señal acústica específica su carácter definitorio.

Transducción en acústica

Un transductor es un dispositivo para convertir una forma de energía en otra. En un contexto electroacústico, esto significa convertir la energía del sonido en energía eléctrica (o viceversa). Los transductores electroacústicos incluyen altavoces, micrófonos, sensores de velocidad de partículas, hidrófonos y proyectores de sonar. Estos dispositivos convierten una onda de sonido hacia o desde una señal eléctrica. Los principios de transducción más utilizados son el electromagnetismo, la electrostática y la piezoelectricidad.

Los transductores de los altavoces más comunes (p. ej., woofers y tweeters) son dispositivos electromagnéticos que generan ondas utilizando un diafragma suspendido impulsado por una bobina de voz electromagnética que envía ondas de presión. Los micrófonos electret y los micrófonos de condensador emplean electrostática: cuando la onda de sonido golpea el diafragma del micrófono, se mueve e induce un cambio de voltaje. Los sistemas ultrasónicos utilizados en ultrasonografía médica emplean transductores piezoeléctricos. Estos están hechos de cerámicas especiales en las que las vibraciones mecánicas y los campos eléctricos están interrelacionados a través de una propiedad del propio material.

Acústico

Un acústico es un experto en la ciencia del sonido.

Educación

Hay muchos tipos de acústicos, pero generalmente tienen una licenciatura o una calificación superior. Algunos poseen un título en acústica, mientras que otros ingresan a la disciplina a través de estudios en campos como la física o la ingeniería. Gran parte del trabajo en acústica requiere una buena base en matemáticas y ciencias. Muchos científicos acústicos trabajan en investigación y desarrollo. Algunos realizan investigaciones básicas para avanzar en nuestro conocimiento de la percepción (p. ej., audición, psicoacústica o neurofisiología) del habla, la música y el ruido. Otros científicos acústicos avanzan en la comprensión de cómo se ve afectado el sonido a medida que se mueve a través de los entornos, por ejemplo, acústica subacuática, acústica arquitectónica o acústica estructural. Otras áreas de trabajo se enumeran debajo de las subdisciplinas. Los científicos acústicos trabajan en laboratorios gubernamentales, universitarios y de la industria privada. Muchos van a trabajar en Ingeniería Acústica. Algunas posiciones, como la Facultad (personal académico) requieren un Doctor en Filosofía.

Subdisciplinas

Arqueoacústica

La arqueoacústica, también conocida como la arqueología del sonido, es una de las únicas formas de experimentar el pasado con otros sentidos además de nuestros ojos. La arqueoacústica se estudia probando las propiedades acústicas de los sitios prehistóricos, incluidas las cuevas. Iegor Rezkinoff, arqueólogo del sonido, estudia las propiedades acústicas de las cuevas a través de sonidos naturales como zumbidos y silbidos. Las teorías arqueológicas de la acústica se centran en propósitos rituales, así como en una forma de ecolocalización en las cuevas. En arqueología, los sonidos acústicos y los rituales se correlacionan directamente, ya que los sonidos específicos estaban destinados a acercar a los participantes del ritual a un despertar espiritual. También se pueden establecer paralelismos entre las pinturas murales de las cuevas y las propiedades acústicas de la cueva; ambos son dinámicos.Debido a que la arqueoacústica es un tema arqueológico bastante nuevo, el sonido acústico todavía se está probando en estos sitios prehistóricos en la actualidad.

Aeroacústica

La aeroacústica es el estudio del ruido generado por el movimiento del aire, por ejemplo a través de la turbulencia, y el movimiento del sonido a través del aire fluido. Este conocimiento se aplica en ingeniería acústica para estudiar cómo silenciar aviones. La aeroacústica es importante para comprender cómo funcionan los instrumentos musicales de viento.

Procesamiento de señales acústicas

El procesamiento de señales acústicas es la manipulación electrónica de señales acústicas. Las aplicaciones incluyen: control de ruido activo; diseño de audífonos o implantes cocleares; cancelación del eco; recuperación de información musical y codificación perceptiva (por ejemplo, MP3 u Opus).

Acústica arquitectónica

La acústica arquitectónica (también conocida como acústica de edificios) involucra la comprensión científica de cómo lograr un buen sonido dentro de un edificio. Por lo general, implica el estudio de la inteligibilidad del habla, la privacidad del habla, la calidad de la música y la reducción de vibraciones en el entorno construido. Los entornos comúnmente estudiados son hospitales, aulas, viviendas, lugares de actuación, estudios de grabación y transmisión. Las consideraciones de enfoque incluyen la acústica de la sala, la transmisión aérea y de impacto en las estructuras de los edificios, el control del ruido aéreo y estructural, el control del ruido de los sistemas de construcción y los sistemas electroacústicos [1].

Bioacústica

La bioacústica es el estudio científico de la audición y las llamadas de los animales, así como de cómo los animales se ven afectados por la acústica y los sonidos de su hábitat.

Electroacústica

Esta subdisciplina se ocupa de la grabación, manipulación y reproducción de audio mediante dispositivos electrónicos. Esto podría incluir productos como teléfonos móviles, sistemas de megafonía a gran escala o sistemas de realidad virtual en laboratorios de investigación.

Ruido ambiental y paisajes sonoros

La acústica ambiental se ocupa del ruido y las vibraciones causados ​​por los ferrocarriles, el tráfico rodado, las aeronaves, los equipos industriales y las actividades recreativas. El principal objetivo de estos estudios es reducir los niveles de ruido y vibraciones ambientales. El trabajo de investigación ahora también tiene un enfoque en el uso positivo del sonido en entornos urbanos: paisajes sonoros y tranquilidad.

Acústica musical

La acústica musical es el estudio de la física de los instrumentos acústicos; el procesamiento de señales de audio utilizado en la música electrónica; el análisis informático de la música y la composición, y la percepción y la neurociencia cognitiva de la música.

Ruido

El objetivo de esta subdisciplina acústica es reducir el impacto del sonido no deseado. El alcance de los estudios de ruido incluye la generación, propagación e impacto en estructuras, objetos y personas.

• Desarrollo de modelos innovadores
• Técnicas de medición
• Estrategias de mitigación
• Hasta el establecimiento de normas y reglamentos

La investigación del ruido investiga el impacto del ruido en humanos y animales para incluir trabajo en definiciones, reducción, ruido del transporte, protección auditiva, ruido de aviones y cohetes, ruido y vibración del sistema de construcción, propagación del sonido atmosférico, paisajes sonoros y sonido de baja frecuencia.

Psicoacústica

Se han realizado muchos estudios para identificar la relación entre la acústica y la cognición, o más comúnmente conocida como psicoacústica, en la que lo que se escucha es una combinación de percepción y aspectos biológicos. La información interceptada por el paso de las ondas sonoras a través del oído es comprendida e interpretada a través del cerebro, enfatizando la conexión entre la mente y la acústica. Se han observado cambios psicológicos a medida que las ondas cerebrales se ralentizan o aceleran como resultado de estímulos auditivos variables que, a su vez, pueden afectar la forma en que uno piensa, siente o incluso se comporta.Esta correlación se puede ver en situaciones normales y cotidianas en las que escuchar una canción alegre o animada puede hacer que el pie comience a dar golpecitos o una canción más lenta puede dejar una sensación de calma y serenidad. En una mirada biológica más profunda al fenómeno de la psicoacústica, se descubrió que el sistema nervioso central es activado por las características acústicas básicas de la música. Al observar cómo el sistema nervioso central, que incluye el cerebro y la columna vertebral, está influenciado por la acústica, es evidente la vía por la cual la acústica afecta la mente y, esencialmente, el cuerpo.

Habla

Los acústicos estudian la producción, el procesamiento y la percepción del habla. El reconocimiento de voz y la síntesis de voz son dos áreas importantes del procesamiento del habla usando computadoras. El tema también se superpone con las disciplinas de la física, la fisiología, la psicología y la lingüística.

Vibración Estructural y Dinámica

La acústica estructural es el estudio de los movimientos y las interacciones de los sistemas mecánicos con sus entornos y los métodos para su medición, análisis y control [2]. Hay varias subdisciplinas que se encuentran dentro de este régimen:

• Análisis modal
• Caracterización de materiales
• Vigilancia de la salud estructural
• Metamateriales Acústicos
• Acústica de fricción

Las aplicaciones pueden incluir: vibraciones del suelo de los ferrocarriles; aislamiento de vibraciones para reducir las vibraciones en quirófanos; estudiar cómo la vibración puede dañar la salud (vibración dedo blanco); control de vibraciones para proteger un edificio de terremotos, o medir cómo el sonido transmitido por la estructura se mueve a través de los edificios.

Ultrasonidos

Los ultrasonidos se ocupan de los sonidos a frecuencias demasiado altas para ser escuchados por los humanos. Las especialidades incluyen ultrasonidos médicos (incluida la ultrasonografía médica), sonoquímica, pruebas ultrasónicas, caracterización de materiales y acústica subacuática (sonar).

Acústica submarina

La acústica submarina es el estudio científico de los sonidos naturales y artificiales bajo el agua. Las aplicaciones incluyen sonar para localizar submarinos, comunicación submarina por ballenas, monitoreo del cambio climático mediante la medición acústica de la temperatura del mar, armas sónicas y bioacústica marina.

Sociedades profesionales

• La Sociedad Acústica de América (ASA)
• Sociedad Australiana de Acústica (AAS)
• La Asociación Europea de Acústica (EAA)
• Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE)
• Instituto de Acústica (IoA Reino Unido)
• La Sociedad de Ingeniería de Audio (AES)
• Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos, División de Acústica y Control de Ruido (ASME-NCAD)
• Comisión Internacional de Acústica (ICA)
• Instituto Americano de Aeronáutica y Astronáutica, Aeroacústica (AIAA)
• Asociación Internacional de Música por Computador (ICMA)

Publicaciones académicas

• Acta Acustica unida con Acustica
• Acústica Aplicada
• Revista de la Sociedad Acústica de América (JASA)
• Revista de la Sociedad Acústica de América, Express Letters (JASA-EL)
• Revista de la Sociedad de Ingeniería de Audio
• Diario de Sonido y Vibración (JSV)
• Revista de Vibración y Acústica Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos
• Ultrasonidos (diario)