Sonido

En física, el sonido es una vibración que se propaga como una onda acústica, a través de un medio de transmisión como un gas, líquido o sólido. En fisiología y psicología humana, el sonido es la recepción de tales ondas y su percepción por el cerebro. Solo las ondas acústicas que tienen frecuencias entre 20 Hz y 20 kHz, el rango de frecuencia de audio, provocan una percepción auditiva en los humanos. En el aire a presión atmosférica, representan ondas de sonido con longitudes de onda de 17 metros (56 pies) a 1,7 centímetros (0,67 pulgadas). Las ondas de sonido por encima de 20 kHz se conocen como ultrasonido y no son audibles para los humanos. Las ondas de sonido por debajo de 20 Hz se conocen como infrasonidos. Diferentes especies de animales tienen diferentes rangos de audición.

Acústica

La acústica es la ciencia interdisciplinaria que se ocupa del estudio de las ondas mecánicas en gases, líquidos y sólidos, incluidas las vibraciones, el sonido, el ultrasonido y el infrasonido. Un científico que trabaja en el campo de la acústica es un acústico, mientras que alguien que trabaja en el campo de la ingeniería acústica puede llamarse ingeniero acústico. Un ingeniero de audio, por otro lado, se ocupa de la grabación, manipulación, mezcla y reproducción del sonido.

Las aplicaciones de la acústica se encuentran en casi todos los aspectos de la sociedad moderna, las subdisciplinas incluyen aeroacústica, procesamiento de señales de audio, acústica arquitectónica, bioacústica, electroacústica, ruido ambiental, acústica musical, control de ruido, psicoacústica, habla, ultrasonido, acústica subacuática y vibración..

Definición

El sonido se define como "(a) Oscilación en presión, tensión, desplazamiento de partículas, velocidad de partículas, etc., que se propaga en un medio con fuerzas internas (p. ej., elásticas o viscosas), o la superposición de dicha oscilación propagada. (b) Auditivo sensación evocada por la oscilación descrita en (a)." El sonido puede verse como un movimiento ondulatorio en el aire u otro medio elástico. En este caso, el sonido es un estímulo. El sonido también puede verse como una excitación del mecanismo auditivo que da como resultado la percepción del sonido. En este caso, el sonido es una sensación.

Física

El sonido puede propagarse a través de un medio como el aire, el agua y los sólidos como ondas longitudinales y también como onda transversal en los sólidos. Las ondas de sonido son generadas por una fuente de sonido, como el diafragma vibratorio de un altavoz estéreo. La fuente de sonido crea vibraciones en el medio circundante. A medida que la fuente continúa haciendo vibrar el medio, las vibraciones se propagan alejándose de la fuente a la velocidad del sonido, formando así la onda sonora. A una distancia fija de la fuente, la presión, la velocidad y el desplazamiento del medio varían con el tiempo. En un instante de tiempo, la presión, la velocidad y el desplazamiento varían en el espacio. Tenga en cuenta que las partículas del medio no viajan con la onda de sonido. Esto es intuitivamente obvio para un sólido, y lo mismo es cierto para líquidos y gases (es decir,la posición promedio de las partículas a lo largo del tiempo no cambia). Durante la propagación, las ondas pueden ser reflejadas, refractadas o atenuadas por el medio.

El comportamiento de la propagación del sonido generalmente se ve afectado por tres cosas:

• Una relación compleja entre la densidad y la presión del medio. Esta relación, afectada por la temperatura, determina la velocidad del sonido dentro del medio.
• Movimiento del propio medio. Si el medio se está moviendo, este movimiento puede aumentar o disminuir la velocidad absoluta de la onda de sonido dependiendo de la dirección del movimiento. Por ejemplo, el sonido que se mueve a través del viento tendrá su velocidad de propagación aumentada por la velocidad del viento si el sonido y el viento se mueven en la misma dirección. Si el sonido y el viento se mueven en direcciones opuestas, la velocidad de la onda de sonido disminuirá por la velocidad del viento.
• La viscosidad del medio. La viscosidad media determina la velocidad a la que se atenúa el sonido. Para muchos medios, como el aire o el agua, la atenuación debida a la viscosidad es insignificante.

Cuando el sonido se mueve a través de un medio que no tiene propiedades físicas constantes, puede refractarse (ya sea disperso o enfocado).

Las vibraciones mecánicas que pueden interpretarse como sonido pueden viajar a través de todas las formas de materia: gases, líquidos, sólidos y plasmas. La materia que soporta el sonido se llama medio. El sonido no puede viajar a través del vacío.

Olas

El sonido se transmite a través de gases, plasma y líquidos como ondas longitudinales, también llamadas ondas de compresión. Requiere un medio para propagarse. Sin embargo, a través de los sólidos, puede transmitirse tanto como ondas longitudinales como transversales. Las ondas de sonido longitudinales son ondas de desviaciones de presión alternas de la presión de equilibrio, que causan regiones locales de compresión y rarefacción, mientras que las ondas transversales (en sólidos) son ondas de esfuerzo cortante alterno en ángulo recto con la dirección de propagación.

Las ondas de sonido se pueden ver utilizando espejos parabólicos y objetos que producen sonido.

La energía transportada por una onda de sonido oscilante se convierte de un lado a otro entre la energía potencial de la compresión adicional (en el caso de las ondas longitudinales) o la deformación por desplazamiento lateral (en el caso de las ondas transversales) de la materia y la energía cinética de la velocidad de desplazamiento. de partículas del medio.

Aunque existen muchas complejidades relacionadas con la transmisión de sonidos, en el punto de recepción (es decir, los oídos), el sonido se puede dividir fácilmente en dos elementos simples: presión y tiempo. Estos elementos fundamentales forman la base de todas las ondas sonoras. Se pueden usar para describir, en términos absolutos, cada sonido que escuchamos.

Para comprender mejor el sonido, una onda compleja como la que se muestra en un fondo azul a la derecha de este texto, generalmente se separa en sus partes componentes, que son una combinación de varias frecuencias de ondas de sonido (y ruido).

Las ondas de sonido a menudo se simplifican a una descripción en términos de ondas planas sinusoidales, que se caracterizan por estas propiedades genéricas:

• Frecuencia, o su inversa, longitud de onda
• Amplitud, presión sonora o intensidad
• Velocidad del sonido
• Dirección

El sonido perceptible por los humanos tiene frecuencias de aproximadamente 20 Hz a 20 000 Hz. En el aire a temperatura y presión estándar, las longitudes de onda correspondientes de las ondas sonoras oscilan entre 17 m (56 pies) y 17 mm (0,67 pulgadas). A veces, la velocidad y la dirección se combinan como un vector de velocidad; el número de onda y la dirección se combinan como un vector de onda.

Las ondas transversales, también conocidas como ondas de corte, tienen la propiedad adicional de polarización y no son una característica de las ondas sonoras.

Velocidad

La velocidad del sonido depende del medio por el que pasan las ondas, y es una propiedad fundamental del material. El primer esfuerzo significativo hacia la medición de la velocidad del sonido fue realizado por Isaac Newton. Creía que la velocidad del sonido en una sustancia en particular era igual a la raíz cuadrada de la presión que actuaba sobre ella dividida por su densidad:

Más tarde se demostró que esto era incorrecto y el matemático francés Laplace corrigió la fórmula al deducir que el fenómeno del viaje del sonido no es isotérmico, como creía Newton, sino adiabático. Agregó otro factor a la ecuación, gamma, y ​​lo multiplicó por , obteniendo así la ecuación . Dado que , la ecuación final resultó ser , que también se conoce como la ecuación de Newton-Laplace. En esta ecuación, K es el módulo de volumen elástico, c es la velocidad del sonido y es la densidad. Por lo tanto, la velocidad del sonido es proporcional a la raíz cuadrada de la relación entre el módulo volumétrico del medio y su densidad.

Esas propiedades físicas y la velocidad del sonido cambian con las condiciones ambientales. Por ejemplo, la velocidad del sonido en los gases depende de la temperatura. En aire a 20 °C (68 °F) al nivel del mar, la velocidad del sonido es de aproximadamente 343 m/s (1230 km/h; 767 mph) utilizando la fórmula v  [m/s] = 331 + 0,6  T  [°C ]. La velocidad del sonido también es ligeramente sensible, estando sujeta a un efecto anarmónico de segundo orden, a la amplitud del sonido, lo que significa que existen efectos de propagación no lineal, como la producción de armónicos y tonos mixtos no presentes en el sonido original (ver matriz paramétrica). Si los efectos relativistas son importantes, la velocidad del sonido se calcula a partir de las ecuaciones relativistas de Euler.

En agua dulce, la velocidad del sonido es de aproximadamente 1482 m/s (5335 km/h; 3315 mph). En el acero, la velocidad del sonido es de unos 5960 m/s (21 460 km/h; 13 330 mph). El sonido se mueve más rápido en el hidrógeno atómico sólido a unos 36 000 m/s (129 600 km/h; 80 530 mph).

Nivel de presión de sonido

La presión sonora es la diferencia, en un medio dado, entre la presión local media y la presión en la onda sonora. Un cuadrado de esta diferencia (es decir, un cuadrado de la desviación de la presión de equilibrio) generalmente se promedia en el tiempo y/o el espacio, y una raíz cuadrada de este promedio proporciona un valor cuadrático medio (RMS). Por ejemplo, una presión sonora de 1 Pa RMS (94 dBSPL) en el aire atmosférico implica que la presión real en la onda sonora oscila entre (1 atm Pa) y (1 atm Pa), es decir, entre 101323,6 y 101326,4 Pa. Como el oído humano puede detectar sonidos con una amplia gama de amplitudes, la presión del sonido a menudo se mide como un nivel en una escala logarítmica de decibelios. El nivel de presión sonora (SPL) o L _p se define comodonde p es la raíz cuadrada media de la presión acústica y es una presión acústica de referencia. Las presiones de sonido de referencia comúnmente utilizadas, definidas en el estándar ANSI S1.1-1994, son 20 µPa en aire y 1 µPa en agua. Sin una presión de sonido de referencia específica, un valor expresado en decibelios no puede representar un nivel de presión de sonido.

Dado que el oído humano no tiene una respuesta espectral plana, las presiones de sonido a menudo se ponderan en frecuencia para que el nivel medido coincida más estrechamente con los niveles percibidos. La Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) ha definido varios esquemas de ponderación. Los intentos de ponderación A para igualar la respuesta del oído humano al ruido y los niveles de presión sonora ponderados A se denominan dBA. La ponderación C se utiliza para medir los niveles máximos.

Percepción

Un uso distinto del término sonido de su uso en física es el de fisiología y psicología, donde el término se refiere al tema de la percepción por parte del cerebro. El campo de la psicoacústica se dedica a tales estudios. El diccionario Webster de 1936 definió el sonido como: "1. La sensación de oír, lo que se escucha; específico: a. Psicofísica. Sensación debida a la estimulación de los nervios auditivos y los centros auditivos del cerebro, generalmente por vibraciones transmitidas en un medio material, comúnmente aire, que afecta el órgano de la audición. b. Física. Energía vibratoria que ocasiona tal sensación. El sonido se propaga por perturbaciones vibratorias longitudinales progresivas (ondas de sonido)."Esto significa que la respuesta correcta a la pregunta: "si un árbol cae en el bosque sin que nadie lo escuche, ¿hace ruido?" es "sí" y "no", dependiendo de si se responde utilizando la definición física o psicofísica, respectivamente.

La recepción física del sonido en cualquier organismo auditivo está limitada a un rango de frecuencias. Los humanos normalmente escuchan frecuencias de sonido entre aproximadamente 20 Hz y 20 000 Hz (20 kHz). El límite superior disminuye con la edad. A veces , el sonido se refiere solo a aquellas vibraciones con frecuencias que están dentro del rango auditivo de los humanos o, a veces, se relaciona con un animal en particular. Otras especies tienen diferentes rangos de audición. Por ejemplo, los perros pueden percibir vibraciones superiores a 20 kHz.

Como señal percibida por uno de los sentidos principales, muchas especies utilizan el sonido para detectar peligro, navegación, depredación y comunicación. La atmósfera de la Tierra, el agua y prácticamente cualquier fenómeno físico, como el fuego, la lluvia, el viento, las olas o los terremotos, produce (y se caracteriza por) sus sonidos únicos. Muchas especies, como ranas, aves, mamíferos marinos y terrestres, también han desarrollado órganos especiales para producir sonido. En algunas especies, estos producen el canto y el habla. Además, los humanos han desarrollado una cultura y una tecnología (como la música, el teléfono y la radio) que les permite generar, grabar, transmitir y difundir sonido.

El ruido es un término que se utiliza a menudo para referirse a un sonido no deseado. En ciencia e ingeniería, el ruido es un componente indeseable que oscurece una señal deseada. Sin embargo, en la percepción del sonido a menudo se puede usar para identificar la fuente de un sonido y es un componente importante de la percepción del timbre (ver arriba).

El paisaje sonoro es el componente del entorno acústico que puede ser percibido por los humanos. El entorno acústico es la combinación de todos los sonidos (ya sean audibles para los humanos o no) dentro de un área dada, modificados por el entorno y entendidos por las personas, en el contexto del entorno circundante.

Históricamente, hay seis formas experimentalmente separables en las que se analizan las ondas sonoras. Ellos son: tono, duración, sonoridad, timbre, textura sónica y ubicación espacial. Algunos de estos términos tienen una definición estandarizada (por ejemplo, en ANSI Acoustical Terminology ANSI/ASA S1.1-2013). Los enfoques más recientes también han considerado la envoltura temporal y la estructura fina temporal como análisis relevantes desde el punto de vista de la percepción.

Terreno de juego

El tono se percibe como lo "bajo" o "alto" que es un sonido y representa la naturaleza cíclica y repetitiva de las vibraciones que componen el sonido. Para sonidos simples, el tono se relaciona con la frecuencia de la vibración más lenta del sonido (llamada armónica fundamental). En el caso de sonidos complejos, la percepción del tono puede variar. A veces, las personas identifican diferentes tonos para el mismo sonido, en función de su experiencia personal de patrones de sonido particulares. La selección de un tono particular está determinada por un examen preconsciente de las vibraciones, incluidas sus frecuencias y el equilibrio entre ellas. Se presta especial atención al reconocimiento de posibles armónicos. Cada sonido se coloca en un tono continuo de bajo a alto. Por ejemplo: el ruido blanco (ruido aleatorio repartido uniformemente en todas las frecuencias) suena con un tono más alto que el ruido rosa (ruido aleatorio repartido uniformemente en octavas) ya que el ruido blanco tiene más contenido de alta frecuencia. La figura 1 muestra un ejemplo de reconocimiento de tono. Durante el proceso de escucha, cada sonido se analiza en busca de un patrón repetitivo (consulte la Figura 1: flechas naranjas) y los resultados se envían a la corteza auditiva como un solo tono de cierta altura (octava) y croma (nombre de la nota).

Duración

La duración se percibe como cuán "largo" o "corto" es un sonido y se relaciona con las señales de inicio y fin creadas por las respuestas nerviosas a los sonidos. La duración de un sonido suele durar desde el momento en que se percibe por primera vez hasta que se identifica que ha cambiado o cesado. A veces esto no está directamente relacionado con la duración física de un sonido. Por ejemplo; en un entorno ruidoso, los sonidos con intervalos (sonidos que se detienen y comienzan) pueden sonar como si fueran continuos porque los mensajes compensados ​​se pierden debido a las interrupciones de los ruidos en el mismo ancho de banda general.Esto puede ser de gran utilidad para comprender mensajes distorsionados como señales de radio que sufren interferencias, ya que (debido a este efecto) el mensaje se escucha como si fuera continuo. La Figura 2 da un ejemplo de identificación de duración. Cuando se detecta un nuevo sonido (ver Figura 2, flechas verdes), se envía un mensaje de inicio de sonido a la corteza auditiva. Cuando se pierde el patrón repetitivo, se envía un mensaje de compensación de sonido.

Volumen

La sonoridad se percibe como cuán "fuerte" o "suave" es un sonido y se relaciona con el número total de estimulaciones del nervio auditivo durante períodos de tiempo cíclicos cortos, muy probablemente durante la duración de los ciclos de ondas theta.Esto significa que en duraciones cortas, un sonido muy corto puede sonar más suave que un sonido más largo aunque se presenten al mismo nivel de intensidad. Más allá de los 200 ms, este ya no es el caso y la duración del sonido ya no afecta el volumen aparente del sonido. La Figura 3 da una idea de cómo se suma la información de volumen durante un período de aproximadamente 200 ms antes de enviarse a la corteza auditiva. Las señales más fuertes crean un mayor "empuje" en la membrana basilar y, por lo tanto, estimulan más nervios, creando una señal de mayor volumen. Una señal más compleja también crea más descargas nerviosas y, por lo tanto, suena más fuerte (para la misma amplitud de onda) que un sonido más simple, como una onda sinusoidal.

Timbre

El timbre se percibe como la cualidad de diferentes sonidos (por ejemplo, el ruido sordo de una roca al caer, el zumbido de un taladro, el tono de un instrumento musical o la calidad de una voz) y representa la asignación preconsciente de una identidad sonora a un (por ejemplo, "¡es un oboe!"). Esta identidad se basa en la información obtenida de los transitorios de frecuencia, el ruido, la inestabilidad, el tono percibido y la dispersión e intensidad de los sobretonos en el sonido durante un período de tiempo prolongado.La forma en que un sonido cambia con el tiempo (ver figura 4) proporciona la mayor parte de la información para la identificación del timbre. Aunque una pequeña sección de la forma de onda de cada instrumento parece muy similar (consulte las secciones ampliadas indicadas por las flechas naranjas en la figura 4), las diferencias en los cambios a lo largo del tiempo entre el clarinete y el piano son evidentes tanto en el volumen como en el contenido armónico. Menos perceptibles son los diferentes ruidos que se escuchan, como silbidos de aire para el clarinete y golpes de martillo para el piano.

Textura

La textura sónica se relaciona con la cantidad de fuentes de sonido y la interacción entre ellas. La palabra textura, en este contexto, se relaciona con la separación cognitiva de los objetos auditivos. En música, la textura se refiere a menudo como la diferencia entre unísono, polifonía y homofonía, pero también puede relacionarse (por ejemplo) con un café concurrido; un sonido que podría denominarse cacofonía.

Localización espacial

La ubicación espacial representa la ubicación cognitiva de un sonido en un contexto ambiental; incluyendo la ubicación de un sonido tanto en el plano horizontal como en el vertical, la distancia desde la fuente de sonido y las características del entorno sonoro. En una textura gruesa, es posible identificar múltiples fuentes de sonido usando una combinación de ubicación espacial e identificación de timbre.

Ultrasonido

El ultrasonido son ondas sonoras con frecuencias superiores a 20.000 Hz. El ultrasonido no es diferente del sonido audible en sus propiedades físicas, solo que los humanos no pueden escucharlo. Los dispositivos de ultrasonido funcionan con frecuencias desde 20 kHz hasta varios gigahercios.

El ultrasonido médico se usa comúnmente para diagnóstico y tratamiento.

Infrasonido

El infrasonido son ondas sonoras con frecuencias inferiores a 20 Hz. Aunque los sonidos de tan baja frecuencia son demasiado bajos para que los escuchen los humanos, las ballenas, los elefantes y otros animales pueden detectar infrasonidos y usarlos para comunicarse. Se puede usar para detectar erupciones volcánicas y se usa en algunos tipos de música.