El Sonido: Ondas, Frecuencia y Amplitud

El Sonido: Fenómeno Físico y Perceptivo

¿Qué es el sonido?

• El sonido se genera por la vibración de un objeto que crea compresiones y descompresiones en el aire circundante, similar a las ondas en un estanque al arrojar una piedra.

Características de una Onda de Sonido

• La frecuencia del sonido es la velocidad de oscilación de la fuente, medida en hercios (Hz).
• La amplitud de la onda se relaciona con el volumen percibido.
• La longitud de onda es la distancia entre picos sucesivos de compresión o descompresión, y depende de la velocidad del sonido en el medio.

Cómo Viaja el Sonido en el Aire

• Las ondas longitudinales de sonido se propagan mediante compresiones y descompresiones en el aire.
• La velocidad del sonido en el aire es de aproximadamente 340 m/s, variando con la temperatura.

Sonidos Simples y Complejos

• Los sonidos simples tienen formas de onda regulares (senoidales) y tonos definidos.
• Los sonidos complejos resultan de combinaciones de diferentes formas de onda vibratoria y pueden sonar como ruido.

Espectro de Frecuencias de los Sonidos Periódicos

• Una onda senoidal simple tiene una única frecuencia fundamental.
• Las ondas cuadradas tienen una frecuencia fundamental y armónicos, que son múltiplos enteros de la frecuencia fundamental.
• Fuentes vibratorias simples pueden vibrar en varios modos armónicos simultáneamente.
• El fundamental corresponde al modo en que una cuerda se mueve como un todo.
• Armónicos corresponden a modos con puntos de movimiento máximo y mínimo a lo largo de la cuerda.
• Existen sobretonos no múltiplos enteros de la frecuencia fundamental, llamados parciales inarmónicos, comunes en sonidos de campanas o instrumentos de percusión.

Espectro de Frecuencias de Sonidos No Periódicos

• Las formas de onda no periódicas no tienen una tonalidad definida, suenan como ruido y tienen espectros de frecuencia compuestos por componentes no relacionados entre sí.
• El análisis de estas ondas se realiza mediante la transformación de Fourier, que convierte la onda del dominio del tiempo al dominio de la frecuencia.
• Los pulsos cortos tienen un espectro continuo que se extiende sobre un amplio margen de frecuencias.
• El ruido blanco tiene un espectro plano en toda la banda de audiofrecuencia.
• El ruido rosa tiene la misma energía por octava

Fase

• Dos ondas de la misma frecuencia están en fase cuando sus semiciclos coinciden en tiempo y espacio, resultando en una señal de doble amplitud al sumarse.
• Están en contrafase cuando un semiciclo positivo coincide con uno negativo, cancelándose mutuamente.
• Las diferencias de fase pueden resultar de retardos de tiempo entre señales, afectando la frecuencia del sonido.
• La fase se mide en grados con respecto a una referencia, relevante solo para ondas continuas periódicas.

El Sonido en Forma Eléctrica

• El sonido se convierte a forma eléctrica mediante micrófonos.
• Las ondas acústicas se transforman en señales eléctricas con la misma forma.
• La amplitud de la señal acústica se convierte en voltaje.
• La corriente en el cable es equivalente al movimiento de partículas de aire.
• La impedancia en CA incluye resistencia y reactancia, variando con la frecuencia de la señal.
• Condensadores y bobinas presentan diferentes impedancias según la frecuencia.

Visualización de las Características de una Onda Sonora

• El osciloscopio muestra la forma de onda en el dominio del tiempo.
• El analizador de espectros presenta las frecuencias contenidas en la señal y sus amplitudes.
• El osciloscopio traza la forma de onda conforme varía con el tiempo.
• El analizador de espectros muestra las componentes de frecuencia de la señal en tiempo real.

El Decibelio

• El decibelio (dB) es una unidad usada en ingeniería de sonido.
• Representa la relación entre las amplitudes de dos señales.
• Simplifica la representación del rango de intensidades de sonido que puede captar el oído humano.
• Los decibelios también se usan para describir la ganancia en tensión de dispositivos.

Potencia Sonora y Presión Sonora

• Una fuente de sonido radia su potencia omnidireccionalmente.
• La intensidad del sonido disminuye 6 dB cada vez que se dobla la distancia a la fuente.
• La presión sonora se mide en Newtons por metro cuadrado (N/m²).
• El nivel de presión sonora se mide en dB, con 0 dB aproximadamente al umbral de audición a 1 kHz.

Campo Libre y Campo Reverberante

• Campo libre: Área sin reflexiones acústicas.
• Ley cuadrática inversa: En campo libre, el nivel sonoro depende únicamente de la distancia a la fuente.
• Campo reverberante: En recintos cerrados, el sonido directo y reflejado coexisten.
• Diseño de recintos: En estudios de grabación, un tiempo de reverberación corto es deseable.

Ondas Estacionarias

• Ocurren cuando la mitad de la longitud de onda del sonido es igual a una dimensión de la sala.
• Causan picos y valles de presión sonora en puntos específicos.
• Los modos axiales son los principales, formados entre dos superficies.
• Los modos pueden causar desigualdad en la presión sonora en el recinto.

El Mecanismo de la Audición

• El oído externo incluye el pabellón auditivo y el conducto auditivo, terminando en el tímpano.
• El oído medio consta de tres huesos que conectan el tímpano con el oído interno a través de la ventana oval.
• El oído interno contiene la cóclea, una estructura ósea con fluido y la membrana basilar.
• Cuando una onda sonora excita el aire del conducto auditivo, el tímpano vibra.
• Estas vibraciones se transmiten al oído interno a través de los huesos del oído medio, amplificando las vibraciones en una proporción de 15:1.
• Las vibraciones pasan al fluido del oído interno, estableciendo ondas de presión que afectan la membrana basilar.

Percepción de la Frecuencia

• El movimiento de la membrana basilar depende de la frecuencia de la onda sonora.
• Las frecuencias más altas tienen un pico de movimiento más cercano a la ventana oval.
• Las frecuencias bajas mueven la membrana como un todo.
• La información de frecuencia se transmite al cerebro de dos maneras: impulsos eléctricos sincrónicos con la onda sonora al cerebro o combinación de señales de las fibras nerviosas.

Percepción de la Sonoridad

• La sonoridad percibida no se relaciona directamente con el SPL de un sonido.
• El oído no es igualmente sensible a todas las frecuencias, lo que se representa mediante curvas isofónicas de audición.
• La unidad de nivel sonoro es el fon, con un margen dinámico de alrededor de 140 fonios entre el umbral de audición y el umbral de dolor.
• La sonoridad también depende de la naturaleza del sonido.
• Los sonidos de banda ancha parecen más fuertes que los de banda estrecha.
• Un sonido puede enmascarar a otro de frecuencia similar.

Aplicaciones Prácticas de las Curvas Isofónicas

• La respuesta en frecuencia no lineal del oído plantea desafíos para los ingenieros de sonido.
• El balance de frecuencias percibido de una grabación depende del volumen de reproducción.
• Las funciones de "loudness" en los amplificadores "hi-fi" compensan esta variación al escuchar a niveles bajos.

Percepción Direccional

• La percepción direccional es clave en la reproducción de sonido estéreo y en el diseño de sistemas de megafonía.
• La localización lateral del sonido se basa en diferencias de amplitud y tiempos de llegada entre los dos oídos.
• La distinción entre delante y detrás es facilitada por la libertad de movimiento de la cabeza y, en menor medida, por la vista.
• La localización en el plano vertical depende de las reflexiones en el suelo y en los hombros, así como del efecto de las orejas y la cabeza sobre el sonido.

El Efecto Haas

• El efecto Haas se refiere a la percepción de la dirección de una fuente sonora cuando hay más de una fuente.
• La fuente retardada debe ser más sonora para ser percibida al mismo nivel que la fuente adelantada.

Reproducción de un Sonido Estereofónico

• El objetivo de la reproducción estereofónica es crear una sensación de direccionalidad y espacio usando dos o más altavoces o auriculares.
• La sensación de direccionalidad puede lograrse combinando diferencias de tiempo y de nivel entre dos canales.

Acústica Física

• Análisis de los fenómenos sonoros mediante modelos físicos y matemáticos.

Psicoacústica

• Estudio de las sensaciones evocadas por los sonidos y sus diversos parámetros.

Acústica Arquitectónica

• Estudio de la acústica de salas y su influencia sobre la escucha de la palabra y la música.

Bioacústica

• Estudio del efecto de los sonidos sobre los seres vivientes, y de los sonidos producidos por éstos.

Acústica Fisiológica

• Estudio del funcionamiento del aparato auditivo, desde la oreja hasta la corteza cerebral.

Acústica Ultrasónica

• Estudio del ultrasonido, es decir el sonido inaudible de alta frecuencia, y sus aplicaciones.

Acústica Subacuática

• Estudio del comportamiento del sonido en el agua, y sus aplicaciones.

Macroacústica

• Estudio de los sonidos extremadamente intensos, como el de las explosiones, turborreactores, etc.

Acústica Estructural

• Estudio del sonido que se propaga por las estructuras en forma de vibraciones.

Acústica Fonética

• Análisis de las características acústicas del habla y sus aplicaciones.

Mediciones Acústicas

• Técnicas de medición de diversos parámetros acústicos como frecuencia, intensidad, espectro, etc.

El Sonido: Un Fenómeno Ondulatorio

• El sonido es la propagación de una perturbación en el aire.
• Las perturbaciones se propagan como ondas esféricas.
• El eco es un fenómeno en el que el sonido se refleja en una superficie y vuelve al oyente.

Sonidos Periódicos

• Los sonidos de la naturaleza son múltiples perturbaciones sucesivas del aire, formando sonidos periódicos divididos en ciclos.

Longitud de Onda

• La longitud de onda es la distancia entre dos perturbaciones sucesivas y se mide en metros o centímetros.
• La longitud de onda afecta la propagación del sonido y la eficiencia de los altavoces.
• Los sonidos graves "doblan la esquina" fácilmente debido a su gran longitud de onda, mientras que los agudos se atenúan más.

Periodo

• El periodo es el tiempo entre una perturbación y la siguiente, medido en segundos o milisegundos.

Frecuencia

• La frecuencia es la cantidad de ciclos por segundo, expresada en hertz (Hz).
• Para sonidos audibles, varía entre 20 Hz y 20.000 Hz (20 kHz).

Presión Sonora

• El sonido se propaga como ondas de compresión y descompresión en el aire.
• La unidad de presión es el Pascal (Pa).
• La presión sonora, se añade a la presión atmosférica para obtener la presión total.

Representación gráfica del sonido

• La representación gráfica del sonido se hace mediante un oscilograma, que muestra la evolución de la presión sonora en el tiempo.

Amplitud

• La amplitud de una onda sonora es el valor máximo de una oscilación en un ciclo, también llamado valor de pico.
• Se relaciona con la fuerza o intensidad del sonido.

Envolvente

• La amplitud de un sonido puede variar en el tiempo. La envolvente es la forma obtenida al unir las amplitudes de los ciclos sucesivos y es crucial para determinar el timbre de una voz o instrumento.

Nivel de Presión Sonora

• La presión sonora varía desde 0.00002 Pa hasta 20 Pa, un rango muy amplio. Para simplificar, se usa la escala de decibeles (dB).

Algunas Formas de Onda

• Onda cuadrada: Alterna entre dos niveles y es fácil de sintetizar electrónicamente.
• Tren de pulsos: Similar a la onda cuadrada, pero con diferente tiempo en cada nivel.
• Onda triangular: Alterna entre rampas ascendentes y descendentes.
• Onda diente de sierra: Tiene una subida rápida y una bajada en forma de rampa, o viceversa.
• Similar al sonido del violín o el chirrido de la tiza en una pizarra.

Onda Senoidal

• La onda senoidal es fundamental en física y matemáticas, representada por la función seno.
• Cualquier onda periódica puede descomponerse en una suma de ondas senoidales de distintas frecuencias, llamadas armónicos, según el Teorema de Fourier.

Espectro del Sonido

• Cualquier sonido periódico puede descomponerse en armónicos, es decir, ondas senoidales con frecuencias múltiples de una frecuencia fundamental.
• El espectro del sonido muestra las frecuencias y sus amplitudes, y se puede representar en una tabla o gráfico (espectrograma), con frecuencia en el eje horizontal y amplitud en el vertical.
• El espectro también puede variar en el tiempo, con armónicos de diferentes envolventes.

Espectros Inarmónicos

• Los espectros inarmónicos tienen frecuencias no múltiplos de una frecuencia fundamental.
• En estos casos, las ondas constituyentes se llaman parciales en lugar de armónicos.

Espectros Continuos

• Sonidos formados por una gran cantidad de parciales muy próximos se consideran ruido.
• Dos tipos importantes de ruido en acústica son el ruido blanco y el ruido rosa.

Introducción a la Psicoacústica

• La Psicoacústica estudia la percepción del sonido, es decir, cómo el oído y el cerebro procesan la información sonora.

Sensaciones Psicoacústicas

• Al escuchar un sonido, percibimos sensaciones que se clasifican en tres tipos: altura, sonoridad y timbre.

Altura

• La frecuencia y la altura están directamente relacionadas: bajas frecuencias corresponden a sonidos graves y altas frecuencias a agudos.

Sonoridad

• La sonoridad, o intensidad de un sonido, está relacionada con su amplitud, pero también depende de la frecuencia.
• Demostraron que la percepción de sonoridad varía con la frecuencia y desarrollaron las curvas de igual nivel de sonoridad, expresadas en fones.
• Para medir el nivel sonoro se utilizan decibeles A (dBA), que ajustan las mediciones según la sensibilidad del oído humano

Timbre

• El timbre de un sonido es una cualidad compleja que depende de varias características físicas.
• Las envolventes, tanto primarias como secundarias, son esenciales para definir el timbre.

Formantes

• El análisis de los formantes se centra en las características comunes a todos los sonidos de instrumento o voz, diferenciándolos de otros.

Direccionalidad del Sonido

• Los sonidos reales se originan en fuentes ubicadas en algún lugar del espacio circundante, lo que da lugar a dos sensaciones: la direccionalidad y la espacialidad.

Efecto Haas (de precedencia)

• Un experimento interesante consiste en alimentar auriculares estereofónicos con dos señales iguales, una de las cuales se encuentra ligeramente retardada respecto a la otra.

Espacialidad

• La espacialidad del sonido depende de varios factores: Distancia entre la fuente y el oído, Reflexiones tempranas, Reverberación, Movimiento de la fuente

Enmascaramiento

• El enmascaramiento es una propiedad del oído por la cual un sonido puede ocultar o hacer imperceptible otro sonido. Este fenómeno es crucial para la audición