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Física del Sonido

Publicado por Muscana el 06/12/2007 | 40903 lecturas

Artículo 01 - Física del sonido
Por Gonzalo Ramos C.
Introducción

El acto de convertir una señal acústica en electricidad y vise-versa de una manera estéticamente deseable, lleva consigo una serie de procesos técnicos que deben realizarse de una manera correcta, comprendiendo exactamente qué es lo que se está haciendo en todo momento. A lo largo de estos artículos aprenderemos a comprender el fenómeno sonoro, su transformación en electricidad, sus procesamientos y su nueva transformación en una señal acústica. Para ello es necesario adentrarse en conceptos físicos de la acústica, matemáticos, eléctricos, electrónicos y también musicales, aunque intentaremos no adentrarnos mucho en la parte 'tediosa ', sino que en la práctica.

Debemos estar preparado para trabajar en todas las condiciones posibles, ya que muchas veces las limitaciones técnicas o físicas de un local son el pan nuestro de cada día. Por eso es importante tener la capacidad para poder solucionar los diferentes problemas que se vayan presentando espontáneamente.

Intentaré ayudará a ingenieros, productores y músicos a afrontar de la mejor manera posible el día a día. Un simple cable en malas condiciones o una caja de inyección con las pilas agotadas nos pueden arruinar una actuación (y provocar que no nos vuelvan a llamar). Sin embargo, la detección y solución de anomalías como ésta nos puede salvar un concierto (y por cierto, darnos cierta 'fama' de buen ingeniero, lo que se traduce en que tu teléfono sonará más seguido).

Física del sonido
Definición:
El sonido es un conjunto de vibraciones múltiples proveniente desde un punto o foco, el cual produce un cambio de presión en el medio. Esto produce que las partículas del medio (por lo general, el aire) reaccionen unas con otras, propagándose las perturbaciones de presión en todas direcciones en forma de ondas.

La forma más simple de comprender qué es el sonido es explicarlo a través de una simple analogía. Vamos a imaginar una piscina llena de agua. El agua está sin movimientos de ningún tipo, es decir ni olas, ni viento. Si lanzamos una piedra al centro se producen una serie de ondas originadas en el lugar donde cayó la piedra y que se desplazan en todas direcciones. Dependiendo del tamaño de la piedra (entre otras cosas) las onda serán mayores o menores en tamaño. Pues bien, el medio en que trabaja un ingeniero de sonido es por lo general el aire. Si no hay perturbaciones en el medio entonces tendremos silencio, pero si éste es modificado por algún agente, entonces se produce un sonido. Si provocamos un acontecimiento que genere un sonido, por ejemplo el golpe de un bombo, las partículas del aire se comprimirán y se expandirán en forma de ondas en todas direcciones. Al llegar estas ondas a nuestros oídos, éste, a través de complejos procesos fisiológicos las transforma en una señal eléctrica que es enviada al cerebro e interpretada como un sonido de bombo.

El tímpano es una membrana que es la primera parte de oído en participar en el proceso de transformar la naturaleza acústica de una onda en electricidad. Ya hemos dicho que las ondas se desplazan a través de un medio. Con respecto a nuestro estudio ese medio es el aire, pero cuando la onda llega al tímpano, ha cambiado. La onda se propaga a través de un medio mecánico que es una pequeña secuencia de elementos unidos entre si (oído medio). El tímpano, al recibir las ondas que inciden sobre él, vibra en movimientos. El movimiento del tímpano es detectado por el martillo, el yunque y el estibo y así llega a convertirse, en el oído interno, en una señal eléctrica que es interpretada por el cerebro como sonido. Aunque el funcionamiento fisiológico del oído es un tema interesantísimo, lamentablemente debemos abarcarlo de una forma superficial ya que no forma parte de los objetivos de este artículo.

¿Cómo podemos distinguir el sonido de un bombo del de una caja? El estudio de ondas nos da la respuesta a ésta y otras preguntas. Las ondas son un fenómeno que nos entregan mucha información, las cuales determinan lo que realmente oímos. Debemos saber, además, que no todas las ondas las podemos oír, por lo tanto llamaremos sonido a todas aquellas ondas que podamos oír.



PARÁMETROS DEL SONIDO.

El sonido posee ciertos parámetros que le dan su naturaleza particular. El comprenderlos nos dará un cierto criterio para poder manipularlos de la mejor forma posible.
Altura
La altura es el parámetro que tiene relación con la afinación del sonido, es decir cuán grave o agudo éste es. También es llamada frecuencia y se mide en Hertzios (Hz).

La frecuencia es la cantidad de ciclos que una onda realiza en un segundo.
frecuencia = [ciclos/segs > = Hz
Por otro lado, el periodo (T) es el tiempo necesario para que se vuelva a repetir un ciclo y se mide en segundos.
T = 1/Hz = Segs
Si una onda realiza 200 ciclos en un segundo, su frecuencia es de 200 Hz y su periodo de 0,005 segundos.

Si una onda realiza 2000 ciclos en un segundo, su frecuencia es de 2 Khz y su periodo de 0,0005 segundos.

Mientras mayor sea la frecuencia de una onda, más agudo éste se oirá. Un sonido puede llegar a ser tan agudo que el tímpano será incapaz de reaccionar a esas frecuencias. Por lo general se dice que el límite del oído humano en frecuencias agudas está alrededor de los 20 Khz, cosa que no ocurre por ejemplo, en los perros, que sí pueden llegar a oír sonidos cuya frecuencia excede dicho valor (aproximadamente hasta 40 Khz).

En el caso de las frecuencias graves ocurre lo mismo. El tímpano comienza a reaccionar a partir de frecuencias de 20 Hz. Sonidos con inferior frecuencias son inaudibles para nosotros, aunque ciertos animales sí pueden oirlos. Un caso espectacular lo representa el murciélago, cuyo rango de audición va desde los 10 Hz hasta los 100 Khz.

Existen ondas que superan las frecuencias antes mencionadas y son denominadas supersónicas. En el caso de la luz, el rango de frecuencias visibles para el ojo humano va desde 4x1014 Hz hasta 7,5x1014 Hz.

El rango de frecuencia a la que mejor reacciona el tímpano humano está alrededor de los 3 Khz. Es decir que un sonido dentro de este rango necesitará muy poca energía para ser captado por el oído humano, a diferencia de aquellos que tengan frecuencias cercanas a los límites de la audición ( 20 Hz - 20 Khz) que sí necesitarán de mucha energía para ser oídos. Diversos estudios sugieren que la gran sensibilidad que tenemos los humanos a los sonidos de dicho rango se debe a que es donde se ubican las frecuencias de la voz humana, lo cual habría facilitado la comunicación desde los primeros tiempos de la evolución.



En la música se ha asociado a la nota LA 0 con una frecuencia de 440 Hz. Su octava superior es la nota LA 1, la cual tiene una frecuencia que es el doble de la original, es decir 880 Hz. Se le denomina 'octava' porque es la octava nota desde su origen (la, si, do, re, mi, fa, sol, la). Esto es válido para todas las frecuencias. Mientras el doble del valor de una frecuencia se denomina la octava superior, la mitad de dicho valor se denomina la octava inferior. Es decir, 220 Hz corresponde a la nota LA -1 y 110 Hz a LA -2.




Intensidad

Éste parámetro nos indica la cantidad de energía o amplitud que posee la onda. En el caso del sonido le llamaremos Nivel de Presión Sonora (NPS en español, SPL Sound Pressure Level, en ingles) y no es otra cosa que el 'volumen' del sonido. El nivel de presión sonora se mide en decibelios (dB), tomándose como referencia 0 dB para el umbral de audición.
Umbral de audición: energía mínima necesaria para que el oído humano reaccione a una fuente que genere 1 Khz ubicada a un metro de distancia (1Khz- 1 metro).

dB     140     130   cerca de un avión despegando 120     110   umbral del dolor 100     90   cerca de un taladro o una calle muy transitada 80     70     60   en el interior de un automóvil 50     40   en una oficina 30     20   paraje silencioso 10     0   umbral de audición


Timbre

El timbre está relacionado directamente con la forma de onda del sonido y la cantidad de armónicos del mismo.

Una onda sinusoidal, como la de la figura se oirá como lo que se denomina 'tono puro'.



Éste es el tipo de onda más básico que existe y es muy similar a lo que se oye al descolgar un teléfono.

Existen, obviamente, otros tipos de onda como las cuadradas, triangulares o las diente de sierra, pero en la naturaleza y en la música las formas de las ondas llegan a ser bastante complejas.



La forma de la onda determina en parte el timbre del sonido. Es lo que nos permite diferenciar el sonido de un violín del de una trompeta. Pero además se nos presenta otra variante para determinar el timbre, la cual es la cantidad de armónicos. Cada sonido tiene una frecuencia fundamental que es aquella donde se encuentran los mayores niveles de energía pero además cuenta con ondas de otras frecuencias con menor energía, que son múltiplos de la frecuencia fundamental. Son los llamados armónicos.



El material con el que están fabricados los instrumentos determina drásticamente su timbre, debido a la cantidad de armónicos que éstos pueden generar. Por eso existen tantas diferencias de precios en instrumentos, por ejemplo, los fabricados en madera. Un violín Stradivarius es capaz de generar armónicos que otros no pueden, por eso su sonido es valorado.

Duración

La duración es el tiempo transcurrido entre el comienzo y el final del sonido. Es un parámetro que aunque importante, no requiere de mayor análisis.

Envolvente o trasciente
La envolvente es una manera gráfica de análisis de una onda tomando en cuenta su intensidad y su duración.



Como podemos apreciar en la figura, la envolvente consta de cuatro partes:
Ataque: es el tiempo en que el sonido alcanza su mayor nivel de presión sonora. Existen instrumentos que producen sonidos con ataques cortos, como por ejemplo una triángulo, o un riff de trompeta, y otros con ataques largos, como un gong o un violín tocado suavemente. En la mayoría de los instrumentos, el ataque puede ser variado por el músico.
Primer decaimiento: es un primer descenso en el nivel de presión sonora .

Sustain: es el tiempo que existe entre el primer decaimiento y el segundo. Instrumentos que producen sonidos con un sustain corto son por lo general las percusiones y con largos los platillos. Al igual que con el ataque, el sustain puede ser variado por el músico.

Segundo decaimiento: es el tiempo transcurrido entre el momento en que el sonido comienza a bajar su nivel de presión sonora y en el que éste desaparece. En el caso de instrumentos de cuerda, este puede ser manipulado simplemente deteniendo repentinamente la vibración, con lo cual se obtiene un segundo decaimiento corto. También se puede alargar, como en el caso de la guitarra, con un movimiento continuo de la cuerda.

Velocidad del sonido (C)

Ya hemos comprendido la naturaleza de fenómeno sonoro y sus parámetros. Pero ¿a qué velocidad se desplazan las ondas? ¿es la misma velocidad en el agua que el aire?. La verdad es que son muchos los factores que intervienen para determinar la velocidad a la que se desplazan las ondas. La masa del medio, su elasticidad, su temperatura y su homogeneidad son sólo algunos. En términos estrictamente físicos el sonido se desplaza a velocidades distintas dependiendo principalmente de los factores antes mencionados. Pero, por suerte para los que trabajamos en esto, a fines prácticos las variaciones son imperceptibles. Un caso extremo es el de un gran concierto, lleno de gente. En ciertas zonas hay humo, en otras, personas, diferentes temperaturas, etc. En definitiva, un medio muy poco uniforme. Sin embargo, como todos hemos comprobado, no se producen variaciones en la velocidad del sonido que nos hagan agarrarnos la cabeza con las dos manos.

Dejando de lado todos los factores anteriores, el único que realmente afecta, en parte, es la temperatura del medio. Mediante estudios físicos se ha llegado a la siguiente fórmula:



...donde 't' es la temperatura del aire en grados Celsius.

Si tenemos en un recinto una temperatura de 25º, entonces la velocidad del sonido será de 333 [m/seg >.

Por medio de otra relación matemática podemos determinar la longitud de onda 'L', es decir, la distancia entre el comienzo y el fin del ciclo de una onda.



Por ejemplo, si queremos saber la longitud de onda de una de 200 Hz en un medio cuya temperatura es de 25º, podemos decir que es de 1,665 [metros >.

En el caso de una onda de 2 KHz, la longitud de onda será de 0,1665 [metros >.


Por lo tanto hemos llegado a una nueva conclusión: Mientras mayor es el valor de la frecuencia de una onda, menor es su longitud, y viceversa. Si volvemos a revisar el rango de frecuencias audibles del ser humano, deduciremos que las longitudes de ondas audibles van desde los 0,01665 metros o mejor dicho 1,665 centímetros (F = 20 Khz) a los 16,65 metros (F = 20 Hz), tomando como referencia una temperatura ambiente de 25º.

Debido al gran tamaño de las longitudes de las ondas de baja frecuencia, éstas se propagan con mayor facilidad a través de un medio. Obstáculos como personal, árboles, paredes o automóviles no afectan su propagación ya que prácticamente los rodean, o simplemente afectarán una porción muy pequeña de la onda. Un objeto de 5 metros no obstaculizará a una onda cuya longitud sea de por ejemplo 15 metros (22,2 Hz).

Por el contrario, una onda cuya longitud sea pequeña tendrá más problemas para propagarse a través de distintos medios. Un sonido de frecuencia 16,65 KHz posee una onda cuya longitud es de 2 centímetros, la cual tendrá serias dificultades para propagarse a través de muros, coches e incluso personas, disminuyendo su intensidad a medida que va superando obstáculos.

Esto explica el hecho de que cuando nos acercamos desde lejos a un concierto, lo primero que oímos son las frecuencias bajas.

Fases y polaridades

La fase o polaridad de una onda es la relación del movimiento de las partículas del medio que ésta origina, comparada con el movimiento de las partículas originada por otra.

Para explicar mejor lo anteriormente mencionado vamos a analizar las siguientes figuras:



En éste caso, se dice que la onda 1 está 'en fase' con la onda 2, porque las perturbaciones producidas por éstas en el medio son iguales en cada instante de tiempo. Si sumamos ambas ondas, el resultado es una onda que ha aumentado su amplitud, manteniendo la polaridad de las ondas originales.

Ahora vamos a analizar el caso contrario. Si una de las ondas posee una polaridad distinta, por ejemplo, totalmente inversa a la otra, sumándolas, el resultado será la ausencia total de señal. Esto ocurre porque en cada instante de tiempo, una onda provocaría un movimiento en las partículas que la segunda lo haría en sentido contrario, no produciéndose ninguna perturbación en el medio.



Es necesario mencionar que lo anteriormente explicado son conceptos netamente teóricos y que el la práctica es casi imposible que las cancelaciones de fase lleguen a niveles tan extremos como para provocar un silencio absoluto, entre otras cosas, porque los sonidos son complejos conjuntos de ondas de distinta forma, frecuencia, amplitud, duración, etc... Pero lo que sí ocurre si un sistema de sonido tiene problemas de fase es que algunas frecuencias del sonido total se cancelen, es decir, baje su amplitud. Esto va a depender del tipo de desfase y de la ubicación del oyente. En un próximo artículo destinado a preparación de un equipo de sonido analizaremos cómo detectar éstos problemas y cómo solucionarlos.

Gonzalo Ramos C.
Ingeniero de Sonido
www.gonzalosonido.com


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