La Fisica Del Sonido

1. Física del sonido (propagación y percepción)

La electroacústica analiza la parte de la cadena en que el mensaje está en forma de ondas sonoras, los transductores entre ondas sonoras y señal eléctrica, la generación (voz, instrumentos) y recepción del sonido (oído) y en la parte eléctrica las técnicas específicas para señales de audio.

1.1 Introducción

Las ondas sonoras son vibraciones y variaciones de presión que se propagan en un medio elástico. Al contrario que las ondas electromagnéti cas no se propagan en el vacío.

En sólidos: transversales (el movimiento vibratorio es en dirección perpendicular a la dirección de propagación de la onda), longitudinales (el movimiento vibratorio se produce en la dirección de propagación).

En fluidos: líquidos (típico ejemplo de la piedra al agua -onda transversal-) gases, lo normal aire (onda longitudinal).

El sonido en el aire consiste en ondas longitudinales. El aire se mueve hacia delante y hacia atrás sucesivam ente, pero no avanza, solo el sonido, la onda, la perturbación, la señal, la información, avanza.

Si el aire avanzase se crearía el vacío junto al tambor.

Ejemplo de las olas o el corcho que solo sube y baja en el agua donde hemos generado una onda tirando una piedra

(aunque son ondas transversales).

El sonido puede ser periódico o aperiódico, y si esperiódico puede ser senoidal o compuesto. En cualquier caso se puede descomponer en una combinación de tonos puros (mediante Fourier) y como la alteración que provoca un tono no altera significativamente las propiedades del medio se puede aplicar el principio de superposición. Por tanto por simplicidad estudiamos señales senoidales.

1.1.1 Variables físicas

Las variaciones de los parámetros físicos como pres ión y velocidad son cíclicas, periódicas. Periodo T es el tiempo entre dos instantes consecutivos en que se repiten los parámetros físicos.

Frecuencia f es el número de repeticiones por segun do. f = 1/T ciclos/seg., Hz

http://aholab.ehu.es/users/imanol/akustika/ElektroAkustikaApunteak.pdf

En honor suyo, la sonda de exploración de Titán —la mayor luna de Saturno— contruida por la ESA lleva su nombre (sonda Huygens).

Christian Huygens (14 de abril de 1629 - 8 de julio de 1695) fue un astrónomo, físico y matemático holandés, nacido en La Haya.

Realizó importantes descubrimientos en el campo de la astronomía gracias a la invención de una nueva lente ocular para el telescopio, que mejoró su resolución y le permitió estudiar los anillos de Saturno y descubrir un satélite de ese planeta. Como físico formuló la primera teoría ondulatoria de la luz, partiendo del concepto de que cada punto luminoso de un frente de ondas puede considerarse una nueva fuente de ondas. También estudió detalladamente el movimiento del péndulo y la fuerza centrífuga y, en el terreno de las matemáticas, esbozó conceptos acerca de la derivada segunda.

f (Hz)

Velocidad del sonido c es la velocidad a la que se propaga la perturbación.

En el aire a 0º C y 50% de humedad relativa c = 331'6 m/s Cuando hay rayos en una A temperatura de 20 ºC c = 343 m/s tormenta vemos el relámpago

Longitud de onda  es la distancia, en la dirección de

prácticamente al instante, pero

propagación, entre dos puntos consecutivos en los que hay

el trueno lo oímos con retraso.

los mismos parámetros físicos. Coincide con la dist ancia

Ello permite calcular la distancia

al rayo (en km) = t (en seg.) / 3

recorrida por la onda en un periodo.

= c•T =c/f

La frecuencia puede ser muy baja:

Presión barométrica, = 24 horas ==> f = 0'0000157 Hz ó muy alta:

vibraciones atómicas, fonones en semiconductores.

Notar la relación inversa entre frecuencia y tamaño

Sonido 20 Hz - 20 KHz Rango audible por el oído humano. Ultrasonidos f > 20 KHz 1'658 cm

Infrasonidos

f < 20 Hz

16'58 m

La electroacústica se dedica principalmente al soni do.

Principio de Huygens – cada punto de un frente de onda se puede considerar como la fuente de una nueva onda, la combinación aditiva y sustractiva de Los murciélagos emiten y

las nuevas ondas configura el nuevo frente de onda.

perciben ultrasonidos.

Y los elefantes infrasonidos. Artículo "Cómo se comunican a

distancia los elefantes" en

Mundo Científico nº 109

volumen 10, pags. 1376-1377.

0’02 0’2 2 20 200 2.000 20.000 200.000

Infrasonido Sonido Ultrasonido

Reflexión y refracción

Las ondas acústicas se reflejan totalmente en los o bstáculos rígidos que no vibran. Se reflejan parcialmente al cambiar de medio, que vibra con mayor o menor "facilidad". En este caso la onda se transmite parcialmente, pero desviada,

refractada.

La variación progresiva de la temperatura y por tanto de la

densidad del aire con la altura provoca una refracción continua que hace curvarse la trayectoria del sonido.

La reflexión y refracción se interpretan mejor pensando en el sonido como rayos, aunque no es rigurosa-físicamente correcto es aplicable cuando el haz de ondas es muy direccional.

1.2 Medida del sonido y unidades

Intensidad Acústica, I  Rapidez promedio de flujo de energía a través de un área unitaria

2

normal a la dirección de propagación [W/m]

I = <p.u>t = 1/T ∫0Tp.u.dt

p – presión instantánea.

u – velocidad instantánea de las moléculas.

Impedancia característica, z = 0.c

 – densidad.

En ondas planas

Presión, p = 0.c.u ==> I = ½ .P.U = ½ P 2/0.c ==> I = Pe2/0.c PWL

definiendo la Presión efectiva, Pe = P/2

igualmente definimos la Velocidad efectiva Ue = U/2

Paralelismo acústica-electricidad

Acústica Electricidad

Intensidad I - P Potencia

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