Fundamentos de Acústica: Propiedades y Propagación del Sonido

Introducción a la Acústica y el Sonido

¿Qué es la Acústica?

La acústica es la rama de la física que estudia las ondas que se propagan a través de la materia, utilizando modelos físicos y matemáticos. A efectos prácticos, la acústica aborda la producción, transmisión, almacenamiento y percepción del sonido.

¿Qué es el Sonido?

El sonido es la materia prima de la música. Se define como la sensación producida en el órgano del oído por el movimiento vibratorio de los cuerpos sonoros, transmitido por un medio elástico como el aire.

Elementos necesarios para el sonido:

• Un cuerpo productor de vibraciones (emisor).
• Un medio transmisor de ondas (canal).
• Un elemento de captación (receptor).

El sonido no se propaga en el vacío, requiere un medio material. Este medio puede ser sólido, líquido o gaseoso (como el aire).

Cualidades Fundamentales del Sonido

El sonido posee características distintivas que nos permiten diferenciar unos de otros:

• Duración: Depende del tiempo durante el cual persiste el movimiento vibratorio que origina el sonido. En algunos casos, la sensación puede perdurar incluso después de cesar el estímulo. Se mide en unidades de tiempo (segundos, minutos, etc.).
• Altura (Tono): Determinada por la frecuencia (medida en Hercios, Hz) de las vibraciones del cuerpo sonoro. Define si un sonido es grave o agudo. Para que un sonido sea perceptible por el oído humano, su frecuencia debe estar comprendida, generalmente, entre 16-20 Hz y 16000-20000 Hz. La intensidad puede afectar la percepción de la altura; sonidos de baja frecuencia pueden parecer más graves.
• Timbre: Define las características distintivas que permiten diferenciar el "color" tonal de una nota tocada por diversos instrumentos o cantada por diferentes voces, incluso si tienen la misma altura e intensidad. Las sensaciones de timbre no son directamente medibles como la altura o la intensidad, y no existe un umbral específico para su percepción.
• Intensidad (Volumen): Es la cualidad que nos permite percibir un sonido como fuerte o débil. Está determinada por la amplitud del movimiento oscilatorio de la onda sonora. Se mide en decibelios (dB). Para ser percibido, un sonido debe superar el umbral auditivo. Existe también un umbral de dolor, el nivel de intensidad a partir del cual el sonido puede dañar el órgano auditivo.

Propagación del Sonido

El sonido viaja a través de un medio mediante diferentes fenómenos:

• Reflexión: Ocurre cuando una onda sonora choca contra un medio más denso y "rebota". Si el sonido reflejado llega al oído con una diferencia de tiempo igual o superior a 0,1 segundos respecto al sonido directo, se percibe como eco.
• Transmisión: La velocidad con la que se transmite el sonido depende principalmente de la elasticidad del medio (su capacidad para recuperar su forma inicial). Otros factores que influyen son la temperatura y la densidad del medio.
• Refracción: Es la desviación que sufre una onda sonora al pasar de un medio a otro con diferente velocidad de propagación. Este cambio de dirección está relacionado con la rapidez de propagación en cada medio. Por ejemplo, el sonido se propaga más rápido en aire caliente que en aire frío.
• Difracción o Dispersión: Es la capacidad que tienen las ondas sonoras para rodear obstáculos que encuentran en su camino y seguir propagándose.

Fenómenos Acústicos Relevantes

Efecto Doppler

Es el cambio aparente en la frecuencia de una onda percibido por un observador cuando existe movimiento relativo entre la fuente sonora y el observador. Por ejemplo, cuando una fuente de sonido (como una ambulancia) se acerca, parece más aguda (mayor frecuencia), y cuando se aleja, parece más grave (menor frecuencia).

Armónicos

Son frecuencias que acompañan a una frecuencia fundamental y son múltiplos enteros de esta. Los armónicos son cruciales para generar el timbre característico de una fuente de sonido, permitiendo diferenciar instrumentos o voces. Existe el fenómeno de la "fundamental fantasma", donde el oído puede percibir la altura de la nota fundamental incluso si esta no está físicamente presente, siempre que sus armónicos sí lo estén.

Tipos de ondas según su contenido armónico:

• Onda sinusoide: Representa un sonido puro, conteniendo únicamente la frecuencia fundamental.
• Onda cuadrada: Contiene la fundamental y solo los armónicos impares.
• Onda triangular: Contiene la fundamental y armónicos impares, cuya amplitud disminuye más rápidamente que en la onda cuadrada.
• Onda en dientes de sierra: Contiene la fundamental y todos los armónicos (pares e impares).

Sobretonos

Son frecuencias que acompañan a la fundamental pero que no son múltiplos enteros de esta. Son comunes en instrumentos de percusión con sonido no claramente afinado (Ej.: campana).

Tipos de Ruido

Ruido Blanco

Es una señal sonora que contiene todas las frecuencias audibles con la misma potencia o intensidad. (Ej.: el sonido estático al sintonizar una radio analógica entre emisoras).

Ruido Rosa

Es una señal que también contiene todas las frecuencias, pero su intensidad disminuye a medida que aumenta la frecuencia, concretamente 3 dB por octava. Se utiliza frecuentemente en mediciones acústicas y calibración de sistemas de sonido.