Fundamentos del Sonido: Propiedades, Resonancia, Filtrado y Percepción Auditiva

Características Fundamentales del Sonido

El sonido presenta diversas características y comportamientos al propagarse e interactuar con el medio y los obstáculos:

• Interferencias: Ocurren cuando se superponen dos o más ondas sonoras. El resultado es el movimiento combinado de las partículas del medio.
• Resonancia: Permite que un sistema capaz de vibrar entre en vibración cuando inciden sobre él ondas con una frecuencia igual a su propia frecuencia natural de vibración.
• Reflexión: Se produce cuando el sonido incide sobre un obstáculo y "rebota", cambiando su dirección de propagación pero manteniéndose en el mismo medio.
• Refracción: Sucede cuando una onda sonora, al propagarse en un medio elástico, incide sobre la superficie de separación con un segundo medio diferente y la atraviesa, cambiando su dirección y velocidad de propagación.
• Difracción: Ocurre cuando una onda sonora incide sobre un obstáculo o una abertura cuyas dimensiones son comparables a su longitud de onda. Si la abertura es pequeña, la onda se curva y se propaga detrás del obstáculo.
• Eco: Es la percepción de un sonido reflejado de forma separada del sonido original. Ocurre cuando el sonido reflejado llega al oyente después de que el sonido directo se haya extinguido, con un retardo típicamente mayor a 0.1 segundos (una décima de segundo) respecto al sonido directo.
• Reverberación: Es la persistencia del sonido en un espacio después de que la fuente sonora original haya cesado. Se debe a múltiples reflexiones de las ondas sonoras en las superficies del recinto. Se percibe cuando las reflexiones llegan con retardos menores a 0.1 segundos y se superponen.
• Absorción: Cuando una onda sonora incide sobre una superficie, parte de su energía es absorbida por el material y transformada en calor, disminuyendo la energía de la onda reflejada y/o transmitida.

Fenómenos de Resonancia y Conceptos Eléctricos Asociados

Tipos de Resonancia

• Resonancia acústica: Es un fenómeno de vibración que presenta un sistema mecánico (como una cuerda de guitarra o una cavidad) cuando es sometido a una fuerza externa oscilante con una frecuencia igual a su frecuencia natural de vibración. Esta es la frecuencia con la que el sistema vibra libremente tras recibir un único impulso de energía.
• Resonancia magnética nuclear (RMN): Es una técnica de análisis que aplica campos eléctricos y magnéticos para producir resonancias magnéticas en los núcleos de los átomos, utilizada ampliamente en medicina y química.

Circuito Resonante

Un circuito resonante es aquel circuito eléctrico compuesto por resistencias (R), inductancias (L) y condensadores (C) que, sometido a una corriente alterna, exhibe el fenómeno de resonancia a una frecuencia particular. A esta frecuencia, los efectos de las componentes inductivas y capacitivas pueden neutralizarse entre sí.

Parámetros Clave en Circuitos Resonantes:

• Banda pasante (ancho de banda): En un circuito RLC, es el rango de frecuencias en el cual la impedancia (Z) del conjunto es menor o igual a R√2 (la resistencia multiplicada por la raíz cuadrada de 2). Define la selectividad del circuito.
• Impedancia (Z): Es la resistencia aparente total que presenta un circuito eléctrico al paso de una corriente alterna. Es un número complejo: Z = R + jX.
• Reactancia (X): Es la parte imaginaria de la impedancia (X). Representa la oposición al paso de la corriente alterna debida a inductores (reactancia inductiva, X_L) y condensadores (reactancia capacitiva, X_C).
• Admitancia (Y): Es la inversa de la impedancia (Y = 1/Z). Facilita el análisis de circuitos en paralelo.

Cálculo de Impedancia Total:

• En Serie: Z_total = Z₁ + Z₂ + ... + Z_n
• En Paralelo: 1/Z_total = 1/Z₁ + 1/Z₂ + ... + 1/Z_n, o Z_total = 1 / (1/Z₁ + 1/Z₂ + ... + 1/Z_n)

Relación fundamental (Ley de Ohm para CA): V = I · Z (donde V es tensión, I es corriente).

Interpretación de Resultados (Impedancia como Número Complejo):

• Módulo (|Z|): Representa el valor absoluto de la oposición total al paso de la corriente. Determina la amplitud de la tensión o corriente.
• Argumento (Φ): Indica el desfase angular entre la tensión y la corriente con respecto al generador utilizado como referencia de fase.

Filtros Acústicos y Eléctricos

Los filtros son circuitos diseñados para permitir el paso de ciertas frecuencias mientras atenúan o bloquean otras.

Tipos de Filtros según sus Componentes:

• Filtros Pasivos: Construidos con resistencias, condensadores y bobinas. Generalmente operan hasta frecuencias de aproximadamente 1 MHz. No proporcionan ganancia de señal y pueden ser difíciles de sintonizar con precisión.
• Filtros Activos: Utilizan condensadores, resistencias y componentes activos como amplificadores operacionales. Pueden operar a frecuencias superiores a 1 MHz, ofrecer ganancia en potencia y son más fáciles de sintonizar.

Respuesta en Frecuencia de un Filtro

La respuesta en frecuencia de un filtro se representa gráficamente mostrando su ganancia (o atenuación) de tensión en función de la frecuencia.

Clasificación de Filtros según su Respuesta en Frecuencia:

• Filtro Paso Bajo (Low-Pass): Permite el paso de frecuencias desde cero (DC) hasta una frecuencia de corte superior (f_c), atenuando las frecuencias más altas.
• Filtro Paso Alto (High-Pass): Permite el paso de todas las frecuencias por encima de una frecuencia de corte inferior (f_c), atenuando las frecuencias más bajas.
• Filtro Paso Banda (Band-Pass): Permite el paso de frecuencias dentro de un rango específico, delimitado por una frecuencia de corte inferior (f_c1) y una frecuencia de corte superior (f_c2).
• Filtro de Banda Eliminada (Band-Stop o Notch): Atenúa o elimina las frecuencias dentro de un rango específico (entre f_c1 y f_c2), permitiendo el paso de las demás.
• Filtro Paso Todo (All-Pass): Teóricamente, permite el paso de todas las frecuencias sin atenuación significativa, pero introduce un desfase que varía con la frecuencia. Se utiliza para la ecualización de fase.

Aplicaciones y Características Adicionales de los Filtros:

• Ubicación común: Por ejemplo, entre la salida de un amplificador y la entrada de un altavoz (crossovers), operando en rangos como 1000 Hz - 4000 Hz para separar señales de audio.
• Funciones principales:
  • Reducción de picos de resonancia indeseados.
  • Limitación de la máxima potencia entregada a ciertos componentes.
  • Reducción de la retroalimentación acústica (feedback).
  • Protección de componentes auditivos (como en audífonos) contra humedad o daño físico, y para modelar la respuesta en frecuencia.
• Componentes específicos: Por ejemplo, componentes de Knowles, que pueden tener impedancias en el rango de 680 a 4700 Ω, son comunes en dispositivos auditivos.

Percepción Sonora

La percepción sonora es el resultado complejo de los procesos psicológicos que tienen lugar en el sistema auditivo central, permitiéndonos interpretar los sonidos que recibimos del entorno.

Psicoacústica

La psicoacústica es la rama de la ciencia que estudia la percepción del sonido desde una perspectiva psicológica. Describe cómo se perciben las diferentes cualidades del sonido (intensidad, tono, timbre), la percepción del espacio a través del sonido (localización sonora), la escucha binaural (con dos oídos) y fenómenos como el enmascaramiento sonoro.

Fases de la Percepción Sonora:

El proceso de percepción sonora puede describirse en varias fases:

1. Detección: La capacidad de notar la presencia de un sonido.
2. Discriminación: La habilidad para distinguir entre diferentes sonidos.
3. Identificación: La capacidad de reconocer un sonido como perteneciente a una categoría específica (p.ej., habla, música, ruido).
4. Reconocimiento: La habilidad para asociar un sonido identificado con su fuente o significado específico.
5. Comprensión: La capacidad de entender el mensaje o la información contenida en el sonido (especialmente relevante para el habla).

Cualidades Físicas y Parámetros Perceptuales del Sonido:

• Cualidades Físicas del Sonido:
  • Intensidad: Medida objetiva de la energía de la onda sonora (potencia por unidad de área).
  • Tono (Frecuencia): Determinado por la frecuencia fundamental de la onda sonora.
  • Timbre: Relacionado con la forma de la onda y la composición de armónicos, que permite distinguir entre sonidos de igual intensidad y tono producidos por diferentes fuentes.
• Parámetros Acústicos Perceptuales:
  • Sonoridad: Percepción subjetiva de la intensidad de un sonido. Se mide en unidades como el Fonio y el Sonio.
  • Volumen: A menudo usado coloquialmente como sinónimo de intensidad o sonoridad.
  • Altura Tonal: Percepción subjetiva de cuán agudo o grave es un sonido, directamente relacionada con la frecuencia.
  • Timbre (perceptual): Cualidad que permite diferenciar dos sonidos con la misma sonoridad y altura tonal.