Ingeniería en Audio I Conceptos Básicos Fundamentos del sonido

Ingeniería en Audio I

Conceptos Básicos

Fundamentos del sonido.

Existen 2 campos en la teoría del sonido, estos son; Físico y Psicofísico.

Para empezar la definición de

Sonido:

Forma de energía acústica causada por fluctuaciones de presión, que se puede transmitir en un medio elástico. Teniendo en cuenta que con presión nos referimos a compresión de moléculas y con medio como sólidos , líquidos y gaseoso.

Las vibraciones de un instrumento musical o de un parlante

(movido por energía eléctrica) mueven las moléculas de aire que los rodean, en un movimiento “atrás y adelante”, causando compresión y rarefacción de la presión de aire. Un movimiento completo, o ciclo, de compresión y rarefacción es lo que llamamos onda. Estas ondas se viajan en un movimiento de expansión similar a las ondas creadas en la superficie de un estanque o lago, cuando lanzamos una piedra en el.

Para entender un ciclo en el ámbito practico…

En el caso de un parlante, el primer movimiento es hacia delante,  el cual genera compresión. Así llega a un punto máximo para luego volver al centro, 0, punto 0 o punto de reposo. Luego comprime hacia el otro lado creando rarefacción o descompresión, nuevamente hasta el punto máximo, por ultimo regresa al centro.

[pic 1]

Los componentes de una onda sonora son:

Velocidad.

Amplitud.

Frecuencia.

Longitud de onda.

Fase.

Velocidad.

La velocidad del sonido es lo que conocemos, dentro de los componente de la onda, como velocidad (V), y es determinado por el medio en el cual es sonido viaja .

V=331.4 metros por segundo (a 0ºC)

Como se puede ver, la velocidad del sonido la especificamos a una temperatura especifica. Esto es porque la velocidad del sonido varia según el medio en el cual se transmite y el aire varia su densidad dependiendo de su temperatura.

Se agrega 0.597 (0.6) metros por segundo por cada 1º C de aumento en la temperatura. Por consecuencia:

Velocidad a   0º C = 331.4 m/seg.

Velocidad a 10º C = 337.4 m/seg.

Velocidad a 20º C = 343.4 m/seg.

Velocidad a 30º C = 349.4 m/seg.

Aunque no es incorrecto decir que la velocidad del sonido es de 344 m/seg. Tiene que darse por entendido que esta velocidad es a 21º C y muchas veces se usa como un estándar para medir velocidad cuando la temperatura no se considera como variable.

La velocidad del sonido también varia en distintos medios y/o materiales:

                Aire 21º C                                344 m/seg.

                Agua fresca                        1480 m/seg.

                Agua salada                        1520 m/seg.

Plexiglás                                1800 m/seg.

Madera (pino)                        3350 m/seg.

Hormigón                                3400 m/seg.

Acero blando                         5050 m/seg.

Aluminio                                5150 m/seg.

Vidrio                                5200 m/seg.

Pladur                                6800 m/seg.

Amplitud:

La distancia entre la máxima compresión y la máxima rarefacción es llamada amplitud y es comúnmente medida en voltaje o decibeles. La amplitud es en la practica cuan fuerte o despacio es un

sonido (nivel, volumen).

[pic 2]

Frecuencia:

La velocidad a la cual se mueven las moléculas de aire (f) y es medido en ciclos por segundo o mas comúnmente, Hertz por Heinrich (Hz).

La frecuencia esta estrictamente relacionada con la afinación .

La cuerda Mi en un bajo corresponde aproximadamente a 40 Hz. El oído humano responde a frecuencias comprendidas entre 20 Hz y 20 KHz.

Periodo:

Es el tiempo que tardará en desenvolverse un solo ciclo de cualquier frecuencia desde su punto inicial hasta su punto final. Su unidad de medida es el segundo (seg.) o milisegundo (ms.). El periodo de los sonidos audibles para el ser humano esta comprendido entre los 0.05 ms. (sonidos agudos) y los 50 ms (sonidos graves). Por su tiempo tan corto es imposible que escuchemos el fenómeno de un solo ciclo individualmente. Por eso el cerebro los fusiona en una sola sensación.

La formula para saber el periodo de cualquier frecuencia es:

T=1/f

Donde:

T = tiempo

1 = 1 segundo (estándar por frecuencia, ciclos por seg.)

f = frecuencia

Ejemplo:

T = 1/f        Sustituimos valores        T = 1/100Hz. = 0.01 seg.

T = 1/f        Sustituimos valores        T = 1/1KHz. = 0.001 seg.

T = 1/f        Sustituimos valores        T = 1/10KHz. = 0.0001 seg.

Con esto comprobamos nuevamente que las frecuencias mas agudas por su longitud de onda tan pequeña, se desenvuelven en un periodo de tiempo mucho mas corto. A diferencia de las frecuencias graves que por recorrer mas distancia con respecto a su longitud de onda, tienden a desenvolverse en un tiempo mas prolongado.

Wave Lenght (longitud de onda):

Es la distancia en metros que recorre una onda a través del aire en un ciclo completo.

Tiene como símbolo la letra griega λ (Lambda).

Esta estrechamente relacionada con la frecuencia. A mayor frecuencia, menos longitud de onda y viceversa. O sea, es inversamente proporcional.

La longitud de onda puede ser calculada si se tiene la frecuencia y la velocidad.

λ = V/F

En la formula podemos ver que cuando la frecuencia es mayor, la longitud de onda disminuye, por lo tanto las altas frecuencias tienen mucho menos longitud de onda.

Asumiendo que la temperatura es de 21º C podemos calcular la longitud de onda de diferentes frecuencias:

1. Longitud onda de 50 Hz.         = 344/50                 = 6.88 m
2. Longitud onda de 100 Hz.        = 344/100                 = 3.44 m
3. Longitud onda de 440 Hz.         = 344/440                 = 0.78 m
4. Longitud onda de 20 Khz.        = 344/20,000         = 0.017 m

Fase:

La naturaleza repetitiva de la onda permite que podamos dividirla en intervalos iguales y medirla en grados, con 360 grados en un ciclo completo. Las ondas con la misma frecuencia que comiencen en el mismo momento y por lo tanto que terminen también en el mismo momento se consideran “en fase”, mientras que las que comienzan en distinto momento estarán fuera de fase.

[pic 3]

[pic 4]

Sumando dos onda que estén “en fase” entre si se produce aumento en la amplitud. Sumando dos ondas que estén “fuera de fase” regularmente se obtiene una disminución de la amplitud.

[pic 5]

La mayoría de los problemas de fase se reflejan en una perdida de bajas frecuencias. Mezclando una señal con delay con la señal original se producen interferencias de fase por que la señal con delay tiene la misma información que la original, pero empiezan en diferente momento. Un delay de 1 ms. Creara interferencia de fase en las siguientes frecuencias:

250 Hz @ 1 ms. = 90º interferencia de fase.

500 Hz @ 1 ms. = 180º interferencia de fase.

750 Hz @ 1 ms. = 270º interferencia de fase.

1 Khz. @ 1 ms. = 360º interferencia de fase.

Amplitudes relativas de ondas sonoras combinadas respecto a su desvío:

        [pic 6]

Siempre que tengamos un desvío de fase entre 240º y 120º se producirá interferencia constructiva.

Mas de 120º y hasta 240º se producirá interferencia destructiva.

En 0º o 360º se duplicará la amplitud. En 180º la cancelación será total.

En 90º y 270º el rms crecerá 1.414.

En 240º y 120º no se suma ni se cancela.

Para calcular el desvío de fase se utiliza la siguiente ecuación:

∅ = Δt(tiempo en segundos)         X        f        X        360º

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