Caracteristicas del sonido
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El documento describe las características del sonido en espacios abiertos. La ley del cuadrado inverso establece que cada vez que se duplica la distancia al origen del sonido, el nivel de presión sonora disminuye 6 dB. Los factores ambientales como el viento, la temperatura y la humedad pueden afectar la propagación del sonido y causar desviaciones de la ley del cuadrado inverso.
Caracteristicas del sonido
- 1. SONIDO La acústica define que el sonido es producido cuando existe un cambio en la presión normal del aire. Las moléculas reaccionan unas con otras produciendo las perturbaciones de presión que se propagan en todas las direcciones en forma de ondas. Las moléculas que chocan entre si forman una compresión, y las que al rebotar se aparta, forman una refracción. Las compresiones y refracciones se extienden a través del aire y forman la onda de presión llamada sonido. El sonido como sensación, debe ser recibido por el oído y transmitido al cerebro. Características del Sonido Ondas sonoras Las ondas sonoras son producidas por la vibración periódica del medio material por el que se propaga el sonido. Estas ondas son las que producen la relación en el oído que el cerebro interpreta como sonido. La reflexión, la refracción y la difracción son las principales características de una onda sonora. Reflexión del sonido Una onda sonora se refleja siempre que haya una discontinuidad o un cambio de medio. Esta reflexión depende de la onda incidente, el ángulo de incidencia, la superficie reflectora y las características de los medios. Cuando una onda sonora incide sobre una superficie, sigue la ley de la reflexión. a) El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión, ∠i = ∠r. b) La onda incidente, la onda reflejada y la normal al punto de incidencia están en un mismo plano. c) Cuando la onda incide perpendicular sobre la superficie, la onda reflejada es perpendicular a dichas superficie. El fenómeno que pone de manifiesto la reflexión es el eco: que es una onda sonora reflejada en otra forma con suficiente magnitud y retraso para ser percibida como un sonido del transmisor.
- 2. Figura 1. Reflexión de una Onda Sonora Refracción del Sonido Cuando las ondas Sonoras inciden en una discontinuidad o límite, una parte se refleja y el resto cruza él límite para forma las ondas transmitidas. La dirección de propagación de las ondas transmitidas no es la misma que la de las ondas incidentes. Es decir, cuando una onda sonora pasa de un medio A, en el cual se propaga con velocidad A1 aun medio B, en el cual la velocidad de propagación es V2, cambia su dirección. Las leyes de la refracción de las ondas sonoras pueden resumirse de la siguiente manera: a) Los ángulos de incidencia y de refracción están en un mismo plano. b) El coeficiente V1/V2 = n, recibe el nombre de índice de refracción. Figura 2. Ley de la Refracción Difracción del Sonido Cuando las ondas sonoras encuentran un obstáculo se difundirán alrededor de los lados del obstáculo, dando lugar a la difracción del sonido. Las ondas sonoras se difractan si sus longitudes de onda son comparables con las dimensiones de los objetos reflectantes. Este efecto se explica por el principio de “Huygens”: Si consideramos una superficie cerrada “S” que rodea un foco emisor “O”, el movimiento ondulatorio provocado en el interior de “S” solo puede propagarse al exterior de ella por los puntos de la misma. Si “S” es una superficie de onda, todos los puntos estarán en igual fase de vibración. Por el principio de Huygens se puede suprimir al foco emisor remplazando por centros secundarios uniformemente distribuidos sobre una superficie de onda.
- 3. Parámetros del Sonido Figura 3. Difracción de una Onda Sonora. El sonido se diferencia en tres parámetros fundamentales son: intensidad, tono y timbre. Intensidad Es la cantidad de energía acústica que contiene un sonido. La intensidad del sonido se expresa como: I= W/m2 Dónde: W= es la potencia radiada por la fuente en watts m2= es la unidad de área en metros cuadrados. La intensidad de sonido mínimo que tiene que llegar a un oído normal para que se produzca sensación auditiva es de 1016 W/m2 a 100 Hz, transmitidos en un plano perpendicular y en una superficie de 1 m2. A partir de este nivel hacia abajo el oído humano no percibe el sonido. Tono El tono es la característica que permite distinguir los sonidos agudos y los sonidos graves, depende de la velocidad de vibración del cuerpo generador del sonido. En la Figura 4. Muestra una cuerda corta y tensa, cuando la cuerda vibra a gran velocidad se produce un tono agudo y cuando la velocidad es baja proporciona un sonido de tono grave o bajo de frecuencia. Figura 4. Forma de onda de un tono agudo y un tono grave Vibración La frecuencia de vibración de la cuerda es el número de movimientos completos de ida y vuelta o ciclos que la cuerda realiza en un segundo.
- 4. Una frecuencia de 70 Hz es de un tono bajo y una frecuencia de 14000 Hz es aguda. Timbre El timbre es la característica que permite identificar los diferentes instrumentos musicales. Dentro de cada ciclo, la velocidad de desplazamiento de la vibración es distinta en cada instante, y se refleja en la forma de onda característica del instrumento o generador de sonido. Figura 5 Muestras diferentes formas de onda de instrumentos El timbre estará determinado por la cantidad y amplitud de las armónicas que acompañan a la frecuencia fundamental. Velocidad del Sonido La velocidad de propagación es el desplazamiento de la onda sonora con una velocidad que depende básicamente de la elasticidad y densidad del medio. Un cambio en la temperatura produce un cambio tanto en el factor de elasticidad como en la densidad. Estos cambios son de tal magnitud y dirección, que el resultado neto es un aumento en la velocidad para un aumento en la temperatura. En otros medios diferentes, a temperatura y presión normales la velocidad de propagación de la onda sonora es la siguiente. (Tabla 1) OTROS MEDIOS TEMPERATURA VELOCIDAD Aire 0° 331 m/s Aire 20° 334 m/s Hidrógeno puro 0° 1 290 m/s Agua duce 20° 1 450 m/s Agua del mar 20° 1 504 m/s Madera 20° 4 000 m/s Acero 20° 5 000 m/s Tabla 1. Velocidad del sonido en otros medios
- 5. Frecuencia del Sonido Es el número de vibraciones periódicas por segundo. Se mide en Hertz (Ciclos por segundo). Un sonido de 10 vibraciones por segundo se dice que tiene una frecuencia de 1 Hertz (Hz). El Periodo (T) es el tiempo necesario que tarda una vibración en repetirse. La frecuencia y el periodo se relacionan mediante la siguiente expresión: 푓 = 1 푇 Dónde: 푓 = frecuencia en Hertz T = periodo Longitud de Onda Es la distancia que viaja la onda sonora en un ciclo, dicha distancia se expresa en metros. 휆 = 푐/푓 Dónde: 휆 = longitud de onda expresada en metros 푐 = Velocidad de propagación del sonido en m/seg. 푓 = frecuencia del sonido en Hertz Presión Sonora Son las variaciones de presión producidas por una onda sonora en su propagación a través del aire. La unidad de medida es el micro bar (1dina/cm2). Potencia Sonora La potencia sonora es un parámetro absoluto que se usa normalmente para valorar y comparar fuentes sonoras. El símbolo usado es pascal (Pa). Y la unidad en que se mide es el watt (W).
- 6. U. N. A. M. F. E. S. C. Carrera: Ingeniería Mecánica Eléctrica / Área: Eléctrica - Electrónica Asignatura: Audio y Video Grupo: 1001 Alumno: Ramírez Sosa Edson Braulio Profesor: Juan González Vega Tarea #4. El Sonidos en Espacio Abiertos Semestre: 2015-I
- 7. Sonido en Espacios Abiertos Las características más importantes que presenta un espacio abierto es la ausencia de superficies reflectoras. Por lo tanto, la variable de mayor influencia es el nivel de presión sonora, el cual puede ser determinado por la ley del cuadrado inverso. Otros son los factores ambientales, los cuales pueden causar que el comportamiento del sistema del sonido no coincida con la predicción hecha en base a la ley del cuadrado inverso. Ley del cuadrado inverso (the inverse square law) Esta ley nos permite determinar el nivel de presión sonora en un punto determinado en base a la distancia existente entre dicho punto y el lugar en donde se localiza el origen del sonido asumiendo ausencia de superficies reflectoras y una radiación de sonido omnidireccional. La ley del cuadrado inverso establece que; “Cada vez que se duplica la distancia al punto de origen del sonido, el nivel de presión sonora disminuye 6 dB” La expresión anterior puede ser expresada matemáticamente por la siguiente ecuación: 퐿 = 20 log(푑1/푑0) Dónde: L= es el nivel de presión sonora en dB. d0= es una distancia de referencia. d1= es la distancia al punto deseado. Figura 6. El área de la superficie se incrementa de acuerdo al cuadrado de la distancia. Efectos de los Factores Ambientales Plantea muchos problemas adicionales, como al atenuación que sufre el sonido debida a la humedad relativa del aire fenómeno que es más acentuado en altas frecuencias. Los vientos afectan la difusión del sonido, pudiendo perderse palabras y hasta frases completas según la
- 8. fuerza de las ráfagas. El sonido también es modificado por los obstáculos los cuales modifican su distribución. La temperatura modifica el alcance del sonido a través de las refracciones que se producen por los gradientes de temperatura. Por lo tanto, si lo que se desea es conocer el nivel que alcanza el sonido, en un punto distante, los factores a tomar en cuenta son: el viento, el gradiente de temperatura y la humedad. Viento Los efectos ambientales debidos al viento pueden ser: -Efectos de velocidad -Efectos de gradiente El efecto debido a la velocidad del viento es ilustrado en la figura 7 en donde podemos observar como al vector de propagación del sonido se le suma al vector de dirección del viento provocando un desplazamiento en el vector de propagación del sonido, dando la impresión de que este proviene de un punto diferente. Figura 7. Efectos en la propagación del sonido debido a la velocidad del viento. Los efectos debidos al gradiente de velocidad ocurren cuando una capa de aire se está moviendo diferente velocidad que la de una capa adyacente. La figura 8 nos ilustra los efectos del gradiente de velocidad del viento en la propagación del sonido. Debido a que la velocidad del viento se suma al vector de propagación del sonido, tendremos una refracción cuando el sonido se encuentre con un gradiente de velocidad. Si asumimos una estratificación de capas como la de la figura 8, cuando el sonido tenga la dirección contraria a la del viento sufrirá una refracción hacia arriba y cuando la dirección del sonido sea la misma que la del viento, la refracción será hacia abajo. En el caso de estratificación horizontal las refracciones serán hacia la izquierda o hacia la derecha. Los efectos debidos al viento son mínimos (excepto en huracanes) porque las variaciones de velocidad con respecto a la velocidad del sonido son mínimas. Sin embargo corrimientos drásticos pueden desestabilizar una imagen estéreo.
- 9. Figura 8. Efectos del gradiente de velocidad del viento en la propagación del sonido. Temperatura El sonido viaja a través del aire caliente a una velocidad mayor de lo que lo hace en el aire frió. Por esta razón el gradiente de temperatura también causa efectos de refracción. En la figura 9(a) el aire en la parte superior esta tibio o caliente mientras que el de la parte inferior está frío, tal situación se puede presentar en la mañana. Bajo estas condiciones el sonido tiende a rebotar entre el gradiente y el piso. Formando regiones de alta y baja densidad. En la figura 9(b) se ilustra la situación contraria, condición que se puede presentar en las tardes, cuando el suelo esta aun tibio. El sonido en este caso tiende a refractarse hacia arriba. Figura 9. Efectos de gradientes de temperatura en la propagación de sonido. Humedad A medida de que el sonido viaja a través del aire este absorbe energía del sonido atenuándolo o debilitándolo. El aire seco absorbe la energía acústica más rápidamente de lo que lo hace el aire húmedo. Esto se debe a que el aire húmedo es menos denso que el aire seco.