INSTITUTO DE PROFESORES ARTIGAS ESPECIALIDAD FSICA SEMINARIO ESPACIO

INSTITUTO DE PROFESORES ARTIGAS ESPECIALIDAD FÍSICA SEMINARIO ESPACIO INTERDISCIPLINARIO CURSO 2011

SONIDO Un panorama elemental

Panorama sobre SONIDO 3

Aproximación a una noción de SONIDO 4

“Las ondas acústicas que producen sensación de sonido son parte de una variedad de perturbaciones de presión que se pueden propagar a través de un fluido compresible. También hay ondas ultrasónicas e infrasónicas cuyas frecuencias están más allá de los límites audibles, ondas de alta intensidad (como las que están cerca de los motores de reacción y misiles) que pueden producir una sensación de dolor más que de sonido, y ondas de choque generadas por explosiones y aviones supersónicos. Las ondas acústicas en fluidos son longitudinales: las moléculas se mueven de un lado a otro en la dirección de propagación de la onda, produciendo regiones adyacentes de compresión y rarefacción similares a las ondas longitudinales en una barra. . ” KINSLER. Fundamentos de Acústica. 5

COMENTARIOS • Se establece un rango en términos de frecuencias que se define aproximadamente entre 20 Hz y 20 k. Hz. • Se insinúa, al menos un rango que tiene que ver con magnitudes de corte energético (Intensidad) que de superar ciertos valores generan sensaciones diferentes a la del sonido (por ejemplo: dolor). • También es posible definir valores de intensidad lo suficientemente pequeños como para que los sonidos no sean audibles. • Umbrales de dolor y de audición respectivamente. 6

“Sistemas” y algunas magnitudes 7

Sistemas físicos y biológicos involucrados FUENTE Mecanismo generador del sonido. Si se trata de un instrumento musical, consta de un elemento vibrante y en muchos casos de un resonador (“conversión” a ondas sonoras) 8 MEDIO El medio tiene la función de permitir la propagación. Sus límites definen la existencia de reflexión, absorción, reverberación. RECEPTOR El tímpano que convierte en oscilaciones mecánicas. El oído interno donde hay una codificación primaria de frecuencia y conversión a impulsos neurales. Y el sistema nervioso.

Ondas sonoras, energía acústica y percepción de sonoridad La descripción se realiza usualmente mediante dos “encadenamientos” conceptuales complementarios, que pueden vincularse de forma sencilla, y cuyos puntos de partida son los que indicamos a continuación. Una de esos encadenamientos parte del concepto y la definición de la magnitud física PRESIÓN. El otro encadenamiento parte de la magnitud física que llamamos ENERGÍA. 9

PRESIÓN Es una magnitud física que se define usualmente cuando se quiere tratar la mecánica en medios fluidos, de la forma siguiente: Donde F representa la componente normal de una fuerza, aplicada a una superficie de área A. En el Sistema Internacional de unidades la unidad de presión es una unidad derivada con nombre propio: La presión atmosférica normal a nivel del mar tiene, aproximadamente, el valor: 10

PRESIÓN ACÚSTICA A los efectos del sonido lo relevante es la diferencia de presión (en más o en menos) respecto de la presión atmosférica. A esta diferencia se llama usualmente Presión acústica. En una situación musicalmente relevante, cuando se tiene una onda sinusoidal (tono puro). El perfil en cierto instante de tiempo tiene una forma sinusoidal. Se describe cuantitativamente a partir de el “Valor medio de presión P” (valor “pico” sobre raíz de 2) 11 Si tomamos en cuenta el “oído humano medio”, un tono de 1000 Hz que apenas puede percibirse tiene asociado un P 2 x 10 -5 N/m 2, y en el caso cercano al límite de dolor: P 20 N/m 2. Obsérvese el rango limitado por esos valores: 106 !!

NIVEL DE PRESIÓN SONORA El amplio rango de valores de la presión acústica, entre otros elementos, lleva a definir una magnitud que permita “comprimir” dicho rango. Se define el Nivel de presión sonora (SPL, del inglés: sound pressure level), de la forma indicada. Po representa un “valor medio” de presión que se toma como referencia. Tratándose de sonido en el aire, se tomo como referencia el valor 20 Pa (aproximadamente el umbral a 1000 Hz) El resultado de la operación queda anotado en la unidad: decibel (d. B) Esta unidad no es unidad del SI, pero ha sido aceptada por el CIPM para su uso con el SI. 12

ENERGÍA “Hay un hecho, o si se prefiere, una ley, que gobierna todos los fenómenos naturales conocidos hasta la fecha. No se conoce excepción a esa ley –es exacta hasta donde sabemos-. La ley se llama conservación de la energía. Establece que hay cierta cantidad que llamamos energía, que no cambia en los múltiples cambios que ocurren en la naturaleza. … Es importante darse cuenta que en la física actual no sabemos lo que la energía es. … ” RICHARD FEYNMAN y otros, en FÍSICA (VOLUMEN I), 1971. 13

TRABAJO - ENERGÍA El intercambio de energía entre cuerpos o conjuntos de cuerpos es algo cotidiano. Desde un punto de vista físico existen dos formas o “mecanismos” para que ese intercambio se realice. Uno de ellos es el que llamamos TRABAJO. En una situación elemental, se dice que un cuerpo intercambia energía en forma de trabajo, cuando hay una FUERZA presente que tenga al menos una componente en la dirección del DESPLAZAMIENTO del cuerpo. Tratándose de fluidos, el intercambio de energía en forma de trabajo se evalúa en función del CAMBIO de VOLUMEN de una muestra, sometida a cierta PRESIÓN. En el Sistema Internacional de unidades, el trabajo y la energía tienen unidad: 14

POTENCIA Una magnitud física que se define cuando se quiere evaluar la “rapidez” o razón con que se realiza trabajo es la POTENCIA. Una primera aproximación es la definición de Potencia media, que indicamos. En el Sistema Internacional de unidades, la potencia tiene unidad: “El concepto de potencia es de máxima importancia para la física de la música. En realidad, nuestro oído no se interesa en absoluto por la energía acústica total que llega al tímpano; a lo que responde es a la razón con que esta energía llega por unidad de tiempo, es decir, la potencia acústica. Ella es la que determina la sensación de sonoridad. ” ROEDERER en ACÚSTICA Y PSICOACÚSTICA DE LA MÚSICA. Pág. 83. 15

INTENSIDAD “Lo definimos como la cantidad total de energía mecánica (potencial y cinética asociada con los puntos del medio) que es transferida durante cada segundo a través de la unidad de superficie (1 m 2) perpendicular a la dirección de propagación. ” ROEDERER, pág. 93. En el Sistema Internacional de unidades, la intensidad tiene unidad: En el sonido, el rango de intensidades comprendido entre los límites (umbrales) inferior y superior de sensación auditiva, es muy amplio. Para un tono puro de 1000 Hz, las intensidades referidas son aproximadamente: 10 -12 W/m 2 para el umbral de audición, y 1 W/m 2 para el umbral de dolor 16

NIVEL de INTENSIDAD SONORA “Esta nueva magnitud deberá cumplir simultáneamente con tres objetivos: 1) “comprimir” el rango de intensidades audibles en un rango de valores mucho más pequeño; 2) reemplazar el uso de valores absolutos por valores relativos (por ejemplo, relativos al umbral de audición); y 3) permitir la introducción de una unidad más conveniente, cuyo valor sea del orden del mínimo cambio perceptible en intensidad sonora. ” Opina ROEDERER, pág. 99. El nivel de intensidad sonora “IL”, en inglés Sound intensity level, se define con un criterio análogo al “SPL”: “Io” es una intensidad que se toma como referencia, que en caso que el medio sea aire el valor es 10 -12 W/m 2. 17 La unidad de “IL” -definido así- es el decibel (d. B)

INTENSIDAD - PRESIÓN “Puede demostrarse que existe una relación entre la intensidad de una onda sonora sinusoidal y el valor de la variación (absoluta) media de presión asociada con la onda, que indicamos con P. … En esta relación, v es la velocidad de la onda sonora y es la densidad del aire” ROEDERER, pág. 93. Esa expresión, particularmente el cuadrado del segundo miembro, permite justificar las formas en que se han definido el nivel de presión sonora (SPL) y el nivel de intensidad sonora (IL) Si se toman los niveles de referencia indicados ( Po e Io) los valores de SPL e IL, en d. B, son iguales. 18

El SONIDO “en un plano” 19

FLETCHER y MUNSON Los investigadores norteamericanos Fletcher y Munson realizaron, en 1933, experimentos que planteaban estudiar el problema del sonido centrándolo en un concepto psicoacústico: SONORIDAD. La sensación de sonoridad, en una primera aproximación, está relacionada con la amplitud del sonido. Cuando se trabaja para frecuencias distintas de tonos puros, se confirma que también tiene vínculo con esta magnitud física. “El experimento consistía en lo siguiente. Se hacía escuchar a personas de buena audición un tono puro (es decir senoidal) de 1 k. Hz y de un nivel de presión sonora conocido, por ejemplo 40 d. B. Luego se les presentaba un tono de otra frecuencia (por ejemplo 200 Hz) y se les pedía que ajusten el volumen hasta que les pareciera igualmente sonoro que el tono de 1 k. Hz. Por último se medía el nivel de presión sonora. Repitiendo este experimento con diversas frecuencias y niveles de presión sonora, obtuvieron las curvas de igual nivel de sonoridad o curvas de Fletcher y Munson. …” MIYARA. Acústica y sistemas de sonido. Pág. 21. 20

El sustrato y los umbrales SUSTRATO Se acostumbra representar los resultados sobre un gráfico en el que se anotan valores de “SPL” o “IL” en el “eje de ordenadas”, en función de la frecuencia (f) en un eje “logarítmico”. LOS LÍMITES: UMBRALES Las curvas extremas constituyen un límite para la audición de un “oído medio”. Se llaman umbral de audición, la que constituye un “límite inferior” para la sensación sonora y umbral de dolor al “límite superior” 21

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Comentarios üA la frecuencia 1 k. Hz las curvas pasan por los valores 0 d. B y 120 d. B. üEl umbral de audición depende fuertemente de la frecuencia. Por ejemplo: un tono de 100 Hz debe tener un “IL” cercano a 40 d. B para poder ser percibido. üLos sonidos de frecuencias “muy bajas” (graves) y “muy altas” (agudos), tienen menor sonoridad que los sonidos “medios”. üEn el entorno de los 3 k. Hz se tiene la mayor sensibilidad del oído. Los sonidos “medios” son más “fáciles de percibir”. üPara sonidos cercanos al umbral de dolor (intensos) no existe una diferencia tan marcada en su percepción como los cercanos al umbral de audición (la curva es más “aplanada”) üA 1000 Hz, el rango de intensidades de interés musical se extiende de alrededor 10 -9 W/m 2 a 10 -2 W/m 2. (ROEDERER, pág. 99) ü¿Errata? La gráfica llama “Intensidad” al “Nivel de intensidad (IL)”. 23

El “mapa completo” 24

Comentarios I üA modo de ejemplo. Mientras un SPL de 50 d. B es considerado “piano” a una frecuencia de 1 k. Hz, el mismo SPL es apenas audible a 60 Hz. En otras palabras, para producir una sensación de sonoridad determinada a frecuencias bajas (tonos graves) una intensidad mayor que para un tono de 1 k. Hz. üLas curvas de la figura (incluidos los umbrales) son curvas de IGUAL SONORIDAD o ISÓFONAS. üLas curvas permiten definir la SONORIDAD de un tono como el nivel de presión sonora (SPL) de un tono de 1 k. Hz igualmente sonoro que dicho tono (MIYARA) üLas curvas permiten explicar porque se requiere mayor potencia de un equipo de sonido para tener buenos graves que para lograr una adecuada respuesta a frecuencias medias (MIYARA) üSon también la razón de los filtros de sonoridad de los equipos de sonido, que aumentan la proporción de graves cuando se escucha a bajo volumen (MIYARA) üExplican porqué un equipo de baja potencia y mala calidad puede así y todo sonar “fuerte”: al distorsionar el sonido agrega armónicos de alta frecuencia que se escuchan más que las bajar frecuencias originales (MIYARA) 25 Daniel Baccino

Comentarios II üLas curvas se refieren a tonos simples, aislados, sonando de manera continua. üSi el sonido es de corta duración ( aproximadamente 10 o 15 ms, o dos o tres períodos para frecuencias menores a 50 KHz) se percibe como “clic” no como tono. üEstudios detallados (Molino, 1973) muestran que las curvas de igual sonoridad dependen de la frecuencia del tono de referencia (ROEDERER) üEl umbral de intensidad de tonos simples aislados cambia apreciablemente, es decir, aumenta si otros tonos están presentes al mismo tiempo. La experiencia de enmascaramiento más familiar es aquella de no poder seguir una conversación en un lugar con mucho ruido de fondo. (ROEDERER, pág. 107). 26 Daniel Baccino

Referencias FEYNMAN, Richard, y otros. FÍSICA (Volumen I). Fondo Educativo. 1971. KINSLER, Lawrence. Fundamentos de acústica. Limusa. México. 1995. MIYARA, Federico. ACÚSTICA Y SISTEMAS DE SONIDO. UNR Editora. 2004. ROEDERER, Juan. ACÚSTICA Y PSICOACÚSTICA DE LA MUSICA. Ricordi. Buenos Aires. 1997. SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES: http: //www. bipm. org/en/si/si_brochure/ 27

CRÉDITOS (IMÁGENES) ØPRESIÓN ACÚSTICA. Imagen onda sinusoidal: http: //www. monografias. com/trabajos 5/elso. shtml ØENERGÍA. Imagen de Richard Feynman: http: //www. taringa. net/posts/ebooks -tutoriales/4115733/Richard-Feynman---y-su-libro. html ØINTENSIDAD. Imagen flujo energía: http: //www. monografias. com/trabajos 5/elso. shtml ØEL “MAPA COMPLETO”. Curvas de Fletcher y Munson: http: //iie. fing. edu. uy/investigacion/grupos/gmm/audio/seminariosvi ejos/2003/charlas/psicoacustica/sonoridad 1. html 28

SUGERENCIAS Un sitio uruguayo recomendable: SEMINARIO DE AUIDO. Se anotan algunas páginas del sitio, a modo de ejemplo. Hay mucha información en diferentes formatos en las páginas indicadas y en otras del sitio. Vale la pena una lectura exploratoria. Inicio: http: //iie. fing. edu. uy/investigacion/grupos/gmm/index. php Seminario de audio 2009: http: //iie. fing. edu. uy/investigacion/grupos/gmm/audio/seminariosvi ejos/2003/charlas/psicoacustica/sonoridad 1. html Seminario de audio 2005: http: //iie. fing. edu. uy/investigacion/grupos/gmm/audio/seminariosvi ejos/2005/index. html Seminario 2005. Conceptos básicos de psicoacústica. Informe: http: //iie. fing. edu. uy/investigacion/grupos/gmm/audio/seminariosvi ejos/2005/charlas 2005/charla 4_Informe. pdf 29