Elementos de acústica
| ||||||
Elementos de acústica. La acústica es la ciencia que estudia la producción, transmisión y percepción del sonido tanto en el intervalo de la audición humana como en las frecuencias ultrasónicas e infrasónicas. Dada la variedad de situaciones donde el sonido es de gran importancia, son muchas las áreas de interés para su estudio: voz, música, grabación y reproducción de sonido, telefonía, refuerzo acústico, audiología, acústica arquitectónica, control de ruido, acústica submarina, aplicaciones médicas, etc...
Sumario
Características del sonido
Con anterioridad hemos utilizado varias veces el concepto de sonido como una onda elástica de pequeña intensidad. Sin embargo, en un sentido más estrecho sólo se entiende por sonido el sonido audible, es decir, las ondas elásticas perceptibles por el oído humano.
La experiencia demuestra que el oído percibe como sonido las oscilaciones cuyas frecuencias se encuentran entre los límites de 20 Hz a 20 kHz. Las ondas elásticas con frecuencias inferiores a 20 Hz se llaman infrasonido, y las de frecuencias superiores a 20 kHz, ultrasonido. A veces las ondas elásticas con frecuencias de 1010 Hz y mayores, correspondientes a las ondas térmicas de Debye en los líquidos y en los sólidos reciben el nombre de hipersonido.
En dependencia de la estructura del espectro se hace distinción entre los ruidos y los sonidos musicales. Los ruidos son oscilaciones aperiódicas. Su espectro es continuo, o sea, está formado por un conjunto de frecuencias que llenan de un modo continuo cierto intervalo. Los sonidos musicales tienen espectro de rayas con frecuencias múltiplas y, por consiguiente, son oscilaciones periódicas.
Cada onda sonora sinusoidal es un tono simple. La altura de un tono depende de la frecuencia de las oscilaciones. La escala de frecuencias adoptada actualmente en la música está compuesta del modo siguiente. Cada octava se divide en doce intervalos; en el piano, a estos intervalos corresponden siete teclas blancas y cinco negras; las últimas se indican en la escritura musical con el signo diesi.
A los sonidos musicales complejos corresponde un tono fundamental (primer armónica, y un conjunto de sobretonos (armónicas superiores). Si dos sonidos musicales tienen el mismo tono fundamental pero distintos sobretonos (es decir, diferente espectro), se dice que se diferencian por su timbre. Precisamente por el timbre distinguimos los sonidos emitidos por distintos instrumentos musicales y las voces humanas.
Además de por el tono y el timbre, los sonidos se distinguen por su intensidad. En el caso general la intensidad del sonido depende de la intensidad de la onda sonora, pero debido a que la sensibilidad del oído no es igual para todos los sonidos de frecuencias diferentes, esta dependencia resulta ser muy compleja.La sensibilidad máxima del oído corresponde a los sonidos de 700 a 6000 Hz de frecuencia. En este intervalo de frecuencias el oído puede percibir sonidos con la intensidad de, aproximadamente, 10—-11_10-12 W/m².
La intensidad mínima de una onda acústica que el oído es aún capaz de percibir, se llama umbral de audición.El umbral de la audición normal se toma igual a I0=10-12 W/m² para la frecuencia v0=1kHz
La intensidad máxima de una onda acústica que aún podemos percibir como sonido, y no como sensación dolorosa, recibe el nombre de umbral doloroso. Para distintas frecuencias es diferente el umbral doloroso, variando desde 0,1 W/m² para 6000 Hz hasta 10 W/m² para las frecuencias bajas y altas.
Como se ve, la sensibilidad de nuestro oído es muy grande el intervalo de intensidades desde el umbral de audición hasta el umbral doloroso es de cerca de 1012_ 1013W/m². Con este intervalo tan enorme conviene utilizar una escala logarítmica. Para este fin se introduce la magnitud llamada nivel de intensidad L = 10 lg (I/I0) ,en la que 1 es la intensidad del sonido que se investiga e I0, el umbral de audición normal. La unidad de nivel de intensidad del sonido es el decibelio: L = 1 dB si I = 1,26I0 (en este caso lg (I/I0) = lg 1,26 = 0,1).
Para que se puedan comparar, en la tabla. se indican las intensidades y los niveles de intensidad de algunos sonidos comparados con el umbral de audición normal. La distancia desde la fuente del sonido hasta el oído se da en metros.
| Fuente Del Sonido | l,m | I,W/m² | L,dB |
|---|---|---|---|
Transductores ultrasónicos
En algunos cristales (como el cuarzo) se observa el efecto de electrostricción. Consiste este efecto en que si se crea un campo eléctrico dirigido a lo largo del eje x el cristal se contrae o se alarga en esta dirección, y a lo largo del eje y, al contrario, se alarga o se contrae. En el sentido del eje z no varían las dimensiones del [cristal].
En la figura se muestra el esquema del traductor ultrasónico. En el sirve de elemento radiante una lamina de cuarzo 1 como muestra la figura posterior perpendicularmente al eje cristalográfico es decir según el llamado corte x; las láminas de acero sirven de armaduras; a ellas se conecta la tensión alternativa de un generador de ultrasonido, por medio del cable. Sobre la lámina se encuentra el aire, en el cual la onda ultrasonora se refleja prácticamente por completo Toda la radiación está dirigida hacia el agua.
Para obtener una radiación de gran potencia con carácter dirigido, el diámetro del radiador se debe hacer lo más grande posible. En este caso no se utiliza un monocristal, sino un mosaico de varias láminas de espesores y tipo de corte rigurosamente iguales.
Las láminas funcionan a la frecuencia de resonancia, lo que permite obtener la amplitud máxima de las oscilaciones. La frecuencia de una lámina viene determinada por su espesor y por la velocidad de propagación del sonido en ella En efecto, en el espesor de la lámina cabe un número de semiondas, por lo que sus frecuencias propias se pueden calcular
En los transductores de electrostricción, además del cuarzo, se utiliza la cerámica policristalina de titanato de bario (BaTiO3). Con este fin se cultivan cristales minúsculos, de cerca de un milímetro de dimensión; estos cristales se mezclan con una pequeña cantidad de material cementante (sal de bario) y, calentando la mezcla hasta 1300—1400° C, se cuecen. Esto permite obtener muestras de dimensiones y formas cualesquiera. La cerámica se polariza en un campo eléctrico de cerca de 106 V/m de intensidad. Después de mar el campo polarizante, en los ferroeléctricos (a los cuales pertenece el titanato de bario) se conserva la polarización remanente, de un modo análogo a la imanación re- mente en los ferromagnéticos.
Resulta, que si a una muestra policristalina previamente lanzada se le aplica un campo eléctrico alternativo en dirección del campo polarizante, en esta dirección se producen oscilaciones longitudinales análogas a las del corte x del cuarzo.
En la práctica se utilizan mucho los transductores magnetostrictivos de níquel o permandur (aleación de un 49% de Fe, un 49% de Ni y un 2% de V); también se emplean las ferritas de manganeso-zinc (ferroxcub A) y de níquel-zinc (ferroxcub B). Los transductores se componen de láminas, para que las corrientes de Foucault sean menores; por el devanado pasa corriente de alta frecuencia procedente del generador.
Receptores de sonido
Todo radiador de sonido o ultrasonido puede servir también de receptor. En efecto, la onda, al incidir sobre el órgano oscilante del radiador, hace que éste se mueva. En este caso las oscilaciones elásticas se transforman en eléctricas.
El micrófono electrodinámico, tan utilizado en la práctica, consta de las mismas partes que el altavoz dinámico, sólo que, en vez del diafragma, en el micrófono se emplea una membrana ligera. La onda, al llegar a la membrana, la hace vibrar; junto con la membrana oscila la bobina móvil, situada en el entrehierro de un fuerte imán permanente. En la bobina, al oscilar en el campo magnético, se produce uiia corriente inducida que va a parar al amplificador.
En el micrófono de condensador la membrana y la placa fija forman el condensador, cuya capacidad eléctrica varía al separarse más o menos la una de la otra. La onda sonora hace que vibre la membrana y que con esto varíe la capacidad del condensador, lo que produce una tensión alterna en la resistencia de carga. La frecuencia de esta tensión es igual a la frecuencia de la onda y su amplitud es proporcional a la amplitud de la onda.
En el micrófono de carbón la membrana comprime periódicamente el polvo de carbón, por lo que varían su resistencia y la corriente en el circuito. El aumento de la presión hace que disminuya la resistencia y, por lo tanto, que aumente la corriente, y la disminución de la presión conlleva la disminución de la corriente. Lo mismo que en los tipos de micrófonos antes citados, las débiles oscilaciones de la corriente (o tensión) se intensifican por medio de amplificadores termoiónicos.
Conviene advertir que, en todos los tipos de micrófonos, la frecuencia propia del sistema móvil debe diferir mucho de la frecuencia de las oscilaciones que percibe, para evitar que, debido a la resonancia, se destaque una de las frecuencias del espectro total percibido. Los receptores de ultrasonido, por el contrario, funcionan con la frecuencia de resonancia.Lo más frecuente, en este caso, es que un mismo transductor sirva alternativamente de radiador y de receptor.
Oído
El órgano del oído de los mamíferos, y del hombre entre ellos, tiene una estructura muy compleja. El oído externo lo forman el pabellón de la oreja y el conducto auditivo. La membrana del tímpano 1’ separa el oído externo del oído medio, pequeña cámara 2 que contiene tres huesecillos: el martillo, el yunque y el estribo. El martillo está en contacto con la membrana del tímpano; el estribo, con la ventana oval 3, que sirve de entrada al oído interno. El oído medio se comunica con la nosofaringe por medio de la trompa de Eustaquio.
El oído interno está formado por una serie de canales comunicantes que constituyen el laberinto. De este laberinto sólo el caracol 4, unido al nervio auditivo, tiene relación con el oído. Tres canales semicirculares forman el órgano del equilibrio.
Dentro del caracol hay unos canales llenos de líquido 1 (linfa). En el canal de en medio se halla el receptor auditivo u órgano de Corti, que consta de cinco filas de células de las cuales sobresalen unos cilios o pestañas; las células ciliadas se extienden a todo lo largo de la espiral del caracol. Constituyen en total cerca de 4800 fibras que contienen cinco células cada una. Estas células forman la membrana basilar, en la cual las fibras tienen distinta longitud: en la base del caracol son más cortas y en el vértice, más largas.
La percepción del sonido se efectúa del modo siguiente. La onda sonora pasa por el conducto auditivo externo, llega a la membrana del tímpano 1 y provoca en ella oscilaciones forzadas. Estas oscilaciones se transmiten a través de los huesecillos del oído medio, que hacen las veces de amplificador, y alcanzan la ventana oval. La ventana oval produce oscilaciones en la linfa y, por medio de ella, oscilaciones de las fibras del caracol. La excitación más fuerte la experimentan las fibras cuya frecuencia propia coincide con la frecuencia del sonido. Precisamente por esto podemos distinguir los tonos y percibimos la diferencia de timbre. De hecho el órgano de Corti hace el análisis espectral de las ondas sonoras que llegan al oído y transmite al cerebro la información correspondiente.
El hecho de que tengamos dos oídos nos da la posibilidad de determinar la dirección en que se encuentra la fuente de un sonido (efecto binaural). Si dicha fuente se halla directamente delante del observador, el sonido llega simultáneamente a ambos oídos, pero si está a un lado, el sonido llega antes a un oído que al otro y percibimos este retraso como una diferencia de fases.
