Sonar
Definición
En física, el sonido es una vibración que típicamente se propaga como una onda audible de presión, a través de un medio de transmisión como un gas, líquido o sólido.
En fisiología y psicología humana, el sonido es la recepción de tales ondas y su percepción por el cerebro. Los seres humanos solo pueden escuchar ondas de sonido como tonos distintos cuando la frecuencia se encuentra entre aproximadamente 20 Hz y 20 kHz. El sonido por encima de 20 kHz es ultrasonido y no es perceptible por los humanos. Las ondas de sonido por debajo de 20 Hz se conocen como infrasonido. Las diferentes especies de animales tienen diferentes rangos de audición.
Acústica
La acústica es la ciencia interdisciplinaria que se ocupa del estudio de las ondas mecánicas en gases, líquidos y sólidos, incluidas la vibración, el sonido, los ultrasonidos y los infrasonidos. Un científico que trabaja en el campo de la acústica es un especialista en acústica , mientras que alguien que trabaja en el campo de la ingeniería acústica puede ser llamado ingeniero acústico . Un ingeniero de audio, por otro lado, se ocupa de la grabación, manipulación, mezcla y reproducción del sonido.
Las aplicaciones de la acústica se encuentran en casi todos los aspectos de la sociedad moderna, las subdisciplinas incluyen aeroacústica, procesamiento de señal de audio, acústica arquitectónica, bioacústica, electroacústica, ruido ambiental, acústica musical, control de ruido, psicoacústica, voz, ultrasonido, acústica subacuática y vibración. .
Definición
El sonido se define como "(a) Oscilación en presión, tensión, desplazamiento de partículas, velocidad de partícula, etc., propagado en un medio con fuerzas internas (por ejemplo, elásticas o viscosas) o la superposición de dicha oscilación propagada. sensación evocada por la oscilación descrita en (a) ". El sonido se puede ver como un movimiento de onda en el aire u otros medios elásticos. En este caso, el sonido es un estímulo. El sonido también se puede ver como una excitación del mecanismo auditivo que da como resultado la percepción del sonido. En este caso, el sonido es una sensación.
Física del sonido
El sonido se puede propagar a través de un medio como el aire, el agua y los sólidos como ondas longitudinales y también como una onda transversal en sólidos (ver ondas longitudinales y transversales, más abajo). Las ondas sonoras son generadas por una fuente de sonido, como el diafragma vibratorio de un altavoz estéreo. La fuente de sonido crea vibraciones en el medio circundante. A medida que la fuente continúa vibrando el medio, las vibraciones se propagan lejos de la fuente a la velocidad del sonido, formando así la onda de sonido. A una distancia fija de la fuente, la presión, la velocidad y el desplazamiento del medio varían en el tiempo. En un instante en el tiempo, la presión, la velocidad y el desplazamiento varían en el espacio. Tenga en cuenta que las partículas del medio no viajan con la onda de sonido. Esto es intuitivamente obvio para un sólido, y lo mismo es cierto para líquidos y gases (es decir, la posición promedio de las partículas a lo largo del tiempo no cambia). Durante la propagación, las ondas pueden ser reflejadas, refractadas o atenuadas por el medio.
El comportamiento de la propagación del sonido generalmente se ve afectado por tres cosas:
- Una relación compleja entre la densidad y la presión del medio. Esta relación, afectada por la temperatura, determina la velocidad del sonido dentro del medio.
- Movimiento del medio en sí. Si el medio se está moviendo, este movimiento puede aumentar o disminuir la velocidad absoluta de la onda de sonido dependiendo de la dirección del movimiento. Por ejemplo, el sonido que se mueve a través del viento tendrá su velocidad de propagación aumentada por la velocidad del viento si el sonido y el viento se mueven en la misma dirección. Si el sonido y el viento se mueven en direcciones opuestas, la velocidad de la onda de sonido se reducirá por la velocidad del viento.
- La viscosidad del medio. La viscosidad media determina la velocidad a la que se atenúa el sonido. Para muchos medios, como el aire o el agua, la atenuación debida a la viscosidad es insignificante.
Cuando el sonido se mueve a través de un medio que no tiene propiedades físicas constantes, puede ser refractado (ya sea disperso o enfocado).
Las vibraciones mecánicas que se pueden interpretar como sonido pueden viajar a través de todas las formas de materia: gases, líquidos, sólidos y plasmas. La materia que admite el sonido se llama médium. El sonido no puede viajar a través del vacío.
Ondas longitudinales y transversales
El sonido se transmite a través de gases, plasma y líquidos como ondas longitudinales, también llamadas ondas de compresión. Requiere un medio para propagarse. Sin embargo, a través de los sólidos, puede transmitirse como ondas longitudinales y transversales. Las ondas de sonido longitudinales son ondas de desviaciones de presión alternas de la presión de equilibrio, causando regiones locales de compresión y rarefacción, mientras que las ondas transversales (en sólidos) son ondas de tensión de corte alterna en ángulo recto a la dirección de propagación.
Las ondas sonoras se pueden "ver" utilizando espejos parabólicos y objetos que producen sonido.
La energía transportada por una onda de sonido oscilante se convierte de ida y vuelta entre la energía potencial de la compresión extra (en caso de ondas longitudinales) o la deformación de desplazamiento lateral (en caso de ondas transversales) de la materia, y la energía cinética de la velocidad de desplazamiento de partículas del medio.
Propiedades y características de la onda de sonido
Aunque hay muchas complejidades relacionadas con la transmisión de sonidos, en el punto de recepción (es decir, las orejas), el sonido se puede dividir fácilmente en dos elementos simples: presión y tiempo. Estos elementos fundamentales forman la base de todas las ondas de sonido. Se pueden usar para describir, en términos absolutos, cada sonido que escuchamos.
Para comprender mejor el sonido, una onda compleja como la que se muestra en un fondo azul a la derecha de este texto, generalmente se divide en sus partes componentes, que son una combinación de varias frecuencias de ondas de sonido (y ruido).
Las ondas de sonido a menudo se simplifican a una descripción en términos de ondas planas sinusoidales, que se caracterizan por estas propiedades genéricas:
- Frecuencia, o su inversa, longitud de onda
- Amplitud, presión de sonido o Intensidad
- Velocidad del sonido
- Dirección
El sonido que es perceptible por los humanos tiene frecuencias de aproximadamente 20 Hz a 20,000 Hz. En el aire a temperatura y presión estándar, las longitudes de onda correspondientes de las ondas de sonido oscilan entre 17 my 17 mm. A veces, la velocidad y la dirección se combinan como un vector de velocidad; el número y la dirección de la onda se combinan como un vector de onda.
Las ondas transversales, también conocidas como ondas de corte, tienen la propiedad adicional, la polarización , y no son una característica de las ondas de sonido.
Velocidad del sonido
La velocidad del sonido depende del medio por el que pasan las ondas, y es una propiedad fundamental del material. El primer esfuerzo significativo hacia la medición de la velocidad del sonido fue realizado por Isaac Newton. Él creía que la velocidad del sonido en una sustancia particular era igual a la raíz cuadrada de la presión que actúa sobre ella dividida por su densidad:
Más tarde se demostró que esto era incorrecto cuando se descubrió que derivaba incorrectamente la velocidad. El matemático francés Laplace corrigió la fórmula al deducir que el fenómeno del viaje del sonido no es isotérmico, como lo creía Newton, sino adiabático. Agregó otro factor a la ecuación- gamma- y se multiplicó por , por lo que surgió la ecuación . Desde entonces , la ecuación final llegó a ser , que también se conoce como la ecuación de Newton-Laplace. En esta ecuación, K es el módulo elástico a granel, c es la velocidad del sonido y es la densidad. Por lo tanto, la velocidad del sonido es proporcional a la raíz cuadrada de la relación del módulo de volumen del medio a su densidad.
Esas propiedades físicas y la velocidad del sonido cambian con las condiciones ambientales. Por ejemplo, la velocidad del sonido en los gases depende de la temperatura. En 20 ° C (68 ° F) de aire a nivel del mar, la velocidad del sonido es de aproximadamente 343 m / s (1.230 km / h; 767 mph) usando la fórmula v [m / s] = 331 + 0.6 T [° C ] . En agua dulce, también a 20 ° C, la velocidad del sonido es de aproximadamente 1,482 m / s (5,335 km / h, 3,315 mph). En acero, la velocidad del sonido es de aproximadamente 5.960 m / s (21.460 km / h; 13.330 mph). La velocidad del sonido también es ligeramente sensible, estando sujeta a un efecto anarmónico de segundo orden, a la amplitud del sonido, lo que significa que hay efectos de propagación no lineales, como la producción de armónicos y tonos mixtos no presentes en el sonido original ( ver matriz paramétrica).
Percepción del sonido
Un uso distinto del término sonido de su uso en física es el de Fisiología y Psicología, donde el término se refiere al tema de la percepción. por el cerebro El campo de la psicoacústica está dedicado a tales estudios. Históricamente, la palabra "sonido" se refería exclusivamente a un efecto en la mente. El diccionario de Webster de 1947 definió el sonido como "lo que se oye, el efecto que produce la vibración de un cuerpo que afecta el oído". Esto significó (al menos en 1947) la respuesta correcta a la pregunta: "si un árbol cae en el bosque sin que nadie lo escuche caer, ¿hace un sonido?" no era". Sin embargo, debido al uso contemporáneo, las definiciones de sonido como un efecto físico prevalecen en la mayoría de los diccionarios. En consecuencia, la respuesta a la misma pregunta es ahora "sí, un árbol cayendo en el bosque sin que nadie lo escuche caer hace un sonido".
La recepción física del sonido en cualquier organismo auditivo se limita a un rango de frecuencias. Los humanos normalmente escuchan frecuencias de sonido entre aproximadamente 20 Hz y 20,000 Hz (20 kHz). El límite superior disminuye con la edad. Algunas veces, el sonido se refiere solo a aquellas vibraciones con frecuencias que están dentro del rango de audición para humanos o, a veces, se relaciona con un animal en particular. Otras especies tienen diferentes rangos de audición. Por ejemplo, los perros pueden percibir vibraciones superiores a 20 kHz.
Como señal percibida por uno de los sentidos principales, muchas especies utilizan el sonido para detectar el peligro, la navegación, la depredación y la comunicación. La atmósfera de la Tierra, el agua y prácticamente cualquier fenómeno físico, como el fuego, la lluvia, el viento, las olas o los terremotos, produce (y se caracteriza por) sus sonidos únicos. Muchas especies, como las ranas, las aves, los mamíferos marinos y terrestres, también han desarrollado órganos especiales para producir sonidos. En algunas especies, estas producen canción y habla. Además, los humanos hemos desarrollado cultura y tecnología (como música, teléfono y radio) que les permite generar, grabar, transmitir y emitir sonido.
El ruido es un término que a menudo se usa para referirse a un sonido no deseado. En ciencia e ingeniería, el ruido es un componente indeseable que oscurece una señal deseada. Sin embargo, en la percepción del sonido, a menudo se puede usar para identificar la fuente de un sonido y es un componente importante de la percepción del timbre (ver arriba).
Soundscape es el componente del entorno acústico que los humanos pueden percibir. El entorno acústico es la combinación de todos los sonidos (ya sean audibles para los humanos o no) dentro de un área determinada, modificada por el entorno y comprendida por las personas, en el contexto del entorno.
Hay, históricamente, seis formas experimentalmente separables en las que se analizan las ondas sonoras. Son: tono, duración, volumen, timbre, textura sónica y ubicación espacial. Algunos de estos términos tienen una definición estandarizada (por ejemplo, en la Terminología Acústica ANSI ANSI / ASA S1.1-2013). Los enfoques más recientes también han considerado la envoltura temporal y la estructura fina temporal como análisis perceptualmente relevantes.
Tono
El tono se percibe como el sonido "bajo" o "alto" es y representa la naturaleza cíclica y repetitiva de las vibraciones que componen el sonido. Para sonidos simples, el tono se relaciona con la frecuencia de la vibración más lenta en el sonido (llamada armónica fundamental). En el caso de sonidos complejos, la percepción del tono puede variar. A veces las personas identifican diferentes tonos para el mismo sonido, en función de su experiencia personal de patrones de sonido particulares. La selección de un tono particular se determina mediante el examen preconsciente de las vibraciones, incluidas sus frecuencias y el equilibrio entre ellas. Se presta atención específica al reconocimiento de armónicos potenciales. Cada sonido se coloca en un continuo de tono de bajo a alto. Por ejemplo: el ruido blanco (el ruido aleatorio se distribuye uniformemente entre todas las frecuencias) suena más alto en el tono que el ruido rosa (el ruido aleatorio se distribuye uniformemente entre las octavas) ya que el ruido blanco tiene más contenido de alta frecuencia. La Figura 1 muestra un ejemplo de reconocimiento de tono. Durante el proceso de escucha, cada sonido se analiza en busca de un patrón repetitivo (consulte la Figura 1: flechas naranjas) y los resultados se envían a la corteza auditiva como un solo tono de cierta altura (octava) y croma (nombre de la nota).
Duración
La duración se percibe como el sonido "largo" o "corto" y se relaciona con las señales de inicio y desplazamiento creadas por las respuestas nerviosas a los sonidos. La duración de un sonido suele durar desde el momento en que se nota el sonido por primera vez hasta que se identifica que el sonido ha cambiado o cesado. A veces, esto no está directamente relacionado con la duración física de un sonido. Por ejemplo; en un entorno ruidoso, los sonidos separados (sonidos que se detienen y comienzan) pueden sonar como si fueran continuos porque los mensajes de compensación se pierden debido a las interrupciones de los ruidos en el mismo ancho de banda general. Esto puede ser de gran beneficio para comprender los mensajes distorsionados, como las señales de radio que sufren interferencia, ya que (debido a este efecto) el mensaje se escucha como si fuera continuo. La figura 2 muestra un ejemplo de identificación de duración. Cuando se percibe un sonido nuevo (consulte la Figura 2, Flechas verdes), se envía un mensaje de inicio de sonido a la corteza auditiva. Cuando se pierde el patrón de repetición, se envían mensajes de compensación de sonido.
Volumen
La sonoridad se percibe como el sonido "fuerte" o "suave" y se relaciona con el número total de estimulaciones del nervio auditivo durante períodos cortos de tiempo cíclico, muy probablemente a lo largo de la duración de los ciclos de onda theta. Esto significa que, en duraciones cortas, un sonido muy corto puede sonar más suave que un sonido más largo aunque se presenten en el mismo nivel de intensidad. Pasado alrededor de 200 ms, este ya no es el caso y la duración del sonido ya no afecta el volumen aparente del sonido. La Figura 3 da una idea de cómo se suma la información de volumen durante un período de aproximadamente 200 ms antes de enviarla a la corteza auditiva. Las señales más fuertes crean un mayor "empuje" en la membrana basilar y así estimulan más nervios, creando una señal de volumen más fuerte.
Timbre
Timbre se percibe como la calidad de diferentes sonidos (por ejemplo, el ruido sordo de una roca caída, el zumbido de un taladro, el tono de un instrumento musical o la calidad de una voz) y representa la asignación preconsciente de una identidad sónica a un sonido (por ejemplo, "¡es un oboe!"). Esta identidad se basa en información obtenida de transitorios de frecuencia, ruido, inestabilidad, tono percibido y la extensión e intensidad de sobretonos en el sonido durante un período de tiempo prolongado. el tiempo (ver figura 4) proporciona la mayor parte de la información para la identificación del timbre. Aunque una pequeña sección de la forma de onda de cada instrumento parece muy similar (ver las secciones expandidas indicadas por las flechas naranjas en la figura 4), las diferencias en los cambios entre el clarinete y el piano son evidentes tanto en volumen como en contenido armónico.Menos notorios son los diferentes ruidos que se escuchan, como silbidos de aire para el clarinete y golpes de martillo para el piano.
Textura sónica
La textura sónica se relaciona con la cantidad de fuentes de sonido y la interacción entre ellas. La palabra "textura", en este contexto, se relaciona con la separación cognitiva de los objetos auditivos. En música, la textura a menudo se conoce como la diferencia entre unísono, polifonía y homofonía, pero también se puede relacionar (por ejemplo) con una cafetería ocupada; un sonido que podría denominarse 'cacofonía'. Sin embargo, la textura se refiere a más que esto. La textura de una pieza orquestal es muy diferente a la textura de un quinteto de bronce debido a los diferentes números de jugadores. La textura de un mercado es muy diferente a la de un colegio debido a las diferencias en las diversas fuentes de sonido.
Localización espacial
La ubicación espacial (ver: localización de sonido) representa la ubicación cognitiva de un sonido en un contexto ambiental; incluyendo la colocación de un sonido en el plano horizontal y vertical, la distancia desde la fuente de sonido y las características del entorno sónico. En una textura gruesa, es posible identificar múltiples fuentes de sonido usando una combinación de ubicación espacial e identificación de timbre. Es la razón principal por la que podemos elegir el sonido de un oboe en una orquesta y las palabras de una sola persona en un cóctel.
Nivel de presión de sonido
| Mediciones de sonido | |
|---|---|
Característica | Símbolos |
| Presión de sonido | p , SPL, LPA |
| velocidad de partícula | v , SVL |
| Desplazamiento de partículas | δ |
| Intensidad de sonido | Yo , SIL |
| Potencia de sonido | P , SWL, LWA |
| Energia de sonido | W |
| Densidad de energía de sonido | w |
| Exposición al sonido | E , SEL |
| Impedancia acústica | Z |
| Velocidad del sonido | do |
| Frecuencia de audio | AF |
| Pérdida de transmisión | TL |
La presión sonora es la diferencia, en un medio dado, entre la presión local promedio y la presión en la onda de sonido. Un cuadrado de esta diferencia (es decir, un cuadrado de la desviación de la presión de equilibrio) generalmente se promedia a lo largo del tiempo y / o espacio, y una raíz cuadrada de este promedio proporciona un valor de raíz cuadrada media (RMS). Por ejemplo, la presión de sonido de 1 Pa RMS (94 dBSPL) en el aire atmosférico implica que la presión real en la onda de sonido oscila entre (1 atm Pa) y (1 atm Pa), que está entre 101323.6 y 101326.4 Pa. Como el oído humano puede detectar sonidos con un amplio rango de amplitudes, la presión del sonido a menudo se mide como un nivel en una escala logarítmica de decibelios. El nivel de presión acústica (SPL) o L p se define como
- donde p es la presión de sonido de la raíz cuadrada-media y es una presión de sonido de referencia. Las presiones de sonido de referencia comúnmente utilizadas, definidas en la norma ANSI S1.1-1994, son 20 μPa en el aire y 1 μPa en el agua. Sin una presión acústica de referencia especificada, un valor expresado en decibeles no puede representar un nivel de presión sonora.
Dado que el oído humano no tiene una respuesta espectral plana, las presiones de sonido a menudo se ponderan en frecuencia de modo que el nivel medido coincide más estrechamente con los niveles percibidos. La Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) ha definido varios esquemas de ponderación. Los intentos de ponderación A para hacer coincidir la respuesta del oído humano con el ruido y los niveles de presión sonora ponderada A se denominan dBA. La ponderación C se usa para medir los niveles máximos.
Ultrasonido
El ultrasonido es ondas de sonido con frecuencias más altas que el límite audible superior del oído humano. El ultrasonido no es diferente del sonido "normal" (audible) en sus propiedades físicas, excepto en que los humanos no pueden oírlo. Los dispositivos de ultrasonido operan con frecuencias desde 20 kHz hasta varios gigahertz.
El ultrasonido se usa comúnmente para diagnósticos médicos como sonogramas.
Infrasonido
Infrasonido son ondas de sonido con frecuencias inferiores a 20 Hz. Aunque los sonidos de baja frecuencia son demasiado bajos para que los humanos puedan escucharlos, las ballenas, los elefantes y otros animales pueden detectar infrasonidos y usarlos para comunicarse. Se puede usar para detectar erupciones volcánicas y se usa en algunos tipos de música.