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ACÚSTICA ELEMENTAL Y SU RELACIÓN CON LA MÚSICA. 1 ACÚSTICA Frecuencia Amplitud Duración Timbre 2 0. Ondas Sonoras Definiciones Sonido: Las ondas acústicas constituyen fluctuaciones de presión que pueden existir en un fluido compresible (aire) de moderada intensidad. Los fluidos presentan fuerzas restaurativas las cuales son responsables por la propagación de la onda sonora la cual ocurren cuando el fluido se comprime y expande. Expansión Compresión 3 ACÚSTICA Acústica es una disciplina de las ciencias físicas que se ocupa de la producción, control, propagación, recepción y audición de los sonidos y por extensión de los ultrasonidos. La acústica musical se ocupa de la investigación de los fundamentos físicos de la música, de los instrumentos musicales, de los recintos de concierto, etc. La esencia de la música es el sonido. La naturaleza del sonido está conformada por sus componentes o parámetros, que son: Frecuencia Amplitud o Intensidad Timbre Duración 4 Transientes SONIDO: Son ondas producidas por determinados movimientos vibratorios periódicos (regulares), de frecuencia definida y proveniencia fácil de establecer. El sonido es una onda mecánica longitudinal porque las partículas del medio vibran en la dirección de propagación de las ondas. RUIDO: Son ondas producidas por movimientos vibratorios aperiódicos (irregulares), de frecuencia imprecisa y proveniencia incierta. 5 CUALIDADES DEL SONIDO: Son aquellas características que permiten diferenciar unos sonidos de otros. En la audición se distinguen tres cualidades del sonido: tono o altura, intensidad y timbre. (Duración). Tono o altura: es la característica del sonido por la cual una persona distingue sonidos graves y agudos. (Frecuencia) Intensidad: es la característica del sonido por la cual el oído distingue sonidos fuertes y sonidos débiles, o qué tan cerca o tan lejos está la fuente sonora. (Amplitud) Timbre: es la cualidad del sonido que nos permite distinguir los sonidos emitidos por dos fuentes diferentes aun cuando tengan el mismo tono y al 6 misma intensidad. 1. FRECUENCIA: (TONO O ALTURA) Es el número de oscilaciones, ciclos o vibraciones por segundo que produce una partícula. Su unidad de medida es el Hertz. (Hz.) El oído normal percibe frecuencias comprendidas entre 20 y 20.000 Hz, aproximadamente. Sin embargo esta percepción de frecuencias no es lineal ya que está relacionada también con la intensidad y la duración. Las frecuencias que están bajo los 20 Hz. se denominan infrasonidos y aquellas que están sobre los 20.000 Hz. se denominan ultrasonidos. El oído humano no está capacitado para escuchar estas frecuencias. Sin embargo, determinados animales sí pueden escucharlas, tal como el perro (silbato silencioso) y el murciélago (radar natural). El estudio y desarrollo de los ultrasonidos es muy útil para diversas disciplinas: la medicina, los aparatos de guerra, la geografía, etc. En música la frecuencia genera la altura o tono (mayor o menor gravedad) de los sonidos y es directamente proporcional a los mismos. El aparato que mide las frecuencias se denomina frecuencímetro. 7 2. AMPLITUD: (INTENSIDAD) Es la máxima altura que puede lograr una partícula respecto de su punto de reposo o equilibrio. Desplazamiento máximo de la partícula respecto de su punto de equilibrio. La unidad de medida es el decibel que se abrevia dB. Para la mejor comprensión de este parámetro recurriremos a un gráfico que representa la llamada onda sinusoidal o sinusoide y que representa lo que denominamos sonido puro, es decir sin armónicos. 8 GRÁFICO DE UNA ONDA SINUSOIDAL OBTENIDA MEDIANTE IMPULSOS ELECTRÓNICOS A TRAVÉS DE UN INSTRUMENTO ACÚSTICO DENOMINADO OSCILOSCOPIO: 9 0. Ondas Sonoras Ecuación de Onda Acústica T Período: Tiempo en que una partícula se demora en completar una oscilación. f Frecuencia: Número de Oscilaciones de la partícula en un segundo Longitud de Onda: Distancia que la onda recorre en una oscilación. Frecuencia Angular k Número de Onda f c 2f 10 k c 2 0. Ondas Sonoras Onda Acústica Plana Compresión x Expansión 11 SONIDO PURO Es aquel sonido que carece de armónicos. El diapasón genera un sonido puro. Es una horquilla de acero conformada especialmente para emitir la nota la. Esta nota se denomina también tono de referencia o tono de cámara. Su frecuencia de 440 Hz y se fijo en la Segunda Conferencia Internacional para el Diapasón, celebrada en Londres (Inglaterra) el año 1939. 12 ARMÓNICOS 13 EJEMPLOS DE NIVEL SONORO El sonómetro es un instrumento acústico que mide la intensidad del sonido en dB. Hojas agitadas por la brisa: 10 dB. Estudio de radio o grabación con aislamiento acústico: 20 dB. Dormitorio en la noche: 30 dB. Biblioteca tranquila 40 dB. oficina 50 dB. Sala de clases 60 dB. Tráfico promedio en una esquina 70 dB. Cataratas del Niágara en lugar más ruidoso 85 dB Interior del metro 90 dB. Orquesta sinfónica y coros en un ff 100 dB 14 A partir de los 120 db el auditor va sintiendo en orden creciente las siguientes sensaciones: Sensación desagradable: 120 dB. Sensación dolorosa: 140 dB. Daño auditivo: 160 dB 15 3. DURACIÓN: El sonido para ser percibido por el oído humano necesita un mínimo de duración en el tiempo. Las distintas duraciones de los sonidos musicales generan el ritmo. 16 4. TIMBRE: Es la cualidad del sonido que nos permite distinguir los sonidos emitidos por dos fuentes diferentes aun cuando tengan el mismo tono y al misma intensidad. Por tanto, pudiendo ser igual el número de orden y la cantidad de los armónicos, basta una leve variación en la intensidad de alguno de éstos para determinar sensibles diferencias tímbricas del sonido. Cuanto más pobre en armónicos sea el sonido, más vacío e inexpresivo será el timbre. Un ejemplo de ello es el diapasón que no contiene armónicos, es un sonido puro. Un adecuado número de armónicos, especialmente si son consonantes corresponderá a un timbre lleno y vigoroso. 17 GENERALIDADES Velocidad del sonido: depende de la elasticidad y densidad del medio en que se propagan las ondas sonoras y no de sus características. Al aumentar la elasticidad del medio trasmisor, aumenta la velocidad de las ondas que en él se propagan. Por esta razón, el aumento de la temperatura afecta a la frecuencia y con ello aumenta la velocidad del sonido. No olvidemos que a mayor temperatura simultáneamente disminuye la densidad y aumenta la elasticidad. La velocidad del sonido en el aire varía 0.6 m/s por cada grado Celsius de temperatura; es decir: V = Vo + 0.6 m/sºC-1 T 18 La velocidad del sonido en el aire a 15º c es de 340 m/s En el aire a 0º C……………………..331.7 m/s En el alcohol etílico…………………1260 “ En el agua…………………………...1450 “ En el Cu…………………………….3.800 “ En aceros comunes……………….. . 5.000 “ En el vidrio………………………… 5.600 “ Otras fórmulas para la velocidad del sonido v = x/t v = λ.f o v = λ/T 19 CONDICIONES DE EXISTENCIA DE UN SONIDO: a) Que exista un movimiento vibratorio. b) Un medio trasmisor o elástico en el cual se propaguen las ondas producidas por el movimiento vibratorio. c) Un receptor que capte las ondas producidas en el medio trasmisor y las trasforme en sensación sonora mediante un aparato adecuado, el oído. El sonido no se trasmite en el vacío. Experimento con la campana neumática. 20 Intensidad física: es la energía transmitida por unidad de área en la unidad de tiempo. Es decir, la intensidad es la potencia transmitida por unidad de área. Se expresa en W/m2 Intensidad = potencia/área o I = P/A Pero potencia = Energía/tiempo o P = E/t luego: I = E/At y A = 4πr2 Intensidad auditiva: corresponde a la sensación percibida por nuestro oído, depende de la intensidad física y de otros factores característico de nuestro aparato auditivo. Se expresa en dB. Relación entre la intensidad física y la auditiva. B = log I/Io B = 10 log I/Io (0 – 120) dB Donde: Io = 10-12 W/m2 sonido mínimo audible por el hombre 21 Io = 1 W/m2 sonido máximo audible por el hombre 0. Ondas Sonoras Onda Acústica Esférica Monopolo r 22 0. Ondas Sonoras Potencia, Densidad de Energía e Intensidad Sonora r P r E Potencia Sonora [W] S t Superficie [m2] Distancia [m] Cantidad de Energía [Joulle] Cantidad de Tiempo Intensidad Sonora P S E 23 I E S t 0. Ondas Sonoras Potencia e Intensidad Sonora Intensidad Sonora I P 4r 2 r P 24 0. Ondas Sonoras Efecto Doppler Cambio en la frecuencia cuando la fuente se mueve c vo f f 0 c vs vs 0 vs 0.7c 25 0. Ondas Sonoras Efecto Doppler Cambio en la frecuencia cuando la fuente se mueve vs c vs 1.4c 26 0. Ondas Sonoras Explosión Sónica 27 0. Ondas Sonoras Niveles Nivel de Presión Sonora P L P 10 log RMS P0 PRMS LP 20 log P0 2 Nivel de Intensidad Sonora I LI 10 log I0 I 0 110 12 W m 2 Nivel de Potencia Sonora W LW 10 log W0 W0 1 10 12 W 28 P0 2 10 5 N m 2 PROBLEMAS SOBRE EL SONIDO. 1. Una onda sonora recorre en el agua 1 km en 0.69 s. ¿Cuál es la velocidad del sonido en el agua? 2. Calcula la longitud de onda de un sonido cuya frecuencia es de 180 Hz, si se propaga en el aire a la temperatura de 30ºC. Calcula el tiempo que emplea el sonido en recorrer 1.5 km. a) En el aire a 0ºC b) En el aire a 15ºC c) En el agua Durante la tempestad, se escucha un trueno 8 s después de haber percibido el relámpago. ¿A qué distancia cayó el rayo? (v = 340 m/s) ¿Qué longitud de onda corresponde para una onda sonora cuya frecuencia es de 20.000 Hz y se propaga con una velocidad de 340 m/s? 29