Download ei_2011_07_presentacion_sonido

INSTITUTO DE PROFESORES ARTIGAS
ESPECIALIDAD FÍSICA
SEMINARIO ESPACIO INTERDISCIPLINARIO
CURSO 2011
SONIDO
Un panorama elemental
Panorama
sobre
SONIDO
3
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 kHz.
•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
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:
F
P=
A
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:
N
 Pascal
2
m
La presión atmosférica normal a nivel del mar tiene, aproximadamente, el
valor:
5
3
1,0 10 Pa  1,0 10 HPa
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/m2, y en el caso
cercano al límite de dolor: P  20 N/m2.
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.
S PL = 20  log( P / Po)
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 (dB)
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:
Newton  Metro  Joule (J )
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.
Trabajo _ realizado
P
Tiempo _ empleado
En el Sistema Internacional de unidades, la potencia tiene unidad:
Joule / Segundo  Watt (W )
“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 m2)
perpendicular a la dirección de propagación.”
ROEDERER, pág. 93.
En el Sistema Internacional de unidades, la
intensidad tiene unidad:
J
W
 2
2
m s m
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/m2 para el umbral de audición, y
1 W/m2 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/m2.
17
 I 
IL = 10  log  
 Io 
La unidad de “IL” -definido así- es el
decibel (dB)
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.

ΔP 
I=
2
vδ
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 dB, son iguales.
18
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 kHz y de un nivel de
presión sonora conocido, por ejemplo 40 dB. 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 kHz. 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
22
Comentarios
A la frecuencia 1 kHz las curvas pasan por los valores 0 dB y 120 dB.
El umbral de audición depende fuertemente de la frecuencia. Por
ejemplo: un tono de 100 Hz debe tener un “IL” cercano a 40 dB para
poder ser percibido.
Los sonidos de frecuencias “muy bajas” (graves) y “muy altas”
(agudos), tienen menor sonoridad que los sonidos “medios”.
En el entorno de los 3 kHz se tiene la mayor sensibilidad del oído.
Los sonidos “medios” son más “fáciles de percibir”.
Para 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”)
A 1000 Hz, el rango de intensidades de interés musical se extiende
de alrededor 10-9 W/m2 a 10-2 W/m2 .(ROEDERER, pág. 99)
¿Errata? La gráfica llama “Intensidad” al “Nivel de intensidad (IL)”.
23
El “mapa completo”
24
Comentarios I
A modo de ejemplo. Mientras un SPL de 50 dB es considerado “piano” a una
frecuencia de 1 kHz, 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
kHz.
Las curvas de la figura (incluidos los umbrales) son curvas de IGUAL
SONORIDAD o ISÓFONAS.
Las curvas permiten definir la SONORIDAD de un tono como el nivel de
presión sonora (SPL) de un tono de 1kHz igualmente sonoro que dicho tono
(MIYARA)
Las 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)
Son 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)
Explican 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
Las curvas se refieren a tonos simples, aislados, sonando de manera
continua.
Si 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.
Estudios detallados (Molino, 1973) muestran que las curvas de igual
sonoridad dependen de la frecuencia del tono de referencia (ROEDERER)
El 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)
PRESIÓN
ACÚSTICA.
Imagen
onda
sinusoidal:
http://www.monografias.com/trabajos5/elso/elso.shtml
ENERGÍA.
Imagen
de
Richard
Feynman:
http://www.taringa.net/posts/ebooks-tutoriales/4115733/Richard-Feynman---ysu-libro.html
INTENSIDAD.
Imagen
flujo
energía:
http://www.monografias.com/trabajos5/elso/elso.shtml
EL
“MAPA
COMPLETO”.
Curvas
de
Fletcher
y
Munson:
http://iie.fing.edu.uy/investigacion/grupos/gmm/audio/seminario/seminariosvi
ejos/2003/charlas/psicoacustica/sonoridad1.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/seminario/seminariosvi
ejos/2003/charlas/psicoacustica/sonoridad1.html
Seminario
de
audio
2005:
http://iie.fing.edu.uy/investigacion/grupos/gmm/audio/seminario/seminariosvi
ejos/2005/index.html
Seminario
2005.
Conceptos
básicos
de
psicoacústica.
Informe:
http://iie.fing.edu.uy/investigacion/grupos/gmm/audio/seminario/seminariosvi
ejos/2005/charlas2005/charla4_Informe.pdf
29