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ORT - PRODUCCIÓN MUSICAL - Prof. Mirta B. Arredondo ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ UNIDAD DIDACTICA 1 1 EL SONIDO El sonido es un movimiento vibratorio producido por un objeto (la fuente), que se desplaza a través de un medio elástico (el aire). La onda sonora también puede desplazarse a través de un medio gaseoso, líquido o sólido. Esta vibración excita al oído humano produciendo la sensación auditiva. En esta definición tenemos elementos que se refieren al sonido como un Fenómeno físico: “movimiento vibratorio” y “medio elástico” transmisor de ondas; la onda en sí misma; y como un fenómeno fisiológico, psicológico y comunicacional: auditiva”. Ahora bien, la fuente o el origen de toda onda sonora es algo que vibra. “sensación ORT - PRODUCCIÓN MUSICAL - Prof. Mirta B. Arredondo ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ ¿CÓMO VIAJA EL SONIDO EN EL AIRE? El aire se compone de moléculas de gas y tiene *propiedades elásticas (se comprime y descomprime). Cada molécula de aire entra en oscilación en torno a su punto de reposo. Es decir, el desplazamiento que sufre cada molécula es pequeño, pero el movimiento se propaga a través del medio. Cuando hablemos de un medio, y a no ser que se indique específicamente otra cosa, nos estaremos refiriendo al aire. Esto se debe a razones prácticas, en la medida en que el aire es el medio más usual en el que se realiza la propagación del sonido El aire en tanto medio posee además otras características relevantes para la propagación del sonido: la propagación es lineal, que quiere decir que diferentes ondas sonoras (sonidos) pueden propagarse por el mismo espacio al mismo tiempo sin afectarse mutuamente. es un medio no dispersivo, por lo que las ondas se propagan a la misma velocidad independientemente de su frecuencia o amplitud. es también un medio homogéneo, de manera que el sonido se propaga esféricamente, es decir, en todas las direcciones, generando lo que se denomina un campo sonoro. Entre la fuente sonora (el cuerpo en oscilación) y el receptor (el ser humano) tenemos entonces una transmisión de energía pero no un traslado de materia. _________________________________________________________ * La elasticidad es la propiedad que tiene un material para cambiar de forma en respuesta a una fuerza aplicada, para después regresar a su forma inicial cuando se retira la fuerza de distorsión 2 ORT - PRODUCCIÓN MUSICAL - Prof. Mirta B. Arredondo ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ MOVIMIENTO ONDULATORIO 3 El movimiento ondulatorio es el proceso por el cual se propaga *energía de un lugar a otro sin transferencia de materia, mediante ondas. Hay dos tipos de ondas diferentes entre si: las ondas mecánicas, que requieren de un medio para propagarse. Y las ondas electromagnéticas, que no requieren de un medio para propagarse, como, por ejemplo, la luz. Son ondas de diferente naturaleza. El sonido es una onda mecánica. Una onda es una perturbación que se propaga por el espacio. Una onda sonora es una variación local de la densidad o presión (P) de un medio continuo en función del tiempo. Dicha onda realiza un movimiento ondulatorio. Al generar una perturbación en un medio elástico, los átomos que conforman al mismo son desplazados momentáneamente de su punto de origen. Debido a esta elasticidad del medio, los átomos tienen la capacidad de moverse, volviendo luego a su posición de origen, previo haber provocado la propagación de la perturbación hacia los átomos vecinos. Estos últimos, a su vez, transmiten la perturbación recibida a otros, y así sucesivamente, dando lugar a una reacción en cadena. Notamos que los átomos, en promedio, permanecen en sus posiciones de equilibrio. Entonces, lo que se propaga, no es la materia sino su estado de movimiento. O sea, es una condición dinámica que se transmite de una región a otra. __________________________________________________________ *El término energía significa actividad, fuerza. La energía mecánica es la parte de la física que estudia el equilibrio y el movimiento de los cuerpos sometidos a la acción de fuerzas ORT - PRODUCCIÓN MUSICAL - Prof. Mirta B. Arredondo ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Con independencia de la velocidad de la perturbación, todas las ondas que se propagan a través de cualquier medio (agua, aire o solido) se llaman ondas mecánicas. En términos generales podemos afirmar que En un movimiento ondulatorio se propaga energía, no materia No son las moléculas de aire que rodean al cuerpo en oscilación las que hacen entrar en movimiento al tímpano, sino las que están junto al mismo, que fueron puestas en movimiento a medida que la onda se fue propagando en el medio. El (pequeño) desplazamiento (oscilatorio) que sufren las distintas moléculas de aire genera zonas en las que hay una Mayor concentración de moléculas (llamada zona de compresión), y zonas en las que hay una menor concentración de moléculas (denominada zonas de rarefacción). 4 ORT - PRODUCCIÓN MUSICAL - Prof. Mirta B. Arredondo ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 5 Una compresión corresponde a una región de alta presión y una rarefacción corresponde a una región de baja presión Esas zonas de mayor o menor densidad generan una variación alterna en la presión estática del aire (la presión del aire en ausencia de sonido). Es lo que se conoce como presión sonora. SENTIDO DE LA PROPAGACION Y LA OSCILACIÓN Dependiendo de la relación que exista entre el sentido de la oscilación y el de la propagación, hablamos de ondas longitudinales, transversales, de torsión, etc. En el aire el sonido se propaga en forma de ondas longitudinales, es decir, el sentido de orientación de la oscilación coincide con el de la propagación de la onda. El sonido es una onda mecánica *longitudinal que se propaga a través de un medio elástico. El sonido no se propaga en el vacío.Ahora, bien; en función de la dirección de la perturbación surgen: Ondas longitudinales: son aquellas que se caracterizan porque las partículas del medio se mueven (ó vibran) paralelamente a la dirección de propagación de la onda. ORT - PRODUCCIÓN MUSICAL - Prof. Mirta B. Arredondo ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Ondas transversales: son aquellas que se caracterizan porque las partículas del medio vibran perpendicularmente a la dirección de propagación de la onda. 6 Onda longitudinal Onda transversal VELOCIDAD DE PROPAGACION DE UNA ONDA ACUSTICA EN LOS DIVERSOS MEDIOS La onda acústica se propaga a diferentes velocidades en medios de distinta densidad. No todas las sustancias propagan el sonido con la misma facilidad; existen buenos y malos transmisores de sonido. Los gases y las sustancias porosas como el algodón y la lana, son malos conductores del sonido, razón por la cual se usan como aislantes acústicos. En general, se propaga a mayor velocidad en líquidos y sólidos que en gases (como el aire). La velocidad de propagación del sonido es, por ejemplo, de unos 1.509,7 m/s en el agua y de unos 5.930 m/s en el acero y 340 m/s en el aire a una temperatura de 20º, aproximadamente. Un cuerpo en oscilación pone en movimiento a las moléculas de aire (del medio) que lo rodean. Éstas, a su vez, transmiten ese movimiento a las moléculas vecinas y así sucesivamente. _____________________________________________________ *Una onda longitudinal es una onda en la que el movimiento de oscilación de las partículas del medio es paralelo a la dirección de propagación de la onda. ORT - PRODUCCIÓN MUSICAL - Prof. Mirta B. Arredondo -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Cuadro comparativo de propagación del sonido en diversos medios MEDIO TEMPERATURA (C°) VELOCIDAD (m/s) Aire 0 331,6 Aire 20 340 Aluminio 17-25 6400 Hierro 17-25 5930 Acero inoxidable 17-25 5740 Vidrio 17-25 5260 Plata 17-25 3700 Oro 17-25 3240 Plomo 17-25 2400 Agua de mar 15 1509 Mercurio 20 1451 Cuando la temperatura del aire aumenta, las moléculas disponen de más energía para moverse a mayor distancia. Esto facilita la propagación de la onda. En un medio frío, las moléculas se mueven más lentamente, lo que reduce la velocidad a la que se transmite el sonido. GRAFICO DE VELOCIDAD DEL SONIDO SEGÚN LA TEMPERATURA AMBIENTE 7 ORT - PRODUCCIÓN MUSICAL - Prof. Mirta B. Arredondo ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Como se observa en el siguiente cuadro, la velocidad del sonido en el aire aumenta aproximadamente 6 m/s cada 10 ºC. Cabe destacar que la velocidad del sonido es independiente de la intensidad de la perturbación. 8 Concluimos que la velocidad de propagación de la onda es v = m/t Despejando, m= v . t por lo tanto t= m/v Donde; v= velocidad de la onda acústica / m= metros / t= tiempo. Ej: Se produce un relámpago a 2,04 km de donde te encuentras tu, ¿cuánto tardas en oírlo si la velocidad del sonido en el aire es de 330 m/s? Datos: m = 2,04 km = 2040 m v = 330 m/s Aplicando: v = m/t por lo tanto t = m/v ORT - PRODUCCIÓN MUSICAL - Prof. Mirta B. Arredondo ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ t = (2040 m)/(330 m/s) t = 6,18 s COMPONENTES DE UNA ONDA 9 La onda más sencilla o fundamental es la SINUSOIDE. Sobre ella identificaremos los elementos que la caracterizan: Cresta: La cresta es el punto más alto de dicha amplitud o punto máximo de saturación de la onda. Valle: Es el punto más bajo de una onda. Nodo: El nodo es el punto donde la onda cruza la línea de equilibrio Semiciclo positivo Semiciclo negativo PARAMETROS FÍSICOS DE UNA ONDA La onda sonora realiza un movimiento ondulatorio, y como tal, viene definida por los siguientes *parámetros físicos: longitud de onda (letra griega λ), frecuencia (f), velocidad (c), período (T) y amplitud (A) Período: Es el tiempo (T) que tarda en producirse un ciclo completo de la onda sonora. Se expresa en segundos o milisegundos (seg. /mseg) *Un parámetro es una información o datos (variable) necesarios para analizar o valorar una situación o algún elemento. ORT - PRODUCCIÓN MUSICAL - Prof. Mirta B. Arredondo ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 10 Frecuencia: (f) Es el número de veces que se repite un ciclo por segundo,o lo que es lo mismo, la cantidad de perturbaciones por segundo. Se expresa en “ciclos por segundo”(cps) o Hertz (Hz). También se utiliza el KiloHertz (KHz) que equivale a 1000 Hz. La relación entre frecuencia (f) y período (T) es: ORT - PRODUCCIÓN MUSICAL - Prof. Mirta B. Arredondo ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ :. En las cuales si T se expresa en s, entonces f se expresa en Hz, y si T se expresa en ms, f se expresa en kHz. Teniendo en cuenta esta relación, podemos decir, que si se conoce la frecuencia de una onda, se puede determinar su período, y viceversa. De esta relación también podemos concluir que cuanto más grave sea la frecuencia, menor cantidad de ciclos por segundo tendrá. Tengamos presente que la frecuencia de una onda de sonido es igual a la frecuencia de su fuente vibratoria. Los seres humanos tenemos un rango auditivo que oscila entre los 20 Hz y los 20.000 Hz. Existen ondas sonoras con frecuencias que se encuentran fuera de este rango,(infrasonidos y ultrasonidos) y que son audibles para algunos animales. Los infrasonidos son ondas sonoras cuya frecuencia es inferior a los 20 Hz, tienen una gran longitud de onda y baja frecuencia, lo que les permite viajar a mayores distancias que las ondas que poseen frecuencias superiores. Los infrasonidos producidos y detectados por los animales pueden viajar por la atmósfera, el agua y el suelo. Algunas fuentes de infrasonido son: elefantes, rinocerontes, hipopótamos, palomas, erupciones volcánicas, olas del mar, terremotos, tornados, etc. Los ultrasonidos son todos aquellos sonidos de frecuencia superior a 20.000Hz. Existen animales capaces de oír más allá de esa frecuencia. Algunos ejemplos son los siguientes: Gatos --> hasta 50.000 Hz Ratones --> hasta 80.000 Hz Delfines --> hasta 150.000 Hz Murciélagos --> hasta 175.000 Hz Un uso especial de los ultrasonidos es la ecolocalización. 11 ORT - PRODUCCIÓN MUSICAL - Prof. Mirta B. Arredondo ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Amplitud: La amplitud de una onda o vibración, es el desplazamiento máximo a cada lado de la posición de equilibrio (punto de equilibrio). Hay que tener presente que hay ondas cuya amplitud es variable, es decir, crece o decrece con el paso del tiempo. En otras palabras, la distancia por encina o por debajo de la línea central de una forma de onda representa la amplitud de la señal. Cuanto mayor es la distancia, mayor será la variación de presión La amplitud mide la cantidad de energía de una onda. GRAFICO DE SINUSOIDE DESTACANDO EN COLOR VERDE, LA AMPLITUD. Punto de equilibrio En el caso de la onda acústica, la amplitud de la onda, está vinculada a la intensidad sonora. La intensidad es una propiedad del sonido que se relaciona con la energía de vibración de la fuente que emite la onda sonora. Al propagarse, esta onda transporta energía, distribuyéndola en todas direcciones. Cuanto mayor sea la cantidad de energía (por unidad de tiempo) que una onda transporta hasta nuestro oído, tanto mayor será la intensidad del sonido que percibiremos. Ahora, la cantidad de energía transportada por una onda es tanto mayor cuanto mayor sea la amplitud de la misma. Entonces podemos afirmar que La intensidad de un sonido es mayor, cuando así lo es la amplitud de la onda sonora. GRAFICO SEÑALANDO LA DIVERSIDAD DE AMPLITUD EN UNA SINUSOIDE Mayor amplitud/mayor intensidad 12 ORT - PRODUCCIÓN MUSICAL - Prof. Mirta B. Arredondo ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Menor amplitud/menor intensidad 13 La intensidad del sonido se mide en una unidad denominada bel (en homenaje a Alexander Graham Bell). En la práctica, un submúltiplo de esta unidad es lo que más se usa: decibel (dB). Por el momento, sólo diremos que el decibelio es una unidad relativa que expresa la relación entre dos magnitudes en una escala logarítmica. (Más adelante trataremos el tema decibelios). Debemos tener en cuenta que la amplitud de una señal de vibración se puede expresar en términos de nivel "pico." o nivel "pico a pico" y se aplican a la medición de la amplitud. La amplitud “Pico” es la distancia máxima de la onda (cresta) al punto cero o punto de equilibrio. La amplitud “Pico a Pico” es la distancia de una cresta negativa (valle) hasta una cresta positiva. En el caso de una onda senoidal, el valor pico a pico es exactamente dos veces el valor pico, ya que la forma de la onda es simétrica. Las ondas van "atenuándose en amplitud" conforme van alejándose de su punto de origen: es lo que se conoce como atenuación de la onda. Aunque la amplitud de las ORT - PRODUCCIÓN MUSICAL - Prof. Mirta B. Arredondo ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ ondas decrece, su longitud de onda y su frecuencia permanecen invariables, ya que éstas dependen sólo del foco emisor. La disminución de amplitud de una onda sonora posee dos causas, a saber: La ampliación del frente de onda, que da lugar a una disminución de la amplitud viene cuantificada por la Ley cuadrática inversa. La absorción de la vibración, que es un proceso disipativo por el cual parte de la potencia sonora es absorbida por los materiales que encuentra en su recorrido. Longitud de onda: simbolizada por la letra griega λ (lambda), es la distancia que hay entre dos crestas consecutivas de una onda. Su unidad de medida es el metro. Como la onda se propaga con una velocidad (v) constante, podemos escribir: λ (lambda) = v. T o bien, Cabe observar que la distancia entre dos crestas sucesivas, o entre dos valles sucesivos, también es igual a la longitud de onda λ. Como ya vimos, la velocidad de propagación de una onda es constante y característica de según el medio. (ver Cuadro comparativo de propagación del sonido en diversos medios). Por otra parte, la frecuencia de la onda puede ser alterada arbitrariamente por la persona que la produce. Entonces, en la relación λ (lambda)=v/f, como v es un valor especifico para un medio dado, vemos que λ (lambda) es inversamente proporcional a f. Es decir, a una longitud de onda más larga le corresponde una 14 ORT - PRODUCCIÓN MUSICAL - Prof. Mirta B. Arredondo ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ frecuencia más baja, mientras que una longitud de onda más corta corresponde a una frecuencia más alta. GRAFICO DE LONGITUD DE ONDA 15 Entonces, en un medio dado, cuanto mayor sea la frecuencia de una onda (más aguda), tanto menor será la longitud de onda. La longitud de onda de las vibraciones acústicas, en el intervalo que los seres humanos pueden escuchar, oscila entre menos de 2 cm (16.000 Hz) y aproximadamente 17 metros (20 Hz) La relación entre velocidad, Longitud de onda y frecuencia es: v = l x f Velocidad = Longitud de onda x Frecuencia Unidades: v[m/s], l[m], f[Hz] ORT - PRODUCCIÓN MUSICAL - Prof. Mirta B. Arredondo ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Onda sinusoidal con algunos parámetros del sonido 16 Fase: es una medida de la diferencia de tiempo entre dos ondas senoidales. Aunque la fase es una diferencia verdadera de tiempo, siempre se mide en términos de ángulo, en grados o radianes. Un ciclo completo de una onda equivale a 360 grados. Lo más importante que hay que tener en cuenta de la fase es que es una relación entre dos sonidos; y que la diferencia en fase entre dos formas de onda se llama desplazamiento de fase. Un desplazamiento de 90 grados es un desplazamiento de 1/4 del periodo de la onda. En este ejemplo, la curva inferior está desplazada 90 grados con respecto a la curva superior. Eso es un atraso de tiempo de 1/4 del período de la onda. ORT - PRODUCCIÓN MUSICAL - Prof. Mirta B. Arredondo ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Si tenemos dos ondas iguales en frecuencia y amplitud, e inician en el mismo instante, y las mezclamos, (principio de superposición) tendremos una onda con el doble de volumen. Los picos de una coinciden con los picos de la otra, y lo mismo ocurre con los valles. A esto se lo denomina interferencia constructiva. Las amplitudes se suman porque hay dos cuerpos vibratorios ejerciendo presión en el mismo sentido y en el mismo instante de tiempo. Interferencia constructiva Pero si retrasamos una de las dos señales, es decir, que inician en distinto instante de tiempo, y hacemos que los picos de una coincidan con los valles de la otra, tendremos que al mezclarlas el resultado será silencio. Diremos que la fase entre estas dos señales es inversa, o que una tiene la fase invertida con respecto a la otra. A esto se lo denomina interferencia destructiva. Una onda está desfasada 180º con respecto de la otra. Al escucharlas juntas sus intensidades se han anulado pues cuando una está ejerciendo presión en un sentido, la otra lo hace en el sentido inverso, por lo tanto, se cancelarán. Interferencia destructiva 17 ORT - PRODUCCIÓN MUSICAL - Prof. Mirta B. Arredondo ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Si verticalmente le asignamos un valor de 0 al punto central de las ondas, tendremos que los picos pueden tener un valor de + 5 (por ejemplo) y los valles de – 5 (la misma distancia hasta 0 pero con signo distinto). Con estos números entenderemos mejor la cancelación que hemos visto antes: los picos de una señal tienen un valor de + 5 y coinciden con los valles que tienen – 5 el resultado es obvio: 5 – 5 = 0. Cada punto de una coincide con otro punto de la otra que tiene su mismo valor pero con signo distinto, el resultado siempre es cero. Cuando hablamos de señales mas complejas, formadas por multitud de sonidos y por muchísimas ondas senoidales, las cosas se complican. La cancelación total producida por una fase de 180º es imposible en la realidad, sin embargo lo que si se cancela son los graves, los medios pierden mucha fuerza y en los agudos se produce un efecto extraño, llamado phaser, que suma unas frecuencias y resta otras. POR QUÉ LA FASE SE MIDE EN GRADOS? Se puede entender el ángulo de fase de una onda sinusoidal en términos de número de grados de rotación de un disco. La fase se suele indicar como una cantidad de grados con respecto a un punto de referencia, y este, a su vez, debe estar relacionado con punto de origen de la onda sinusoidal. La mejor manera de ilustrar esto es mediante un gráfico: 18 ORT - PRODUCCIÓN MUSICAL - Prof. Mirta B. Arredondo ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 19 DISCO QUE DIVIDE A LA CIRCUNFERENCIA EN 360º Observando este grafico se puede considerar una onda sinoidal como una sucesión de puntos que va variando su posición vertical ( amplitud de onda) a lo largo del tiempo. La altura del punto aumenta y disminuye con regularidad mientras el círculo gira a una velocidad constante. El eje vertical de AMPLITUD en el gráfico va desde -1 (máxima amplitud negativa) hasta +1 (máxima amplitud positiva), estando situado el 0 (cero) en el centro de estos dos puntos. A 90º de rotación, la amplitud de la onda sinusoidal toma el valor máximo positivo (el seno de 90º= +1). A 270º toma el máximo de amplitud negativo (seno 270º= -1). Y a 180º y 360º la amplitud es 0 (cero). Ahora, si consideramos que cada ciclo corresponde a 360º, entonces se puede decir cuántos grados está una onda adelantada o atrasada con respecto a la otra, comparando el punto 0º de una onda con el punto 0º de la otra. En este ejemplo gráfico, ORT - PRODUCCIÓN MUSICAL - Prof. Mirta B. Arredondo ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 20 La onda inferior está desfasada 90º con respecto al onda superior. Por último, y como información adicional, les comento que la onda sinusoidal se llama así debido a que la altura del punto (ver gráfico del disco) es directamente proporcional al seno matemático del ángulo de rotación del disco. COMPORTAMIENTO DE LAS ONDAS Todas las ondas tienen un comportamiento común bajo un número de situaciones estándar. Las ondas pueden experimentar las siguientes: Difracción – Es un fenómeno que afecta a la propagación del sonido, pues el sonido tiene la habilidad de rodear un obstáculo. La difracción se puede producir por dos motivos diferentes: 1. porque una onda sonora encuentra a su paso un pequeño obstáculo y lo rodea. Las bajas frecuencias son más capaces de rodear los obstáculos que las altas. Esto es posible porque las longitudes de onda en el espectro audible están entre 1,7cm y 17m, por lo que son lo suficientemente grandes para superar la mayor parte de los obstáculos que encuentran. ORT - PRODUCCIÓN MUSICAL - Prof. Mirta B. Arredondo ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 21 2. porque una onda sonora tropieza con un pequeño agujero y lo atraviesa. Las ondas son capaces de traspasar orificios y bordear obstáculos. Si encuentra una barrera con una pequeña abertura, la onda atraviesa el orificio funcionando la abertura como un nuevo foco de la misma onda. La magnitud de este fenómeno depende de la relación entre la longitud de onda y el tamaño de la abertura. La explicación la encontramos en el Principio de Huygens que establece que cualquier punto de un frente de ondas es susceptible de convertirse en un nuevo foco emisor de ondas idénticas a la que lo originó. De acuerdo con este principio, cuando la onda incide sobre una abertura o un obstáculo que impide su propagación, todos los puntos de su plano se convierten en fuentes secundarias de ondas, emitiendo nuevas ondas, denominadas ondas difractadas. La cantidad de difracción estará dada en función del tamaño de la propia abertura y de la longitud de onda: Si una abertura es grande en comparación con la longitud de onda, el efecto de la difracción es pequeño. La onda se propaga en líneas rectas o rayos, como la luz. ORT - PRODUCCIÓN MUSICAL - Prof. Mirta B. Arredondo ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Cuando el tamaño de la abertura es menor en comparación con la longitud de onda, los efectos de la difracción son grandes y el sonido se comporta como si fuese una luz que procede de una fuente puntual localizada en la abertura. 22 Resumiendo, la difracción es mas notable a bajas frecuencias (sonidos graves) que altas frecuencias. (sonidos agudos). A este efecto de percepción de los sonidos mas graves se lo denomina coloración del sonido por difracción. Por lo tanto, la existencia de un obstáculo entre la fuente y el receptor atenúa los componentes de alta frecuencia (agudos), pero no así las bajas frecuencias (graves), que siguen percibiéndose. Efecto Doppler - Efecto debido al movimiento relativo entre la fuente emisora de las ondas y el receptor de las mismas. El efecto Doppler, llamado así en honor al físico austríaco Christian Andreas Doppler, es el aparente cambio de frecuencia de una onda producido por el movimiento relativo entre la fuente, el emisor y/o el medio. La frecuencia es mayor a medida que la fuente emisora se nos acerca, luego, cambia súbitamente a una frecuencia menor a medida que se aleja. La frecuencia de la fuente sonora no cambia, pero cuando la fuente se acerca hacia el detector de sonidos, (la persona) más ondas se acumulan entre ellos. La longitud de onda se acorta. Puesto que la velocidad no cambia, la frecuencia del sonido detectado se aumenta. Cuando la fuente se aleja del detector (de la persona), la longitud de onda aumenta y la frecuencia detectada es menor. El efecto Doppler también se presenta si la fuente se encuentra estacionaria, y el detector está en movimiento. Aplicaciones del Efecto Doppler: Los detectores de radar lo utilizan para medir la rapidez de los automóviles y de las pelotas en varios deportes. ORT - PRODUCCIÓN MUSICAL - Prof. Mirta B. Arredondo ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Una ayudita para una mejor comprensión del efecto Doppler: Imaginemos las ondas de agua que produce un insecto al agitar sus patitas en el centro de un estanque tranquilo. El insecto no va ninguna parte, sólo mueve el agua en una posición fija. Las ondas que provoca son círculos concéntricos, porque la rapidez de la onda es igual en todas las direcciones. 23 Las ondas llegan al observador A con la misma frecuencia con la que llegan al observador B. Esto quiere decir que la frecuencia del movimiento ondulatorio es igual en los puntos A y B. Esta frecuencia de las ondas es la misma que la frecuencia de pataleo del insecto. Ahora imaginemos que el insecto comienza a nadar, con una rapidez menor que las ondas. Es como si el insecto fuera tras una parte de las ondas que produjo. El patrón de las ondas se distorsiona y ya no está formado por círculos concéntricos. ORT - PRODUCCIÓN MUSICAL - Prof. Mirta B. Arredondo ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Los centros de las ondas circulares se mueven en la misma dirección que le insecto. Aunque el insecto mantiene la misma frecuencia de pataleo que antes, el observador en B vería que las ondas llegan más a menudo o con más frecuencia. Es decir aumenta la frecuencia. Esto se debe a que cada onda sucesiva tiene menor distancia por recorrer y, por lo tanto, llega a B con más frecuencia que si el insecto no se moviera acercándose a B. Por otro lado, un observador en A, ve que hay menor frecuencia, por el mayor tiempo entre las llegadas de las crestas de la onda. Se debe a que para llegar a A, cada cresta debe viajar más lejos que la que precedía. A este cambio de frecuencia debido al movimiento de la fuente (o al receptor) de las ondas se llama efecto doppler. animación de efecto doppler http://surendranath.tripod.com/Applets/Waves/Doppler/DopplerApplet.html Interferencia -Cuando dos ondas se encuentran en un punto o una región del espacio, el resultado es una nueva onda cuya perturbación es la suma de las perturbaciones de las dos ondas originales. Se denomina interferencia al resultado de la superposición de dos o más ondas armónicas. Si se interfieren dos ondas armónicas de igual amplitud y frecuencia pero corrida en su fase, el resultado es una tercera onda cuya amplitud depende de la diferencia de fase entre las dos ondas originales. Si las dos ondas están en fase, la interferencia es constructiva y la amplitud de la onda resultante es el doble de cualquiera de las ondas originales. 24 ORT - PRODUCCIÓN MUSICAL - Prof. Mirta B. Arredondo ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 25 Si las dos ondas están en oposición de fase, la interferencia es destructiva y las ondas se anulan entre si. El batido es un caso particular de interferencia. Cuando dos trenes de ondas de igual amplitud pero frecuencias ligeramente diferentes coinciden en el espacio, dan lugar a una vibración cuya amplitud varía con el tiempo. Si se trata de ondas sonoras, estas variaciones de amplitud se percibirán como variaciones de sonoridad, o lo que es lo mismo, aumentos o disminuciones periódicas de intensidad, que se denominan batidos o pulsaciones. ORT - PRODUCCIÓN MUSICAL - Prof. Mirta B. Arredondo ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 26 Interferencia de ondas: constructiva (izquierda) y destructiva (derecha). Reflexión - Ocurre cuando una onda, al encontrarse con un nuevo medio que no puede atravesar, cambia de dirección. Cuando la onda se refleja en una barrera, el ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión. El comportamiento del fenómeno de reflexión varía de acuerdo con la estructura y la textura de las superficies de reflexión; por ejemplo, una superficie porosa tiende a absorber grandes cantidades de energía, mientras que una superficie áspera reflejará las ondas en todas direcciones dispersando la energía de la onda. La ORT - PRODUCCIÓN MUSICAL - Prof. Mirta B. Arredondo ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ naturaleza de estas reflexiones son críticas para la sensación del espacio en un auditorio. Una aplicación de este fenómeno sonoro se utiliza para la fabricación de los sonar que incluyen algunos barcos para medir la profundidad del mar. Refracción - Es el cambio de dirección que experimenta una onda al pasar de un medio material a otro. Este se origina por el cambio de velocidad que experimenta dicha onda. A diferencia de lo que ocurre en el fenómeno de la reflexión, en la refracción, el ángulo de refracción ya no es igual al de incidencia. Cabe aclarar que la frecuencia de una onda no se altera cuando se transmite de un medio a otro. Refraccion Onda de choque - una onda de choque es una onda de presión abrupta producida por un objeto que viaja más rápido que la velocidad del sonido en dicho medio, produciendo diferencias de presión extremas y aumento de temperatura. 27 ORT - PRODUCCIÓN MUSICAL - Prof. Mirta B. Arredondo ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 28 Por ejemplo, se produce una onda de choque si un barco viaja más rápidamente que la estela que deja marcada en el agua; o si un avión supera la barrera del sonido. Formación de ondas de choque de un barco y un avión Las ondas generadas por el movimiento del objeto en estas condiciones nunca se propagan delante de él, sino que lo hacen hacia atrás ya que el objeto se mueve igual o más rápido que ellas. En el caso de velocidades superiores se forma la típica estela en forma de “V” tras los barcos, la cual, en el caso de un avión, es un cono formado tras él, ya que en este caso el movimiento se transfiere en todas las direcciones. Las ondas de choque transportan energía y pueden resultar destructivas. Sin embargo, una onda de choque decae rápidamente con la distancia, cambiando gradualmente a una onda sonora. Aún así, la intensidad de la onda sonora en la que acaba degenerando la onda de choque, puede resultar perjudicial para la salud de animales y personas por el nivel de ruido que genera. Una de sus características es que el aumento de presión en el medio se percibe como explosiones. Ahora bien, cómo ya hemos visto el sonido es una onda consistente en compresiones (crestas) y enrarecimientos (valles) del aire que se desplaza a una velocidad aproximada de 340 m/s . Si la fuente que emite las ondas sonoras viaja a ORT - PRODUCCIÓN MUSICAL - Prof. Mirta B. Arredondo ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ velocidades superiores a la del sonido, un avión por ejemplo, se produce un cono en cuyas generatrices se acumulan las crestas de onda. En consecuencia, cuando esta acumulación de aire comprimido alcanza a un observador (hombre con sueter verde en la figura), éste percibirá un sonido muy intenso (estampido sónico). Una vez que la onda de choque pasa (mujer con vestido rojo) el sonido del avión se percibe con normalidad. Curiosamente la pareja que tiene el avión encima de sus cabezas no percibe sonido alguno. La intensidad del estampido varía con la altura a la que el avión pasa. Onda estacionaria - Una onda estacionaria se forma por la interferencia de dos ondas de la misma naturaleza con igual amplitud, longitud de onda o frecuencia, que avanzan en sentido opuesto a través de un medio. Es un caso particular de interferencia pues se produce cuando una onda llega a una superficie y se refleja totalmente. Hay puntos que no vibran (nodos), que permanecen inmóviles, estacionarios, mientras que otros (vientres o antinodos) lo hacen con una amplitud de vibración máxima, igual al doble de la de las ondas que interfieren, y con una energía máxima. El nombre de onda estacionaria proviene de la aparente inmovilidad de los nodos. La distancia que separa dos nodos o dos antinodos consecutivos es media longitud de onda. Se puede considerar que las ondas estacionarias no son ondas de propagación sino los distintos modos de vibración de la cuerda, el tubo con aire, etc. Es decir, que la onda estacionaria no se propata a través del medio. Para una cuerda o tubo de longitud determinada, sólo hay ciertas frecuencias a las que 29 ORT - PRODUCCIÓN MUSICAL - Prof. Mirta B. Arredondo ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ se producen ondas estacionarias que se llaman frecuencias de resonancia. La más baja se denomina frecuencia fundamental, y las demás son múltiplos enteros de ella. Pulsaciones: Cuando dos tonos de una frecuencia un poco distinta suenan al unísono, se oye una fluctuación en la intensidad de los sonidos combinados; el sonido es intenso y después es débil, luego intenso y después débil, etc. A esta variación periódica de la intensidad del sonido se la llama pulsaciones y se debe a la interferencia de dos fuentes de sonido con frecuencias un poco diferentes. Si las frecuencias son muy cercanas el sistema auditivo no es capaz de discriminarlas y se percibe una frecuencia única promedio de las presentes. La onda resultante cambia en amplitud a una frecuencia igual a la diferencia entre las frecuencias presentes (f1-f2). Este fenómeno de batido se percibe para diferencias de frecuencia de hasta aproximadamente 15-20 Hz. Al aumentar la diferencia se comienza a percibir un sonido áspero denominado banda crítica, y al seguir aumentando llega un punto en que son percibidas como frecuencias diferentes. Las pulsaciones se producen por el desfase continuo de ambas ondas a medida que transcurre el tiempo. Cuando dos ondas se unen, con una pequeña diferencia en la frecuencia, crean una pulsación. ESPECTRO DEL SONIDO 30 ORT - PRODUCCIÓN MUSICAL - Prof. Mirta B. Arredondo ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 31 EL OIDO (SISTEMA AUDITIVO PERIFÈRICO) El oído se divide en tres partes OIDO EXTERNO o Pabellón Auditivo o Conducto Auditivo Externo OIDO MEDIO o Membrana Timpánica o Tímpano ORT - PRODUCCIÓN MUSICAL - Prof. Mirta B. Arredondo ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Cadena de huesecillos o o o Martillo Yunque Estribo 32 OIDO INTERNO o Vestíbulo o Conductos Semicirculares o Caracol OIDO EXTERNO El oído externo forma parte del sistema receptor de vibraciones que ensambla el campo acústico externo con el tímpano. o PABELLÓN AUDITIVO O AURICULAR El pabellón auricular (la oreja) está compuesto por cartílago y piel. Además de proteger ante posibles agresiones mecánicas, filtra y modifica las señales que le llegan del exterior y contribuye en la tarea de localización espacial de las fuentes sonoras. o EL CONDUCTO AUDITIVO EXTERNO El conducto auditivo externo (CAE) es la continuación del pabellón auricular y se relaciona con el tímpano. Es una estructura tubular irregular de aproximadamente 26 mm de largo por 7 mm de ancho. Su pared está conformada por una porción cartilaginosa, continuación de la estructura del pabellón auricular, y está cubierta por piel con folículos pilosos, glándulas ceruminosas y sebáceas. OIDO MEDIO ORT - PRODUCCIÓN MUSICAL - Prof. Mirta B. Arredondo ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ El oído medio permite acoplar las señales acústicas entre el canal auditivo y el oído medio. Su principal función es la de permitir que las vibraciones acústicas lleguen a la cóclea con suficiente energía. 33 o MEMBRANA TIMPÁNICA La membrana timpánica (tímpano) es la estructura que separa el oído externo del oído medio y vibra cuando es golpeada por las ondas sonoras, dando inicio al proceso que convierte las ondas sonoras en impulsos nerviosos que viajan hasta el cerebro. Es una membrana semitransparente con forma de cono con una superficie promedio de 0,6 cm cuadrado; y vibra como una compleja membrana elástica no homogénea. Los pequeños huesos del oído medio generalmente se encuentran empujando la membrana timpánica del oído. Cuando el tímpano sufre daños se interrumpe el proceso auditivo. El tímpano, además, actúa como una barrera que evita que los materiales externos, como las bacterias, penetren en el oído medio, pero cuando está perforado, las bacterias pueden penetrar con facilidad hasta el oído medio causando una infección. Visión macroscópica de la membrana timpánica Las vibraciones del tímpano se transmiten hacia el oído interno a través de tres pequeños huesecillos: el martillo, el yunque y el estribo. ORT - PRODUCCIÓN MUSICAL - Prof. Mirta B. Arredondo ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ su principal función transmitir el movimiento del tímpano al oído interno, a través de la ventana oval. El pie del estribo empuja la ventana oval poniendo en movimiento el material linfático contenido en el oído interno. 34 o EL MARTILLO Es uno de los huesos del oído medio, está conectado con la membrana timpánica y transmite las vibraciones sonoras al yunque. Se encarga de transmitir al oído interno las vibraciones sonoras que llegan por el aire. Actúan también como niveladores mecánicos de las mismas, transformando las ondas sonoras en vibraciones mecánicas. Las ondas sonoras hacen que el tímpano vibre, y estas vibraciones mueven el martillo, que también desplaza al yunque y al estribo que está conectado a la membrana oval y que por lo tanto recibe estás vibraciones aumentadas en 5 decibelios. o EL YUNQUE Es uno de los huesos del oído medio, está conectado con los otros dos huesecillos (martillo y estribo) formando una cadena articulada que se encarga de transmitir al oído interno las vibraciones sonoras que llegan por el aire. Actúan también como niveladores mecánicos de las mismas, transformando las ondas sonoras en vibraciones mecánicas. Las ondas sonoras hacen que el tímpano vibre, y estas vibraciones mueven el martillo, que también desplaza al yunque y al estribo que está conectado a la membrana oval y que por lo tanto recibe estás vibraciones aumentadas en 5 decibelios. o EL ESTRIBO ORT - PRODUCCIÓN MUSICAL - Prof. Mirta B. Arredondo ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ La base del estribo se conecta, por medio de un ligamento, a la ventana oval, a la cual cubre casi completamente. Es el hueso más pequeño del cuerpo humano. 35 OIDO INTERNO El oído interno es parte de una cavidad irregular del hueso temporal que recibe el nombre de laberinto òseo y comprende el vestíbulo, el caracol o cóclea y los canales semicirculares. En el oído interno se realiza la transformación de la energía mecánica producida por las ondas sonoras en energía nerviosa. Esta transformación se realiza a través de los órganos de Corti. o VESTÌBULO ORT - PRODUCCIÓN MUSICAL - Prof. Mirta B. Arredondo ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ El vestíbulo es la región media del oído interno, y tiene en un extremo al caracol o cóclea y en el otro los canales semicirculares. 36 o CONDUCTOS SEMICIRCULARES Al lado del caracol y hacia arriba se encuentra el sentido del equilibrio y la rotación. Está formado por tres tubos semicirculares que contienen lìquido acuoso parecido al líquido amniòtico: dos de ellos tienen posición vertical y otro posición horizontal. Su misión es percibir los movimientos de la cabeza en tres dimensiones e informar de ello al cerebro. Cada canal está lleno de un líquido y de unos cilios sensoriales que están conectados a células receptoras. Cuando la cabeza se mueve, el líquido presiona los pelos sensoriales (cilios) y las células receptoras convierten la presión en señales eléctricas que se envían al cerebro en forma de impulsos nerviosos o EL CARACOL O CONDUCTO COCLEAR Es un conducto óseo torcido y en espiral denominado por ello caracol que constituye fundamentalmente el órgano de la audición. Un corte transversal revela que en el interior de este tubo hay tres túneles superpuestos: ORT - PRODUCCIÓN MUSICAL - Prof. Mirta B. Arredondo ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 37 1. caracol 2. rampa vestibular 3.rampa timpánica 4. canal coclear 5.membrana basilar 8. órgano de Corti 9.Modiolo El central es la región coclear que corresponde al caracol membranoso, el superior es la vestibular y el inferior es la timpánica separadas ambas de la primera por dos membranas llamadas vestibular y basilar. Las vibraciones que llegan al oído interno se transmiten a través del líquido de los canales que están alrededor de la cóclea, la presión de las ondas llega a la membrana basilar de la región timpánica y el líquido dentro del canal se agita estimulando el órgano de Corti que se encuentra dentro de la región coclear, aquí se produce un componente químico que convierte los movimientos en impulsos eléctricos siendo transmitidos por el nervio correspondiente al cerebro. REFERENCIA BIBLIOGRÀFICA - Basso, Gustavo (2006), Percepción auditiva, Bernal, Universidad Nacional de Quilmes. Hewitt, Paul G.,(2007), Fisica Conceptual, Mèxico, Pearson Educación. ORT - PRODUCCIÓN MUSICAL - Prof. Mirta B. Arredondo ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ - Lopez Feo, Daniel, (2009), Ingenieria del Sonido, Sistemas de sonido en directo, Madrid, StarBook Editorial. 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