SONIDO Y ACÚSTICA

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El sonido es un fenómeno físico y la acústica es la ciencia que estudia sus propiedades y características. De ambas cosas nos ocuparemos a continuación, pero hay que aclarar que la acústica se estudia de diferente manera según se la necesite para músicos, arquitectos, médicos o técnicos en equipos sonoros. En este caso nos interesa únicamente conocer las leyes acústicas que tengan importancia en la reproducción del sonido .

Vibraciones y ondas

El título precedente asocia dos conceptos que en el estudio del sonido son fundamentales, ya que una vibración produce sonido y una onda lo trae hasta nuestros oídos. El hecho de que una vibración produce sonido es fácil de admitir si pensamos en una guitarra puesto que al pulsar sus cuerdas las hacemos vibrar y todos conocemos el sonido que se obtiene; en el violín se produce la vibración raspando las cuerdas con otras que tiene el arco; en el piano, que también tiene cuerdas, el sonido se origina en la vibración que resulta de golpearlas con martillos; en el tambor hay una membrana tensa que se hace vibrar golpeándola con un palo o con la mano; y así por el estilo, haciendo vibrar cuerdas o membranas obtenemos sonido de los diferentes instrumentos musicales. Hay otro grupo que la forman aquellos en los cuales se tienen tubos con orificios de salida obturados por lengüetas; la columna de aire contenida en el tubo vibra y ello produce la onda de sonido. Para lograr esa vibración se sopla por el extremo del tubo (clarinete), por su costado (armónica) o soplando mediante un fuelle (órgano). Y finalmente, para mencionar otro sistema, recordemos los instrumentos que suenan golpeando dos piezas rígidas entre sí, como las maracas, los platillos, etc. Siempre necesitamos que un elemento vibre para producir una onda sonora, la cual se propagará y llegará a los oídos de las personas que se encuentran en una zona cercana al instrumento emisor de sonidos.

¿ Cómo una vibración se tranforma en una onda que puede propagarse ? Este es el punto fundamental que nos interesa aquí. Para visualizar el proceso imaginemos un aparatito muy simple, que vemos en la figura 1; se trata de un par de cilindros que giran, con una cinta de papel que pasa de uno a otro, algo así como el rollo de una máquina de sumar, o los carreteles de la cinta de la máquina de escribir.

 

Fig. 1 - Una vibración puede representarse gráficamente por una curva llamada senoide. Fig. 2 - Características principales de una senoide que representa una onda sonora .

El giro del cilindro superior puede producirlo un motorcito eléctrico o una cuerda, y el cilindro inferior es arrastrado por el otro. Ahora sujetemos una varilla metálica en una morsa de mecánico y en el extremo superior le colocamos un lápiz o una esferagráfica para que dibuje sobre el papel. Claro, dibujará una raya perfectamente recta, pero si apartamos la varilla de su posición de equilibrio y la soltamos bruscamente, vibrará y el lápiz se moverá de uno a otro lado; pero como el papel camina, el dibujo resultante será una curva que se llama senoide o también sinusoide, de cuyas denominaciones nos quedamos con la primera, que es más usual. Y bien, ese gráfico representará la vibración de la varilla, pero al mismo tiempo representa también la onda sonora que se produce precisamente por esa vibración, ya que si recordamos que pulsando un serrucho de carpintero obtenemos sonido, queda fijado el simple instrumento musical de la varillalla.

Veamos un poco en detalle la senoide obtenida con el aparatito descripto. La figura 2 la muestra mejor dibujada; hay algunas características importantes que conviene destacar, como son la amplitud o altura, la longitud de la onda que está relacionada con el tiempo que tardó en dibujarse y la forma de la onda. La amplitud tiene relación con la potencia sonora que obtendremos. La longitud de la onda se refiere a un lazo completo, con dos vientres, uno hacia arriba y otro hacia abajo, y el tiempo que tarda en formarse esa onda completa se llanta período. Además, y esto es sumamente importante, como las vibraciones son rápidas, se producen varias en un segundo de tiempo, y precisamente la cantidad de vibraciones en un segundo se llama frecuencia de la onda. Y finalmente, la forma de la onda tiene mucha importancia, según veremos muy pronto; en el caso de la figura 2, la onda tiene forma senoidal pura o perfecta, pero en el sonido se producen ondas que rara vez tienen esa forma. Más adelante deberemos recordar estas características de la onda sonora para vincularlas con las del sonido.

La onda sonora

Veamos ahora cómo se forma una onda sonora a partir de una vibración, no ya como un dibujo en un papel obtenido con el aparato de la figura 1, sino como un fenómeno físico. Para no pensar en la varilla metálica, digamos que existen varillas para producir sonido, las que no son rectas sino que adoptan la forma de una herradura alargada y se llaman diapasones.En la figura 3 vemos a la izquierda un diapasón.

Para que vibre hay que darle un golpecito en uno de sus extremos con un martillo de goma o de madera y as¡ obtenemos un sonido. ¿Qué pasa con el aire que rodea al diapasón?

Fig. 3 - Producción de una onda sonora y representación gráfica de la misma .

El aire es elástico, y al desplazarse la varilla hacia la derecha lo comprime y cuando va hacia la izquierda lo estira o descomprime. Al comprimirse el aire, sus moléculas empujan a las vecinas y éstas a las siguientes, y así sucesivamente, de manera que la primera compresión se va corriendo. Lo mismo, la descompresión o expansión también se va corriendo, y en la figura 3 vemos que hemos representado esas compresiones y expansiones por rayas paralelas apretadas o alejadas, pero a cada instante la situación cambia, pues esas compresiones y expansiones se van desplazando, se van corriendo, en una palabra, se propagan. Obsérvese en la parte inferior de la figura 3 la representación gráfica del fenómeno: a la compresión máxima corresponde un vientre superior de la senoide y a la expansión máxima un vientre inferior; luego, la onda sonora tiene valores cuya representación gráfica es una senoide, igual que una vibración.

Claro que la onda sonora no se propaga solamente en una dirección rectilínea como se ha dibujado en la figura 3, sino que sale en todas direcciones. Sólo que hay muchas veces una dirección favorable que es perpendicular a la varilla vibrante y ese es el caso de la figura 3. La onda sonora viaja velozmente a través del espacio y su velocidad es conocida. En el aire la propagación se realiza a razón de unos 340 metros por segundo, lo que quiere decir que si producimos un sonido en un lugar, un espectador que está ubicado a 340 metros de nosotros lo oirá un segundo más tarde. A título de curiosidad, diremos que dentro del agua el sonido se propaga a razón de 1.400 metros por segundo, y que en los metales lo hace a razón de 5.000 metros por segundo. Esto nos dice que a medida que el medio es más denso, la onda puede viajar más velozmente; la razón está en el hecho de que las moléculas, que son las encargadas de transmitir las vibraciones, están más distanciadas en el aire que en los metales, y así se relaciona la densidad con la velocidad de propagación del sonido.

Y ahora viene un asunto muy importante: ¿qué relación hay entre la vibración, la frecuencia y la velocidad de propagación? Bueno, si una vibración se cumple a razón de una cierta cantidad de ondas completas en un segundo, pero en ese segundo la onda sonora viaja a cierta velocidad, digamos la del aire, 340 metros por segundo, hay una relación evidente entre esas cifras. Tomemos, por ejemplo, una vibración de 100 ciclos, períodos u ondas por segundo; obsérvese que hemos destacado la palabra ciclos por ser la denominación más usada; cada ciclo dura un centésimo de segundo y como el sonido viaja a razón de 340 metros en un segundo, en una centésima de segundo recorrerá la centésima parte de 340 metros, o sea 3,40 metros. Luego, la longitud de onda marcada en la figura 3 es de 3,40 metros. Quiere decir que la distancia entre dos compresiones máximas se mantiene, durante la la distancia. Por supuesto que para ondas de otra frecuencia la distancia es distinta, y siempre se cumple que la longitud de onda en metros es igual a la velocidad del sonido dividida por la frecuencia del sonido emitido. Así, una onda sonora de 1.000 ciclos por segundo se propaga con una longitud de onda de 340/1000 = 0,34 metros, es decir 34 centímetros; una de 10.000 c/s. (abreviatura de ciclos por segundo) lo hace con una longitud de onda de 3,4 centímetros, etc.

Obsérvese que a medida que aumenta la frecuencia la longitud de onda se reduce, desde varios metros para frecuencias bajas hasta pocos centímetros para frecuencias altas. Esto es muy importante para el estudio de los aparatos reproductores del sonido, según lo veremos más adelante.

Comportamiento de las ondas sonoras

Las ondas sonoras se comportan de manera similar a otras ondas y por lo tanto sufren los fenómenos de reflexión, refracción e interferencia. Como estos hechos son importantes para el estudio que estamos realizando, pasaremos a describirlos, especialmente el primero y el tercero.

Fig. 4 - Reflexión de una onda sonora.

Fig. 5 - Dos ondas senoidales de distintas frecuencias sumadas dan otra onda no senoidal.

La reflexión es la particularidad de una onda que choca con una superficie de volver hacia atrás, formando un ángulo igual que el que tenía al llegar, tal como lo representa gráficamente la figura 4. Una onda sonora, considerada rectilínea choca o incide oblicuamente contra una pared o piso y en lugar de penetrar en la masa se refleja, de tal modo que el ángulo de salida o reflexión es igual al ángulo de llegada o de incidencia. Este detalle puede aprovecharse para cambiar la dirección de las ondas sonoras mediante tabiques reflectores, en forma similar a lo que se hace con los rayos u ondas luminosas.

La refracción es la particularidad de las ondas a cambiar un poco de dirección cuando cambian de medio o ambiente de propagación. Es clásico el ejemplo que se pone en los estudios de física, sumergiendo parte de una varilla en un recipiente con agua; se la ve como si estuviera quebrada. Pero este hecho no nos interesa mucho para nuestro estudio.

La interferencia es la propiedad de las ondas de mezclarse entre sí, dando por resultado una nueva onda; esto es muy importante para el estudio de la acústica, de manera que lo aclararemos convenientemente. Supongamos que tenemos dos ondas sonoras que podemos reunir, cada una de las cuales tiene distinta frecuencia, pongamos que una tiene doble frecuencia que la otra. En la figura 5 hemos representado en un mismo gráfico las dos ondas, una con línea de puntos y la otra con línea de trazos. Si hacemos la suma gráfica de las dos curvas, sumando en cada punto del eje horizontal las dos alturas, tomando como suma las que se miden hacia arriba y como resta las que se miden hacia abajo, el resultado de esas sumas, punto a punto, es una onda que no tiene ya forma senoidal, sino alterada, y que hemos dibujado con línea llena. Quiere decir que una onda que no tenga forma senoidal pura es porque se trata de una superposición o interferencia de dos o más ondas sonoras de frecuencias diferentes. Si se analiza una onda compuesta según sus ondas componentes, eso se llama el análisis armónico, y cada onda componente es una armónica. Luego una onda compleja o compuesta se llama multiarmónica, y su contenido armónico influye en la forma de la onda resultante.

Por ejemplo, si una onda es de 100 ciclos por segundo, su segunda armónica será la onda de 200 ciclos por segundo, su tercera armónica será la de 300 c/s. y así sucesivamente. Si en una onda sonora tenemos la primera que nombramos, que se llama la fundamental y sus armónicas sucesivas, el resultado será una onda cuya forma no será senoidal, y precisamente esa forma depende del contenido de armónicas, no solamente en la cantidad sino en la amplitud y la frecuencia de cada una. Hay aparatos que permiten ver las ondas, son los osciloscopios, y en ellos hay una pantalla sensibilizada como la de los receptores de televisión, en la cual se observan trazos luminosos. Por medio de procedimientos conocidos se puede ver en esa pantalla una onda sonora si ella ha sido convertida previamente en una onda eléctrica.

Los conceptos vertidos son muy importantes para el estudio de la distorsión o deformación del sonido que se produce cuando los aparatos reproductores alteran la forma de la onda, con lo que, como se deduce fácilmente de las explicaciones anteriores, se alterará el contenido de armónicas. Todo el estudio de la alta fidelidad en la reproducción del sonido tiende a obtener que se conserve la cantidad, proporción y frecuencia de todas las armónicas que tiene el sonido original.

El sonido

Veamos algunos conceptos sobre el sonido que habitualmente escuchamos en grabaciones o emisiones radiales, esto es, la música y la palabra. Cuando se emite o produce un sonido, se forma una onda sonora que llega a nuestros oídos y podemos escucharlo. Todos sabemos que dentro del oído tenemos una membrana llamada tímpano, que vibra al recibir la onda sonora, y que esas vibraciones se trasmiten al cerebro mediante una cadena de pequeños huesitos. Esto pertenece al estudio de la física, y dentro de ella a la acústica. Nos dedicamos en esta página al estudio de la electro-acústica, de modo que no nos interesa mucho el aspecto fisiológico o anatómico del problema.

Cuando hablarnos hacemos vibrar nuestras cuerdas vocales, emitimos sonidos y se forman ondas sonoras. Las características de esas ondas sonoras son las que ya hemos mencionado en los párrafos anteriores, o sea la amplitud, la frecuencia y el contenido armónico. Cuando se habla de sonido se prefiere dar a esas tres características otros nombres, que son: a la amplitud se llama intensidad; la frecuencia se llama tono y el contenido armónico se denomina timbre. Es sabido que los seres humanos tienen voces que difieren entre sí y se habla de voz gruesa o fina, de voces claras u opacas, etc. Pero poniendo esas definiciones vagas dentro de los términos antes señalados, diremos que la intensidad o amplitud caracteríza la potencia de la voz; la frecuencia o tono difiere en los hombres y las mujeres, y aún en los niños. El timbre o contenido armónico es una característica personal o individual.

Veamos la forma de onda de un sonido correspondiente a la voz humana. Tomemos una letra, por ejemplo, la vocal i, con una frecuencia fundamental de 256 ciclos por segundo.

Fig. 6 - Espectro acústico o contenido armónico de una vocal, es éste caso de la letra i, con frecuencia fundamental de 256 ciclos por segundo .

La figura 6 nos muestra la forma de onda del sonido de esa vocal en una persona determinada, con el análisis armónico correspondiente. La característica destacada es que hay fuertes armónicas en una frecuencia que es diez veces mayor que la fundamental. Si nosotros convertimos ese sonido en una corriente eléctrica y lo amplificamos y volvemos a convertir en sonido, tendremos que oír una vocal i, pero si alteramos el contenido armónico no reconoceremos a la persona que emitió el sonido. En cambio, si alteramos la intensidad del sonido, eso no nos impedirá la identificación, pues escucharemos una i más o menos fuerte, pero con idéntico sonido, es decir con el mismo timbre. La frecuencia o tono no se alterará en forma tan importante como para no conocer a la persona que habló. Es clásico el ejemplo del teléfono, donde se cortan frecuencias del sonido por razones técnicas y las voces suelen confundirse un poco, pero ese corte de frecuencia afecta al timbre de la voz y no a su frecuencia fundamental; no hay posibilidad de confundir a un hombre con una mujer, por ejemplo, pero sí si pueden confundir dos mujeres porque al alterarse el timbre en ambas las voces toman aspectos similares.

Veamos ahora un poco sobre música de instrumentos. Hay infinidad de ellos y la forma de producir sonidos es variada. Pero pueden hacerse dos grandes grupos: instrumentos a cuerda y a viento. El piano, el violín, la guitarra, etc., son instrumentos a cuerda. El clarinete, la flauta, el órgano, etc., son instrumentos a viento. Hay todavía un grupo de instrumentos que no hemos clasificado, que son los de percusión, como el tambor, las maracas, etc. Cada instrumento se caracteriza por producir una gama de frecuencias determinadas y esas garnas, para algunos de los conocidos son:

  • Clarinete 70 - 11.000 c/s.
  • Flauta 300 - 16.000 c/s.
  • Piano 35 - 7.500 c/s.
  • Tambor 60 - 2.500 c/s.
  • Violín 200 - 15.000 c/s.

obsérvese que si se diseña un aparato reproductor del sonido y se quiere que el mismo no corte frecuencias de ningún instrumento musical, debe ser capaz de reproducir tonos de frecuencias comprendidas entre 30 y 16.000 ciclos por segundo. El oído humano es capaz de percibir una gama de frecuencias un poco más extendida, especialmente hacia las frecuencias bajas, y se estima que escucha sonidos comprendidos entre 16 y 16.000 ciclos por segundo.

Ahora viene lo importante; si escuchamos una nota de, por ejemplo, 5.000 ciclos por segundo, ¿cómo sabemos si es de un clarinete, un piano o un violín? La pregunta parece tonta, pero el caso es que distinguimos el instrumento por el timbre del sonido, o sea por el contenido armónico, ya que si coinciden la intensidad y el tono o frecuencia fundamental, la única diferencia está en el timbre.

Fig. 7 - Gráfico que muestra la diferencia en el timbre y contenido armónico de las ondas sonoras.

La figura 7 nos muestra la forma de onda, con su contenido armónico, de dos notas de igual frecuencia fundamental pero de instrumentos diferentes, la superior de un piano y la inferior de un clarinete. Obsérvese que la diferencia en las formas de onda se debe a los muy distintos contenidos armónicos de ambos sonidos. En el piano el tono es más puro, con menos armónicas, teniendo las que existen frecuencias más próximás a la fundamental; en el clarinete hay más armónicas, y preferentemente son elevadas, o sea con frecuencias muy altas. Es evidente que con tan grandes diferencias en las formas de onda los sonidos de ambas notas deben diferir mucho y eso lo saben todos los que los han escuchado.

Surge así la conclusión de que la reprodución del sonido estará sujeta a condiciones muy rígidas, pues debemos convertir sonidos en corrientes eléctricas y luego volver a convertir a éstas en sonidos, pero si bien será posible alterar a voluntad la intensidad o potencia sonora, no es posible cambiar o alterar el tono o el timbre de los sonidos, pues se confundirían los efectos musicales. Las ondas sonoras obtenidas después de la doble transformación deben tener cualquier amplitud, la deseada, pero deben conservar la forma de onda y la frecuencia fundamental de la onda original.

Resonancia acústica

Veamos ahora un fenómeno que tiene mucha importancia en el estudio de la reproducción del sonido. Todos hemos sido sorprendidos alguna vez por la vibración de un cristal de una ventana, por ejemplo, cuando pasa un vehículo por las cercanías y nos hemos preguntado por qué vibra ése y no otros, y por qué se produce tal vibración.

Fig. 8 - La vibración se cumple de acuerdo con las dimensiones de la varilla o membrana.

Para entenderlo observemos la figura 8, que muestra una varilla fija en un extremo. Si la hacemos vibrar, esa vibración se producirá con una frecuencia que está ligada a la longitud de la varilla; generalmente la longitud de onda de la vibración coincide con la longitud física de la varilla. Si en vez de una varilla fuera una membrana o una cuerda, ocurriría algo parecido. Claro que en una cuerda puede producirse más de una onda de vibración en su largo total, pero eso explica las armónicas y no niega el hecho fundarriental. Entonces, un objeto capaz de vibrar lo hace siguiendo leyes geométricas, pues sus dimensiones determinan la frecuencia de la vibración.

Supongamos ahora que viene una onda sonora, propagándose por el aire, y a su paso encuentra objetos de todo tipo; se reflejará, los atravesará o no, en fin, se producirá la propagación común del sonido con todas sus particularidades. Pero supongamos que la onda sonora, que tiene una cierta frecuencia y por ende una cierta longitud de onda, según se indicó en la figura 3, encuentre en su camino un objeto capaz de vibrar que tenga una dimensión física tal que la frecuencia de la vibración posible coincida con la frecuencia de la onda sonora que lo encuentra. Ese objeto vibrará sin que lo impulsemos, si la onda sonora lleva la suficiente potencia para producir por sí misma el impulso vibrante. Ocurre que ese impulso, para que comience la vibración del objeto, puede ser muy pequefío si se produce la coincidencia de las dos frecuencias: la de la onda y la propia de autovibración del objeto. Esa coincidencia se llama resonancia acústica y explica lo que ocurría con el cristal que mencionamos más arriba.

La resonancia acústica puede ser un inconveniente en la reproducción del sonido. Supóngase que construimos un aparato reproductor del sonido, como un altoparlante, por ejemplo. Ese aparato tiene dimensiones físicas determinadas que lo hacen susceptible de vibrar con cierta frecuencia propia. Ahora bien, al reproducir sonidos, ellos tendrán frecuencias variadas, pero hay uno de esos sonidos cuya frecuencia coincidirá con la frecuencia de autovibración del parlante y entonces ese sonido será producido con mucha mayor intensidad que los otros; ello se explica porque para vibrar con esa frecuencia el parlante necesita menor potencia impulsora, ya que es su frecuencia propia. Ese sonido que sale más fuerte no es real en la gama sonora que estamos escuchando, y entonces hay una discordancia. La frecuencia de autovibración se llama frecuencia de resonancia propia en los aparatos reproductores del sonido, y se debe tratar de que la misma sea de un valor que esté fuera de la gama audible por el oído humano, aunque ello no sea fácil de lograr en la práctica.