Física del Sonido

Física del sonido Solución universal para plazas mediante topografías sonoras.

Caso de estudio, para plazas de Madrid, España Asignatura: Proyectos I

2014/2015

Ejercicio I: Reinventar Plaza de España Transformación del espacio público Profesores: Bernardo + Almudena Alumno:

Javier

Morrás

Angelini Benito

de de

la

Torre

Institución: Universidad Rey Juan Carlos Facultad de Ciencias Sociales y Jurídicas (Campus de Fuenlabrada)

3º curso damentos

en de

Grado en Funla Arquitectura

Física del sonido Solución universal para plazas mediante topografías sonoras.

Caso de estudio, para plazas de Madrid, España Asignatura: Proyectos I

2014/2015

Ejercicio I: Reinventar Plaza de España Transformación del espacio público Profesores: Bernardo + Almudena Alumno:

Javier

Morrás

Angelini Benito

de de

la

Torre

Institución: Universidad Rey Juan Carlos Facultad de Ciencias Sociales y Jurídicas (Campus de Fuenlabrada)

3º curso damentos

en de

Grado en Funla Arquitectura

Autoediciรณn: Javier Morrรกs de la Torre

“Transformada de Fourier” Jean-Baptiste Joseph Fourier

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El sonido:

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Definición:

(Del lat. sonĭtus, por analogía prosódica con ruido, chirrido, rugido, etc.).

1. m. Sensación producida en el órgano del oído por el movimiento vibratorio de los cuerpos, transmitido por un medio elástico, como el aire.

Se considera , físicamente, cualquier fenómeno que involucre la propagación en forma de ondas elásticas (sean audibles o no), a través de un fluido u otro medio elástico material, que permita o el paso del movimiento vibratorio por este medio.

En el caso que nos ocupa - las ondas sonoras - se trata de ondas longitudinales en las cuales su propagación únicamente involucra el transporte de energía, estas se propagan formando esferas de presión centradas en el objeto vibrante ( Radio + volumen + masa de partículas que debe desplazar + débiles las oscilaciones).

Propagación:

Al oscilar o vibrar un objeto desplaza el medio que lo rodea -fluidos compresibles- comprimiendo y descomprimiendo (rarefaccion) las partículas del medio que lo integran y modificando la presión del medio en forma periódica, de tal forma que ciertas características de los fluidos y de los sólidos influyen en la onda de sonido, propagándose según su índice de compresibilidad (1/K) del medio tanto menor es la velocidad del sonido. También la densidad es un factor importante en la velocidad de propagación, en general a mayor sea la densidad (ρ), a igualdad de todo lo demás, tanto mayor es la velocidad de la propagación del sonido.

En los gases, la temperatura influye tanto la compresibilidad como la densidad, de tal manera que el factor de importancia suele ser la temperatura ambiental.

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En los gases, la temperatura influye tanto la compresibilidad como la densidad, de tal manera que el factor de importancia suele ser la calentura actual La propagación del sonido está sujeta a algunos condicionales. Así la transmisión de sonido requiere la existencia de un medio material donde la vibración de las moléculas es percibida como una onda sonora. En la propagación en medios compresibles como el aire, la propagación implica que en algunas zonas las moléculas de aire, al vibrar se juntan (zonas de compresión) y en otras zonas se alejan (zonas de rarefacción), esta alteración de distancias entre las moléculas de aire es lo que produce el sonido. En fluidos altamente incompresibles como los líquidos las distancias se ven muy poco afectadas pero se manifiesta en forma de ondas de presión. La velocidad de propagación de las ondas sonoras en un medio depende de la distancia promedio entre las partículas de dicho medio, por tanto, es en general mayor en los sólidos que en los líquidos y en estos, a su vez, que en los gases. En el vacío no puede propagarse el sonido, nótese que por tanto las explosiones realmente no son audibles en el espacio exterior.

Las ondas sonoras se producen cuando un cuerpo vibra rápidamente. La frecuencia es el número de vibraciones u oscilaciones completas que efectúan por segundo. Los sonidos producidos son audibles por un ser humano promedio si la frecuencia de oscilación está comprendida entre 20 Hz y 20000 Hz. Por encima de esta última frecuencia se tiene un ultrasonido no audible por los seres humanos, aunque algunos animales pueden oír ultrasonidos inaudibles por los seres humanos. La intensidad de un sonido está relacionada con el cuadrado de la amplitud de presión de la onda sonora. Un sonido grave corresponde a onda sonora con frecuencia baja mientras que los sonidos agudos se corresponden con frecuencias más altas.

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Magnitudes físicas:

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Como todo movimiento ondulatorio, el sonido puede representarse mediante la Transformada de Fourier como una suma de curvas sinusoides, tonos puros - armónicos o múltiplos de la frecuencia base -, con un factor de amplitud, que se pueden caracterizar por las mismas magnitudes y unidades de medida que a cualquier onda de frecuencia bien definida: Longitud de onda (λ), frecuencia (f) o inversa del período (T) (ciclos por segundo) y amplitud (relacionada con el volumen y la potencia acústica)y fase.

Esta descomposición simplifica el estudio de sonidos complejos ya que permite estudiar cada componente frecuencial independientemente y combinar los resultados aplicando el principio de superposición, que se cumple porque la alteración que provoca un tono no modifica significativamente las propiedades del medio.

La caracterización de un sonido arbitrariamente complejo implica analizar: Potencia acústica: El nivel de potencia acústica (PWL Power Wattage Level) es la cantidad de energía radiada al medio en forma de ondas por unidad de tiempo por una fuente determinada. La unidad en que se mide el vatio y su símbolo W. La potencia acústica depende de la amplitud.

Espectro de frecuencias: la distribución de dicha energía entre las diversas ondas componentes.

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Velocidad del sonido:

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La velocidad del sonido depende del tipo de material. Cuando el sonido se desplaza en los sólidos tiene mayor velocidad que en los líquidos, y en los líquidos es más veloz que en los gases. Esto se debe a que las partículas en los sólidos están más cercanas.

La velocidad del sonido en el aire se puede calcular en relación a la temperatura de la siguiente manera:

Refracción:

En un medio homogéneo el sonido tiende alejarse de la fuente de forma esférica a una superficie plana.

(Onda plana).Sin embargo, si la elasticidad o densidad del medio no es la misma en todas las direcciones, por ejemplo por diferencia de temperatura, el frente de onda puede desvirase y cambia la dirección de propagación.

Este fenómeno se conoce como refracción. En tales circunstancia, las líneas de propagación del sonido se flexionan.

Disfracción:

Es la distorsión de un campo de sonido causada por la presencia de un obstáculo. Cuando un disturbio vibratorio (onda sonora) incide en la abertura de una pared, algo de su energía pasa a través de la abertura.

Si la abertura es pequeña comparada con la longitud de onda, el disturbio sufrirá una acentuada dispersión en la región posterior a la pared. En tal caso, la abertura actúa en cierto aspecto, como una fuente de energía para la región posterior. El mismo fenómeno se produce en los bordes de cualquier barrera que impida la propagación libre del sonido. El sonido tiende a rodear el obstáculo a bajas frecuencias.

Reflexión:

En el límite de dos medios capaces de conducir, ocurre tanto la absorción como la reflexión de energía.

Esta última no es mas que una especie de rebote de la onda que incide sobre la superficie, de forma que la

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17 onda reflejada o rebotada es de igual característica que la incidente y formando ahora un ángulo simétrico con la perpendicular a la superficie. Hay dos tipos de reflexiones: difusa y regular. Si las irregularidades de la superficie son comparables en dimensiones con la longitud de onda involucrada, tendrá lugar la reflexión difusa. En este caso el frente de onda experimentará un reflejo no uniforme con distintas direcciones.

Reflexiones tempranas:

Cuando la fuente sonora está rodeada por varias superficies (piso, paredes, techo) el receptor del sonido recibirá el sonido directo, y además el sonido reflejado en cada pared. Las primeras reflexiones recibidas, que se encuentran bastante separadas en el tiempo, se denominan reflexiones tempranas.

Ambiencia:

La distribución en el tiempo de las reflexiones tempranas crea la sensación de ambiencia, es decir la sensación que permite al oyente identificar auditivamente el espacio en el que se encuentra.

Reverberación:

La reverberación es la suma total de las reflexiones del sonido que llegan al lugar del oyente en diferentes momentos del tiempo. Auditivamente se caracteriza por una prolongación, a modo de "cola sonora", que se añade al sonido original. La duración y la coloración tímbrica de esta cola dependen de: La distancia entre el oyente y la fuente sonora; la naturaleza de las superficies que reflejan el sonido. En situaciones naturales hablamos de sonido directo para referirnos al sonido que se transmite directamente desde la fuente sonora hasta nosotros (o hasta el mecanismo de captación que tengamos). Por otra parte, el sonido reflejado es el que percibimos después de que haya rebotado en las superficies que delimitan el recinto acústico, o en los objetos que se encuentren

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19 en su trayectoria. Nuestra sensación, no obstante, no es la de escuchar sonidos separados, ya que el cerebro los integra en un único precepto, siempre que las reflexiones lleguen con una separación menor de unos 50 milisegundos. (efecto de precedencia)

Absorción y atenuación:

En cada reflexión, una parte del sonido es absorbido por la superficie, y otra parte es reflejada. La parte absorbida transferirá un porcentaje de su energía - generalmente en forma de calor - o se propagará a otra espacio contiguo, o ambas cosas. La parte reflejada mantiene su carácter de sonido, y viajará dentro del recinto hasta encontrarse con otra superficie, en la cual nuevamente una parte se absorberá y otra parte se reflejará. El proceso continúa así hasta que la mayor parte del sonido sea absorbido, y el sonido reflejado sea ya demasiado débil para ser audible, es decir, se extinga.

En general, los materiales más densos, son muy reflectantes y por lo tanto poco absorbentes del sonido, y en cambio los materiales menos densos y generalmente porosos. Hay que tener en cuenta que los seres vivos y entre ellos las personas también absorben y reflejan parte de los sonidos que se emiten.

En general la absorción aumenta con la frecuencia, debido a que para frecuencias altas la longitud de onda es pequeña y entonces las irregularidades de la superficie o el propio espesor del material son más comparables con la longitud de onda. En algunos casos, sin embargo, algún fenómeno de resonancia entre el material y la pared puede mejorar la absorción en bajas frecuencias.

Resonancia:

Cualquier cuerpo capaz de oscilar libremente puede también oscilar bajo la acción de una fuerza que puede tener una frecuencia igual o distinta a su frecuencia natural. Si los impulsos de excitación se sincronizan, incrementos de energía extremadamente pequeños harán que el cuerpo describa oscilaciones de, relativamente gran

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21 amplitud. Este será mayor si se alcanza la frecuencia de resonancia, que es propia de cada cuerpo oscilante.

Hay muchos casos comunes en que las ondas libres actúan como fuentes de energía estableciendo efectos de resonancia. Si se canta una nota cerca de un instrumento de cuerda, se notará que una o más cuerdas vibrarán perceptiblemente según su frecuencia de resonancia.

La resonancia da lugar en una frecuencia específica.

Sin embargo, cuando la diferencia de la frecuencia natural del cuerpo y la de la fuente es muy pequeña, existe una fuerte reacción del cuerpo, muy semejante a la resonancia perfecta. Algunos cuerpos o sistemas responden a un amplio rango de frecuencias.

Ecos:

Tiene lugar en un ambiente con superficies reflectoras del sonido generalmente perpendiculares al emisor de la vibración Consistente principalmente en una única reflexión que retorna al punto donde se encuentra la fuente después de emitido el sonido.

Se produce después de un tiempo t relacionado con la distancia d a la superficie más próxima por la expresión.

txd = 2xc

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La Psicoacústica:

Intensidad (dB)

En terminos muy generales, es una disciplina que estudia la relación entre el sonido y la manera en la que los humanos lo percibimos y nos formamos opiniones subjetivas con respecto a sus características. Se apoya en otras disciplinas como la Física, la Psicología, la Fisiología, las Ciencias Auditivas, las Ciencias Computacionales y la Música.

Intensidad:

Frecuencia (Hz)

Al vibrar un foco sonoro producirá ondas de una determinada amplitud, siendo la intensidad proporcional al cuadrado de la misma, teniendo así sonidos fuertes o débiles. El atributo subjetivo de la intensidad tiene relación con la magnitud de la presión de una onda de sonido. De acuerdo con esta magnitud los sonidos pueden ser fuertes o intensos en un extremo y débiles en el otro. Podría confundirse esta características con la intensidad, digamos objetiva, que se define como el flujo neto de energía que pasa a través de una unidad de área en una dirección determinada.

Volumen:

Es relativo y no se mide solo por su intensidad, si no también por otros factores que son subjetivos como la expectación, concordancia y discordancia, estructura armónica, la sensibilidad auditiva y el tono.

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Timbre:

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Es solo el tiempo en que un sonido “existe” en cuanto a términos antropológicos -ya que puede seguir existiendo sin se perciba su presencia- desde la pendiente de volumen, hasta que llega a su máximo punto (sonido directo) el campo de sonido temprano (cuando comienza a morir el sonido) hasta el campo acústico de reverberación ( su ambiente y termino).

Duración:

Esta cualidad nos permite distinguir dos sonidos de igual intensidad y tono producidos por dos focos diferentes. El timbre se relaciona con el hecho de que un sonido casi nunca es puro, sino que suele haber una frecuencia fundamental a la que pertenece la mayor parte de energía de ese sonido y otras frecuencias que llevan su cantidad de energía llamadas armónicos, que se superponen a la frecuencia fundamental.

Se ha demostrado que el reconocimiento de sonidos también depende de los sonidos que se asocian con el “ataque” o primer momento de emisión.

Tono:

Permite distinguir los sonidos agudos de los graves, siendo los agudos los producidos por focos que vibran a frecuencias elevadas y los graves los que vibran a frecuencias bajas. El tono representa la posición del sonido en la escala musical y es en función de la frecuencia.

En general, el tono de un sonido complejo es el de su onda fundamental o frecuencia más prominente, sin embargo, si el sonido esta formado por un grupo de componentes que difieren en un número igual de Hertzios, el tono aparente puede ser precisamente el de esa diferencia de frecuencia.

Cualquier frecuencia que produzca una sensación de tono dos veces mayor que la fundamental, se denomina un octavo u octava por encima de esta. Las octavas representan pliegues de la frecuencias y una banda de octava será el espacio de frecuencias comprendidas entre dos octavas consecutivas. Una progresión de octavas típicas puede ser 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000, ...Hz.