Sonar


En física , el sonido es una vibración que se propaga como una onda acústica , a través de un medio de transmisión como un gas, líquido o sólido.

Un tambor produce sonido a través de una membrana vibratoria .

En fisiología y psicología humanas , el sonido es la recepción de tales ondas y su percepción por parte del cerebro . [1] Solo las ondas acústicas que tienen frecuencias que se encuentran entre aproximadamente 20 Hz y 20 kHz, el rango de frecuencia de audio , provocan una percepción auditiva en los seres humanos. En el aire a presión atmosférica, representan ondas sonoras con longitudes de onda de 17 metros (56 pies) a 1,7 centímetros (0,67 pulgadas). Las ondas de sonido por encima de 20  kHz se conocen como ultrasonido y no son audibles para los humanos. Las ondas sonoras por debajo de 20 Hz se conocen como infrasonido.. Las diferentes especies animales tienen diferentes rangos de audición .

La acústica es la ciencia interdisciplinaria que se ocupa del estudio de las ondas mecánicas en gases, líquidos y sólidos, incluidas la vibración , el sonido, el ultrasonido y el infrasonido. Un científico que trabaja en el campo de la acústica es un acústico , mientras que alguien que trabaja en el campo de la ingeniería acústica puede llamarse ingeniero acústico . [2] Un ingeniero de audio , por otro lado, se ocupa de la grabación, manipulación, mezcla y reproducción del sonido.

Las aplicaciones de la acústica se encuentran en casi todos los aspectos de la sociedad moderna, las subdisciplinas incluyen aeroacústica , procesamiento de señales de audio , acústica arquitectónica , bioacústica , electroacústica, ruido ambiental , acústica musical , control de ruido , psicoacústica , habla , ultrasonido , acústica subacuática y vibración. . [3]

El sonido se define como "(a) Oscilación de presión, tensión, desplazamiento de partículas, velocidad de partículas, etc., propagada en un medio con fuerzas internas (p. Ej., Elásticas o viscosas), o la superposición de dicha oscilación propagada. (B) Auditiva sensación evocada por la oscilación descrita en (a) ". [4] El sonido puede verse como un movimiento ondulatorio en el aire u otros medios elásticos. En este caso, el sonido es un estímulo. El sonido también puede verse como una excitación del mecanismo auditivo que da como resultado la percepción del sonido. En este caso, el sonido es una sensación .

Física del sonido

Experimente con dos diapasones que normalmente oscilan a la misma frecuencia . Una de las horquillas está siendo golpeada con un mazo de goma. Aunque solo se ha golpeado el primer diapasón, el segundo diapasón está visiblemente excitado debido a la oscilación provocada por el cambio periódico en la presión y densidad del aire al golpear el otro tenedor, creando una resonancia acústica entre las horquillas. Sin embargo, si colocamos una pieza de metal en una punta, vemos que el efecto se amortigua y las excitaciones se vuelven cada vez menos pronunciadas a medida que la resonancia no se logra con la misma eficacia.

El sonido se puede propagar a través de un medio como el aire, el agua y los sólidos como ondas longitudinales y también como una onda transversal en los sólidos (consulte Ondas longitudinales y transversales , más adelante). Las ondas sonoras son generadas por una fuente de sonido, como el diafragma vibratorio de un altavoz estéreo. La fuente de sonido crea vibraciones en el medio circundante. A medida que la fuente continúa haciendo vibrar el medio, las vibraciones se propagan lejos de la fuente a la velocidad del sonido , formando así la onda sonora. A una distancia fija de la fuente, la presión , la velocidad y el desplazamiento del medio varían con el tiempo. En un instante en el tiempo, la presión, la velocidad y el desplazamiento varían en el espacio. Tenga en cuenta que las partículas del medio no viajan con la onda de sonido. Esto es intuitivamente obvio para un sólido, y lo mismo es cierto para líquidos y gases (es decir, las vibraciones de las partículas en el gas o líquido transportan las vibraciones, mientras que la posición promedio de las partículas a lo largo del tiempo no cambia). Durante la propagación, las ondas pueden ser reflejadas , refractadas o atenuadas por el medio. [5]

El comportamiento de la propagación del sonido generalmente se ve afectado por tres cosas:

  • Una relación compleja entre la densidad y la presión del medio. Esta relación, afectada por la temperatura, determina la velocidad del sonido dentro del medio.
  • Movimiento del propio medio. Si el medio se está moviendo, este movimiento puede aumentar o disminuir la velocidad absoluta de la onda de sonido dependiendo de la dirección del movimiento. Por ejemplo, el sonido que se mueve a través del viento tendrá su velocidad de propagación aumentada por la velocidad del viento si el sonido y el viento se mueven en la misma dirección. Si el sonido y el viento se mueven en direcciones opuestas, la velocidad de la onda de sonido disminuirá por la velocidad del viento.
  • La viscosidad del medio. La viscosidad media determina la velocidad a la que se atenúa el sonido. Para muchos medios, como el aire o el agua, la atenuación debida a la viscosidad es insignificante.

Cuando el sonido se mueve a través de un medio que no tiene propiedades físicas constantes, puede refractarse (ya sea disperso o enfocado). [5]

Ondas de compresión esféricas (longitudinales)

Las vibraciones mecánicas que pueden interpretarse como sonido pueden viajar a través de todas las formas de materia : gases, líquidos, sólidos y plasmas . La materia que sustenta el sonido se llama medio . El sonido no puede viajar a través del vacío . [6] [7]

Ondas longitudinales y transversales

El sonido se transmite a través de gases, plasma y líquidos como ondas longitudinales , también llamadas ondas de compresión . Requiere un medio para propagarse. Sin embargo, a través de los sólidos, se puede transmitir como ondas longitudinales y transversales . Las ondas sonoras longitudinales son ondas de desviaciones alternas de presión de la presión de equilibrio , que provocan regiones locales de compresión y rarefacción , mientras que las ondas transversales (en sólidos) son ondas de esfuerzo cortante alterno en ángulo recto con la dirección de propagación.

Las ondas sonoras se pueden "ver" usando espejos parabólicos y objetos que producen sonido. [8]

La energía transportada por una onda de sonido oscilante se convierte de un lado a otro entre la energía potencial de la compresión adicional (en el caso de ondas longitudinales) o la deformación por desplazamiento lateral (en el caso de ondas transversales) de la materia y la energía cinética de la velocidad de desplazamiento. de partículas del medio.

Transverse plane wave in linear polarization, i.e. oscillating only in the y-direction
Onda de plano transversal
Onda de plano longitudinal y transversal

Propiedades y características de las ondas sonoras

Un gráfico de 'presión sobre el tiempo' de una grabación de 20 ms de un tono de clarinete demuestra los dos elementos fundamentales del sonido: presión y tiempo.
Los sonidos se pueden representar como una mezcla de sus componentes Ondas sinusoidales de diferentes frecuencias. Las ondas de fondo tienen frecuencias más altas que las de arriba. El eje horizontal representa el tiempo.

Aunque existen muchas complejidades relacionadas con la transmisión de sonidos, en el punto de recepción (es decir, los oídos), el sonido se puede dividir fácilmente en dos elementos simples: presión y tiempo. Estos elementos fundamentales forman la base de todas las ondas sonoras. Pueden usarse para describir, en términos absolutos, cada sonido que escuchamos.

Para comprender el sonido de manera más completa, una onda compleja como la que se muestra en un fondo azul a la derecha de este texto, generalmente se separa en sus partes componentes, que son una combinación de varias frecuencias de ondas de sonido (y ruido). [9] [10] [11]

Las ondas sonoras a menudo se simplifican a una descripción en términos de ondas planas sinusoidales , que se caracterizan por estas propiedades genéricas:

  • Frecuencia , o su longitud de onda inversa
  • Amplitud , presión o intensidad del sonido
  • Velocidad del sonido
  • Dirección

El sonido que es perceptible por los humanos tiene frecuencias de aproximadamente 20 Hz a 20 000 Hz. En aire a temperatura y presión estándar , las longitudes de onda correspondientes de las ondas sonoras oscilan entre 17 m (56 pies) y 17 mm (0,67 pulgadas). A veces, la velocidad y la dirección se combinan como un vector de velocidad ; el número y la dirección de onda se combinan como un vector de onda .

Las ondas transversales , también conocido como corte olas, tienen la propiedad adicional, la polarización , y no son una característica de las ondas sonoras.

Velocidad del sonido

US Navy F / A-18 acercándose a la velocidad del sonido. El halo blanco está formado por gotas de agua condensada que se cree que son el resultado de una caída en la presión del aire alrededor de la aeronave (ver la singularidad de Prandtl-Glauert ). [12]

La velocidad del sonido depende del medio por el que pasan las ondas y es una propiedad fundamental del material. Isaac Newton realizó el primer esfuerzo significativo para medir la velocidad del sonido . Creía que la velocidad del sonido en una sustancia en particular era igual a la raíz cuadrada de la presión que actúa sobre ella dividida por su densidad:

Más tarde se demostró que esto era incorrecto y el matemático francés Laplace corrigió la fórmula deduciendo que el fenómeno del viaje del sonido no es isotérmico, como creía Newton, sino adiabático . Añadió otro factor a la ecuación, gamma, y multiplicó por , llegando así a la ecuación . Desde, la ecuación final resultó ser , que también se conoce como ecuación de Newton-Laplace. En esta ecuación, K es el módulo de volumen elástico, c es la velocidad del sonido yes la densidad. Por tanto, la velocidad del sonido es proporcional a la raíz cuadrada de la relación entre el módulo volumétrico del medio y su densidad.

Esas propiedades físicas y la velocidad del sonido cambian con las condiciones ambientales. Por ejemplo, la velocidad del sonido en los gases depende de la temperatura. En aire a 20 ° C (68 ° F) al nivel del mar, la velocidad del sonido es de aproximadamente 343 m / s (1230 km / h; 767 mph) utilizando la fórmula v  [m / s] = 331 + 0,6  T  [° C ] . La velocidad del sonido también es ligeramente sensible, al estar sujeta a un efecto anarmónico de segundo orden , a la amplitud del sonido, lo que significa que existen efectos de propagación no lineal, como la producción de armónicos y tonos mixtos no presentes en el sonido original ( ver matriz paramétrica ). Si los efectos relativistas son importantes, la velocidad del sonido se calcula a partir de las ecuaciones relativistas de Euler .

En agua dulce, la velocidad del sonido es de aproximadamente 1.482 m / s (5.335 km / h; 3.315 mph). En acero, la velocidad del sonido es de aproximadamente 5.960 m / s (21.460 km / h; 13.330 mph). El sonido se mueve más rápido en hidrógeno atómico sólido a unos 36.000 m / s (129.600 km / h; 80.530 mph). [13] [14]

Un uso distinto del término sonido de su uso en física es el de fisiología y psicología, donde el término se refiere al sujeto de la percepción por parte del cerebro. El campo de la psicoacústica está dedicado a estos estudios. El diccionario Webster de 1936 definió el sonido como: "1. La sensación de oír, lo que se escucha; especif .: a. Psicofísica. Sensación debida a la estimulación de los nervios auditivos y los centros auditivos del cerebro, generalmente por vibraciones transmitidas en un medio material , comúnmente aire, que afecta el órgano de la audición. b. Física. Energía vibratoria que ocasiona tal sensación. El sonido se propaga por perturbaciones vibratorias longitudinales progresivas (ondas sonoras) ". [15] Esto significa que la respuesta correcta a la pregunta: " si un árbol cae en el bosque sin que nadie lo oiga, ¿emite un sonido? " Es "sí" y "no", dependiendo de si se respondieron utilizando la definición física o psicofísica, respectivamente.

La recepción física del sonido en cualquier organismo auditivo se limita a un rango de frecuencias. Los seres humanos normalmente escuchan frecuencias de sonido entre aproximadamente 20  Hz y 20 000 Hz (20  kHz ), [16] : 382 El límite superior disminuye con la edad. [16] : 249 A veces, el sonido se refiere solo a aquellas vibraciones con frecuencias que están dentro del rango auditivo de los humanos [17] o, a veces, se relaciona con un animal en particular. Otras especies tienen diferentes rangos de audición. Por ejemplo, los perros pueden percibir vibraciones superiores a 20 kHz.

Como señal percibida por uno de los sentidos principales , muchas especies utilizan el sonido para detectar peligro , navegación , depredación y comunicación. La atmósfera , el agua y prácticamente cualquier fenómeno físico de la Tierra , como el fuego, la lluvia, el viento, el oleaje o los terremotos, produce (y se caracteriza por) sus sonidos únicos. Muchas especies, como ranas, aves, mamíferos marinos y terrestres , también han desarrollado órganos especiales para producir sonido. En algunas especies, estos producen canciones y habla . Además, los seres humanos han desarrollado una cultura y tecnología (como la música, el teléfono y la radio) que les permite generar, grabar, transmitir y difundir sonido.

El ruido es un término que se utiliza a menudo para referirse a un sonido no deseado. En ciencia e ingeniería, el ruido es un componente indeseable que oscurece una señal deseada. Sin embargo, en la percepción del sonido a menudo se puede usar para identificar la fuente de un sonido y es un componente importante de la percepción del timbre (ver arriba).

El paisaje sonoro es el componente del entorno acústico que pueden percibir los humanos. El entorno acústico es la combinación de todos los sonidos (ya sean audibles para los humanos o no) dentro de un área determinada modificados por el entorno y comprendidos por las personas, en el contexto del entorno circundante.

Históricamente, existen seis formas separables experimentalmente en las que se analizan las ondas sonoras. Son: tono , duración , volumen , timbre , textura sónica y ubicación espacial . [18] Algunos de estos términos tienen una definición estandarizada (por ejemplo, en la Terminología acústica ANSI ANSI / ASA S1.1-2013 ). Los enfoques más recientes también han considerado la envoltura temporal y la estructura fina temporal como análisis perceptualmente relevantes. [19] [20] [21]

Terreno de juego

Figura 1. Percepción del tono

El tono se percibe como cuán "bajo" o "alto" es un sonido y representa la naturaleza cíclica y repetitiva de las vibraciones que componen el sonido. Para sonidos simples, el tono se relaciona con la frecuencia de la vibración más lenta en el sonido (llamada armónica fundamental). En el caso de sonidos complejos, la percepción del tono puede variar. A veces, las personas identifican diferentes tonos para el mismo sonido, basándose en su experiencia personal de patrones de sonido particulares. La selección de un tono en particular se determina mediante un examen preconsciente de las vibraciones, incluidas sus frecuencias y el equilibrio entre ellas. Se presta especial atención al reconocimiento de armónicos potenciales. [22] [23] Cada sonido se coloca en un continuo de tono de bajo a alto. Por ejemplo: el ruido blanco ( ruido aleatorio distribuido uniformemente en todas las frecuencias) suena más alto en tono que el ruido rosa (ruido aleatorio distribuido uniformemente en octavas) ya que el ruido blanco tiene más contenido de alta frecuencia. La figura 1 muestra un ejemplo de reconocimiento de tono. Durante el proceso de escucha, cada sonido se analiza en busca de un patrón repetitivo (ver Figura 1: flechas naranjas) y los resultados se envían a la corteza auditiva como un tono único de cierta altura (octava) y croma (nombre de la nota).

Duración

Figura 2. Percepción de la duración

La duración se percibe como qué tan "largo" o "corto" es un sonido y se relaciona con las señales de inicio y compensación creadas por las respuestas nerviosas a los sonidos. La duración de un sonido generalmente dura desde el momento en que se nota por primera vez hasta que se identifica que el sonido ha cambiado o cesado. [24] A veces, esto no está directamente relacionado con la duración física de un sonido. Por ejemplo; En un entorno ruidoso, los sonidos entrecortados (sonidos que se detienen y comienzan) pueden sonar como si fueran continuos porque los mensajes de compensación se pierden debido a interrupciones de ruidos en el mismo ancho de banda general. [25] Esto puede ser de gran beneficio para comprender mensajes distorsionados, como señales de radio que sufren interferencias, ya que (debido a este efecto) el mensaje se escucha como si fuera continuo. La figura 2 ofrece un ejemplo de identificación de la duración. Cuando se nota un nuevo sonido (consulte la Figura 2, Flechas verdes), se envía un mensaje de inicio de sonido a la corteza auditiva. Cuando se pierde el patrón repetido, se envía un mensaje de compensación de sonido.

Volumen

Figura 3. Percepción de la sonoridad

La sonoridad se percibe como cuán "fuerte" o "suave" es un sonido y se relaciona con el número total de estimulaciones del nervio auditivo durante períodos de tiempo cíclicos cortos, muy probablemente durante la duración de los ciclos de ondas theta. [26] [27] [28] Esto significa que en períodos cortos, un sonido muy corto puede sonar más suave que un sonido más largo aunque se presenten con el mismo nivel de intensidad. Pasados ​​unos 200 ms, este ya no es el caso y la duración del sonido ya no afecta al volumen aparente del sonido. La Figura 3 da una impresión de cómo se suma la información de sonoridad durante un período de aproximadamente 200 ms antes de enviarse a la corteza auditiva. Las señales más fuertes crean un mayor 'empuje' en la membrana basilar y, por lo tanto, estimulan más nervios, creando una señal de sonoridad más fuerte. Una señal más compleja también crea más descargas nerviosas y, por lo tanto, suena más fuerte (para la misma amplitud de onda) que un sonido más simple, como una onda sinusoidal.

Timbre

Figura 4. Percepción del timbre

El timbre se percibe como la calidad de diferentes sonidos (por ejemplo, el ruido sordo de una roca caída, el zumbido de un taladro, el tono de un instrumento musical o la calidad de una voz) y representa la asignación preconsciente de una identidad sonora a una sonido (por ejemplo, "¡es un oboe!"). Esta identidad se basa en la información obtenida de los transitorios de frecuencia, el ruido, la inestabilidad, el tono percibido y la extensión e intensidad de los armónicos en el sonido durante un período de tiempo prolongado. [9] [10] [11] La forma en que un sonido cambia con el tiempo (ver figura 4) proporciona la mayor parte de la información para la identificación del timbre. Aunque una pequeña sección de la forma de onda de cada instrumento se ve muy similar (vea las secciones expandidas indicadas por las flechas naranjas en figura 4), las diferencias en los cambios a lo largo del tiempo entre el clarinete y el piano son evidentes tanto en el volumen como en el contenido armónico, menos notorios son los diferentes ruidos que se escuchan, como los silbidos del aire del clarinete y los golpes de martillo del piano.

Textura sónica

La textura sónica se relaciona con la cantidad de fuentes de sonido y la interacción entre ellas. [29] [30] La palabra "textura", en este contexto, se relaciona con la separación cognitiva de los objetos auditivos. [31] En música, la textura a menudo se conoce como la diferencia entre unísono , polifonía y homofonía , pero también puede relacionarse (por ejemplo) con un café concurrido; un sonido que podría denominarse " cacofonía ". Sin embargo, la textura se refiere a más que esto. La textura de una pieza orquestal es muy diferente a la textura de un quinteto de metales debido al diferente número de músicos. La textura de un mercado es muy diferente a la de un salón de la escuela debido a las diferencias en las diversas fuentes de sonido.

Localización espacial

La ubicación espacial (ver: localización del sonido ) representa la ubicación cognitiva de un sonido en un contexto ambiental; incluida la ubicación de un sonido tanto en el plano horizontal como en el vertical, la distancia desde la fuente de sonido y las características del entorno sonoro. [31] [32] En una textura gruesa, es posible identificar múltiples fuentes de sonido usando una combinación de ubicación espacial e identificación de timbre. Esta es la razón principal por la que podemos elegir el sonido de un oboe en una orquesta y las palabras de una sola persona en un cóctel.

La presión sonora es la diferencia, en un medio dado, entre la presión local media y la presión en la onda sonora. Un cuadrado de esta diferencia (es decir, un cuadrado de la desviación de la presión de equilibrio) generalmente se promedia en el tiempo y / o el espacio, y una raíz cuadrada de este promedio proporciona un valor cuadrático medio (RMS). Por ejemplo, una presión de sonido de 1 Pa RMS (94 dBSPL) en el aire atmosférico implica que la presión real en la onda de sonido oscila entre (1 atm Pa) y (1 atm Pa), es decir, entre 101323,6 y 101326,4 Pa. Como el oído humano puede detectar sonidos con una amplia gama de amplitudes, la presión sonora se mide a menudo como un nivel en una escala logarítmica de decibelios . El nivel de presión sonora (SPL) o L p se define como

donde p es la raíz cuadrada de la presión sonora y es una presión sonora de referencia. Las presiones sonoras de referencia comúnmente utilizadas, definidas en la norma ANSI S1.1-1994 , son 20 µPa en aire y 1 µPa en agua. Sin una presión sonora de referencia específica, un valor expresado en decibelios no puede representar un nivel de presión sonora.

Dado que el oído humano no tiene una respuesta espectral plana , las presiones sonoras suelen ponderarse en frecuencia para que el nivel medido coincida más estrechamente con los niveles percibidos. La Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) ha definido varios esquemas de ponderación. Los intentos de ponderación A para hacer coincidir la respuesta del oído humano al ruido y los niveles de presión sonora ponderados A se denominan dBA. La ponderación C se utiliza para medir los niveles máximos.

Rangos de frecuencia aproximados correspondientes a los ultrasonidos, con una guía aproximada de algunas aplicaciones

El ultrasonido son ondas sonoras con frecuencias superiores a 20.000 Hz (o 20 kHz). El ultrasonido no se diferencia del sonido "normal" (audible) en sus propiedades físicas, excepto en que los humanos no pueden oírlo. Los dispositivos de ultrasonido operan con frecuencias desde 20 kHz hasta varios gigahercios.

El ultrasonido se usa comúnmente para diagnósticos médicos como sonogramas .

El infrasonido son ondas sonoras con frecuencias inferiores a 20 Hz. Aunque los sonidos de tan baja frecuencia son demasiado bajos para que los humanos los escuchen, las ballenas, los elefantes y otros animales pueden detectar infrasonidos y usarlos para comunicarse. Puede usarse para detectar erupciones volcánicas y se usa en algunos tipos de música. [33]

Fuentes de sonido
  • Auriculares
  • Instrumento musical
  • Sonar
  • Caja se Sonidos
  • Reproducción de sonido
Medida de sonido
  • Impedancia acústica
  • Velocidad acústica
  • Impedancia característica
  • Escala de mel
  • Aceleración de partículas
  • Amplitud de partícula
  • Desplazamiento de partículas
  • velocidad de partícula
  • Phon
  • Sone
  • Flujo de energía sonora
  • Impedancia de sonido
  • Nivel de intensidad de sonido
  • Potencia de sonido
  • Nivel de potencia acústica
General
  • Teoría acústica
  • Golpear
  • efecto Doppler
  • Eco
  • Infrasonido : sonido a frecuencias extremadamente bajas
  • Lista de sonidos inexplicables
  • Tono musical
  • Resonancia
  • Reverberación
  • Armamento sónico
  • Síntesis de sonido
  • Insonorización
  • Acústica estructural

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