Acústica

A acústica é unha ciencia interdisciplinaria que estuda o son, infrasón e ultrasón, é dicir, ondas mecánicas que se propagan a través da materia (tanto sólida como líquida ou gasosa) (non se propagan no baleiro). A efectos prácticos, a acústica estuda a produción, transmisión, almacenamento, percepción ou reprodución do son.

Sobretonos dunha corda vibratoria. Pitágoras foi o primeiro en estudar este fenómeno.

Historia

Primeiros traballos

A ciencia da acústica ten a súa orixe na Antiga Grecia e Roma, entre os séculos VI a. C. e I d. C. Comezou coa música, que viña practicando como arte desde había miles de anos, pero non fora estudada de forma científica ata que Pitágoras interesouse pola natureza dos intervalos musicais. Quería saber porqué algúns intervalos soaban máis belos que outros, e chegou a respostas en forma de proporcións numéricas. Aristóteles (384 a 322 a. C.) comprobou que o son consistía en contraccións e expansións do aire "caendo sobre e golpeando o aire próximo", unha boa forma de expresar a natureza do movemento das ondas. Ao redor do ano 20 a. C., o arquitecto e enxeñeiro romano Vitruvio escribiu un tratado sobre as propiedades acústicas dos teatros, incluíndo temas como a interferencia, os ecos, e a reverberación; isto supuxo o comezo da acústica arquitectónica.

A comprensión da física dos procesos acústicos avanzou rapidamente durante e logo da Revolución Científica. Galileo (1564-1642) e Mersenne (1588-1648) descubriron de forma independente todas as leis da corda vibrante, terminando así o traballo que Pitágoras comezara 2000 anos antes. Galileo escribiu "As ondas son producidas polas vibracións dun corpo sonoro, que se difunden polo aire, levando ao tímpano do oído un estímulo que a mente interpreta como son", sentando así o comezo da acústica fisiológica e da psicolóxica.

Entre 1630 e 1680 realizáronse medicións experimentais da velocidade do son no aire por unha serie de investigadores, destacando de entre eles Mersenne. Mentres tanto, Newton (1642-1727) obtivo a fórmula para a velocidade de onda en sólidos, un dos alicerces da física acústica (Principia, 1687).

Da Ilustración en diante

O século XVIII viu grandes avances en acústica a mans dos grandes matemáticos da época, que aplicaron novas técnicas de cálculo á elaboración da teoría da propagación das ondas. No século XIX, os xigantes da acústica eran Helmholtz en Alemaña, que consolidou a acústica fisiolóxica, e Lord Rayleigh en Inglaterra, que combinou os coñecementos previos con abundantes achegas propias na súa monumental obra "A teoría do son". Tamén durante ese século, Wheatstone, Ohm e Henry desenvolveron a analoxía entre electricidade e acústica.

Durante o século XX apareceron moitas aplicacións tecnolóxicas do coñecemento científico previo. A primeira foi o traballo de Sabine na acústica arquitectónica, seguido de moitos outros. A acústica subacuática foi utilizada para detectar submarinos na primeira guerra mundial. A gravación sonora e o teléfono foron importantes para a transformación da sociedade global. A medición e análise do son alcanzaron novos niveis de precisión e sofisticación a través do uso da electrónica e a informática. O uso das frecuencias ultrasónicas permitiu novos tipos de aplicacións no medicamento e a industria. Tamén se inventaron novos tipos de transdutores (xeradores e receptores de enerxía acústica).

Ramas

As ramas da acústica son, entre outras:

• Aeroacústica: xeración de son debido ao movemento turbulento do aire.
• Acústica arquitectónica: estudo do control do son, tanto do illamento entre recintos habitables, como do acondicionamento acústico de locais (salas de concertos, teatros etc.), amortecéndoo mediante materiais brandos, ou reflectíndoo con materiais duros.
• Psicoacústica: estuda a percepción do son en humanos, a capacidade para localizar espacialmente a fonte, a calidade observada dos métodos de compresión de son etcétera.
• Bioacústica: estudo da audición animal (morcegos, cans, delfíns etc.)
• Acústica subacuática: relacionada sobre todo coa detección de obxectos mediante o son do sonar.
• Acústica musical: estudo da produción de son nos instrumentos musicais, e dos sistemas de afinación da escala.
• Electroacústica: estuda o tratamento electrónico do son, incluíndo a captación (micrófonos e estudos de gravación), procesamento (efectos, filtrado comprensión etc.) amplificación, gravación, produción (altofalantes) etc.
• Acústica fisiolóxica: estudo do funcionamento do aparello auditivo, desde a orella á cortiza cerebral.
• Acústica fonética: análise das características acústicas do fala e as súas aplicacións.
• Física acústica: análise dos fenómenos sonoros mediante modelos físicos e matemáticos.
• Macroacústica: estudo dos sons extremadamente intensos, como o das explosións, turborreactores, entre outros.

Conceptos fundamentais da acústica

O estudo da acústica enténdese a través da xeración, propagación e recepción de ondas mecánicas e vibracións.

Os pasos mostrados no diagrama de arriba poden ser encontrados en calquera evento acústico. Poden existir moitos tipos de causas, tanto naturais como provocadas. Tamén hai moitos tipos de procesos transdutores que convertan unha enerxía de calquera tipo en enerxía sonora, producindo unha onda sonora. Hai unha ecuación fundamental que describe a propagación da onda sonora, pero os fenómenos que xorden dela son variados e complexos. A onda leva enerxía a través do medio de propagación. Ao final, a enerxía é convertida outra vez noutra forma, de xeito, outra vez, natural ou provocado. O efecto final pode ser puramente físico ou pode alcanzar dominios biolóxicos e deliberados. Os cinco pasos básicos poden ser atopados da mesma forma tanto se falamos de terremotos, dun submarino empregando un sonar ou dun grupo musical dando un concerto.

A parte central no proceso acústico é a propagación da onda. Isto estúdase coa física acústica. Nos fluídos, o son propágase fundamentalmente como onda de presión. Nos sólidos, as ondas mecánicas poden ter diversas formas, podendo ser lonxitudinais, transversais e superficiais.

A acústica fíxase principalmente nos niveis de presión e nas frecuencias da onda sonora, sendo tamén de especial importancia os procesos da transdución.

Propagación da onda: niveis de presión

Artigo principal: Presión sonora.

Espectrograma dunha rapaza dicindo "oh, no"

Nos fluídos, como son o ar e a auga, as ondas sonoras propáganse como alteración do nivel de presión do ambiente. Cando esta alteración é pequena, pode ser captada por un oído humano. O menor son que un humano pode oír, o coñecido como limiar de audición, é nove veces menor que o nivel de presión ambiental. O valor desta alteración é denominado nivel de presión sonora (SPL polas súas siglas en inglés, "sound pressure level"), e é medido mediante unha escala logarítmica en decibeis.

Propagación da onda: frecuencia

Os físicos e os enxeñeiros de son tenden a falar dos niveis de presión sonora en base á frecuencia, en parte porque así é como os nosos oídos interpretan o son. O que nos interpretamos como sons agudos ou graves son vibracións de presión tendo un maior ou menor número de ciclos por segundo. Nunha técnica común da medición acústica, os sinais acústicos son mostrexados nun tempo, e logo presentados en formas tales como en bandas de oitavas ou diagramas de tempo-frecuencia. Estes dous métodos son populares na análise do son para mellor entendemento dos fenómenos acústicos.

O espectro enteiro pode ser dividido en tres seccións: son, ultrasón, e infrasón. O rango do son está comprendido entre os 20 Hz e 20.000 Hz. Este rango é o máis importante pois é o que pode ser detectado polo oído humano, tendo importantes usos, como a fala ou a música. O rango dos ultrasónicos refírese ás máis altas frecuencias, superiores a 20.000 Hz. Este rango ten ondas de curta lonxitude que se empregan en aplicación médicas tales como as ultrasonografías e as elastografías. Ao outro lado do espectro están as baixas frecuencias no rango dos infrasón, que se empregan, por exemplo, para estudar fenómenos xeolóxicos como os terremotos.

Os instrumentos de análise tales como o analizador de espectro facilitan a visualización e medición dos sinais acústicos e as súas propiedades. O espectograma producido por un espectómetro é unha mostra gráfica sobre o tempo variando o nivel de presión e a frecuencia.

Transdución acústica

Un altofalante barateiro de 3,5 polgadas, tipicamente empregado en pequenas radios

Un transdutor é un elemento que converte unha enerxía noutra. Nun contexto electroacústico, isto significa converter a enerxía sonora en electricidade e ao revés, como poden ser altofalantes, micrófonos, hidrófonos, sonars... Estes aparellos converten unha onda de presión sonora en sinal eléctrico ou viceversa. Os transdutores máis empregados seguen principios electromagnéticos, electrostáticos e piezoeléctricos.

Os transdutores da maioría dos altofalantes, (por exemplo woofers e tweeters), son sistemas electromagnéticos que xeran ondas usando un diafragma suspendido movido por unha bobina de voz electromagnética, enviando para fóra ondas de presión. Os micrófonos Electret e condensadores empregan a electrostática, cando a onda sonora golpea o diafragma do micrófono, este móvese e produce un cambio de voltaxe. Os sistemas de ultrasón empregados na ultrasonografía médica empregan transdutores piezoeléctricos. Estes están feitos dunhas cerámicas especiais onde as vibracións mecánicas e os campos eléctricos están interligados polas propias propiedades do propio material.

Véxase tamén

Bibliografía

• Rayleigh, J. W. S. (1894). "The Theory of Sound". Dover (New York, NY, United States).