La ciencia del sonido
La frecuencia de las ondas sonoras determina su tono y se suele medir en hercios (Hz), una unidad que equivale a una onda por segundo. El oído humano es capaz de percibir un amplio rango de frecuencias: aproximadamente de 20 a 20.000 Hz. La amplitud es una descripción de la potencia de la onda de un sonido; el volumen de un sonido aumenta en función de la amplitud de su onda sonora.
LA MÚSICA CONSISTE EN MEZCLAR DIFERENTES FRECUENCIAS Y DIFERENTES AMPLITUDES
Propiedades del Sonido
AMPLITUD (A). Es la máxima altura que alcanza la onda. Se mide en metros (m). Cuanto mayor sea la amplitud de la onda, (A), mayor será su intensidad. Por lo tanto, el sonido se oirá más fuerte. Se denomina SONORIDAD a la componente de la percepción auditiva relacionada con la intensidad acústica. Esta sensación, debida sobre todo a la presión acústica, permite diferenciar un sonido fuerte de un débil.
FRECUENCIA (f): Un ciclo u oscilación es el recorrido de cada partícula desde que inicia una vibración hasta que vuelve a la posición inicial y se mide en metros (m). La frecuencia es el número de oscilaciones de la partícula vibrante por segundo. Un objeto pesado vibra más lentamente que un objeto ligero. El objeto pesado vibrará a baja frecuencia y el objeto ligero a alta frecuencia. Para medir dicha frecuencia utilizamos los Hertz (Hz) o ciclos por segundo. El humano es capaz de percibir vibraciones de entre 20 Hz y 20,000 Hz (20 kHz) aproximadamente.
PERIODO (T) es el tiempo en el que una partícula realiza una vibración (oscilación) completa. Se mide en segundos (s). Periodo y frecuencia están relacionados, f=1/T.
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FASE DE LAS ONDAS
Si tenemos dos ondas iguales y las mezclamos haciendo que los picos de ambas coincidan, tendremos una onda con el doble de volumen. Pero, si retrasamos una de las dos señales, 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 polaridad invertida con respecto a la otra. Inicialmente sus sonidos (escuchados separadamente) siguen siendo igual que antes, el haber retrasado una no ha cambiado su sonido; sin embargo al escucharlas juntas sus intensidades se han anulado por tener la fase invertida.
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. Y lo mismo pasa con los valles de la primera coincidiendo con los picos de la segunda. 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.
La fase se puede medir en grados como si fueran ángulos: en la primera imagen, las dos ondas tienen la misma fase, por lo tanto la diferencia entre ellas es de 0º. En la segunda imagen, las ondas se cancelan entre sí, la fase de 180º es lo más diferente que pueden ser dos ondas inicialmente iguales. Si sumamos dos ondas con una fase de 90º se producirá una onda más compleja que las iniciales, no se cancelará siempre sino en algunos momentos, en otros momentos se sumarán las intensidades.
Prácticamente todos los sonidos que percibimos son generados por cuerpos que vibran a distintas frecuencias simultáneamente. Por ejemplo, al pulsar una cuerda de guitarra, ésta vibrará a distintas frecuencias al mismo tiempo. Sin embargo habrá una frecuencia que predomine, mira le video en cámara lenta.
La frecuencia más baja a la que vibra un objeto se llama frecuencia fundamental. Las otras frecuencias de vibración son llamadas sobretonos. Cuando estos sobretonos son frecuencias múltiplos de la fundamental reciben el nombre de armónicos. ¡Uff! veamos un ejemplo para aclararlo:
La cuerda más gruesa de la guitarra tiene una frecuencia fundamental de 80 Hz (nota E). Las otras frecuencias a las que vibra esa misma cuerda son: 160 Hz | 240 Hz | 320 Hz | 400 Hz | 480 Hz | etc. Todos estos sobretonos son múltiplos de 80 Hz, por lo tanto son llamados armónicos. Los armónicos suelen tener una intensidad muy variada, es decir, unos suenan más fuerte que otros. Esto depende de muchos factores, como el tipo de material, la fuerza y forma de tocar, el punto de la cuerda donde la pulsamos, entre otros.
El espectro audible varía según cada persona y se altera con la edad por eso es muy importante cuidarlo y no exponerlo a sonidos o ruidos muy fuertes que pueden dañarlo irremediablemente. El espectro audible podemos subdividirlo en función de los tonos:
- Tonos graves: frecuencias bajas, correspondientes a las 4 primeras octavas, esto es, desde los 16 Hz a los 256 Hz.
- Tonos medios: frecuencias medias, correspondientes a las octavas quinta, sexta y séptima, esto es, de 256 Hz a 2 kHz.
- Tonos agudos: frecuencias altas, correspondientes a las tres últimas octavas, esto es, de 2 kHz hasta poco más de 16 kHz.
LA PERCEPCIÓN DEL SONIDO
Curvas Fletcher-Munson – Las curvas de Fletcher Munson o curvas isofónicas (de igual sonoridad) son el resultado de la comprobación experimental de la relación entre cómo de alto se percibe un sonido por el oído humano a lo largo de la banda audible.
Se definieron 3 redes de ponderación distintas para ser utilizadas en función del nivel de sonoridad a analizar:
Red de ponderación A: Adecuada para niveles de 40 fonios.
Red de ponderación B: Adecuada para niveles de 70 fonios.
Red de ponderación C: Adecuada para niveles de 100 fonios.
Posteriormente se definió la red de ponderación D, pensada para ser utilizada específicamente en ruido de aviones.
El oído humano no es sensible de la misma manera a las diferentes frecuencias. Para un mismo nivel de presión sonora, un ruido será tanto más molesto cuanto mayor proporción de altas frecuencias contenga. Basándose en las curvas de isosonoridad del oído humano se definieron una serie de filtros con la pretensión de ponderar la señal recogida por el micrófono de acuerdo con la sensibilidad del oído, es decir, atenuando las frecuencias bajas, para poder reflejar un nivel sonoro representativo de la sensación de ruido realmente recibida.
Para tener en cuenta esta sensibilidad se introduce en la medida del ruido el concepto de filtros de ponderación. Estos filtros actúan de manera que los niveles de presión de cada banda de frecuencia son corregidos en función de la frecuencia según unas curvas de ponderación. Con este criterio se han definido varios filtros, siendo los más conocidos los denominados A, B, C y D.
El filtro utilizado en el dominio del ruido del transporte es el A, y los niveles de presión sonora utilizados se miden en decibelios A, dBA.
En Occidente se suele dividir el espectro audible en 11 secciones que denominamos octavas. El término de octava se toma de una escala musical. La octava es el intervalo entre dos sonidos que tienen una relación de frecuencias igual a 1:2 y que corresponde a ocho notas de una escala musical diatónica; o trece en una escala cromática. Por ejemplo: si comenzamos con una nota como DO, la octava completa será: DO-RE-MI-FA-SOL-LA-SI-DO. Si el primer LA estaba afinado en 440 Hz el segundo LA (octava siguiente) estará en 880 Hz y el anterior, 220Hz.
- La primera y segunda octava (los tonos más graves, 16 – 64 Hz). No todas las personas son capaces de percibirlos, depende de la sensibilidad del oído de cada persona.
- La tercera y cuarta octava (tonos graves medios, 64 – 250 Hz).
- La Quinta, Sexta y Séptima octava (tonos medios, 250 Hz – 2.000 Hz). Contienen el tono fundamental y los primeros armónicos de la mayoría de las fuentes sonoras.
- La octava (tonos agudos, 2.000 Hz – 4.096 Hz). Comprende el margen en que el oído humano tiene mayor sensibilidad.
- La novena y décima octava (tonos agudos de frecuencia alta, 4.097 a 16.000 Hz). Corresponden a un chirrido desagradable y por ello no se utilizan para hacer música.
- La undécima octava (los tonos más agudos del espectro audible, 16.000 a 20.000 Hz). No todas las personas son capaces de percibirlos, depende de la sensibilidad del oído de cada persona.
La octava se puede dividir en valores más pequeños, por ejemplo: la media octava (divide cada octava en dos) y el tercio de octava (cada intervalo de la octava se divide en tres partes).
En la práctica musical occidental la octava suele dividirse en una escala cromática, compuesta por 12 semitonos que determina lo que se conoce como altura musical.
CAMPO LIBRE | CAMPO REVERBERANTE
El campo sonoro se define como el Nivel de Presión Sonora (SPL) en cada punto de un espacio y se compone de campo directo y campo reverberante.
- Campo directo (LD): Para distancias próximas a la fuente sonora, predomina el sonido directo. El nivel sonoro disminuye -6dB cada vez que se dobla la distancia, de la misma manera que en el espacio libre.
- Campo reverberante (LR): Para distancias alejadas de la fuente sonora predomina el sonido reverberante.
