Antena de bocina

Antena de bocina

Antena de bocina

A. Campos sonoros directo, reflejado y reverberante B. Reverberación

Acústica Aunque la acústica es la ciencia que estudia el sonido en general, últimamente se relaciona con el estudio arquitectónico de espacios para escuchar música, discursos, etc. El sonido es el resultado de pequeñas variaciones de presión atmosférica que se producen con gran rapidez. Estas variaciones rápidas de presión se propagan en el aire en forma de ondas sonoras a una velocidad de 345 m/s, aunque esta velocidad varía en función de algunos parámetros, sobre todo de la temperatura. Las ondas sonoras tienen dos características principales: la frecuencia y la amplitud. - la frecuencia mide la rapidez con que se producen las variaciones de presión. Si por ejemplo hablamos de un sonido que tiene una frecuencia de 1.000 Hz, queremos decir que se producen 1.000 variaciones de presión por segundo. - la amplitud nos indica la magnitud de estas variaciones de presión. Si la amplitud es grande oiremos un sonido fuerte y si es pequeña, un sonido flojo. Como el margen de amplitudes es muy amplio (desde 0,00002 Nw/m2) hasta 100.000 Nw/m2) se emplea una escala comprimida para que sea más manejable. Así pues mediremos la amplitud en decibelios (dB). Para entender bien cómo se comporta el sonido dentro de una sala cerrada, también se introduce el concepto de longitud de onda. Se conoce como longitud de onda al espacio necesario para que una onda sonora realice un ciclo completo. Es decir, la distancia necesaria para que la presión aumente ligeramente por encima del valor de la presión atmosférica, disminuya a continuación hasta un valor inferior al de la presión atmosférica y aumente nuevamente hasta ese mismo valor. El número de veces que se repite este ciclo en un segundo es precisamente la frecuencia de la onda. Teniendo en cuenta que el rango de frecuencias que un ser humano puede percibir está comprendido entre 20 Hz y 20.000 Hz, las longitudes de onda para estas frecuencias audibles límite son 1,7 cm para la más alta y 17,25 m para la más baja. La diferencia es muy considerable y las consecuencias acústicas muy importantes. En primer lugar, los objetos que se encuentran en el camino de una onda sonora, representan un obstáculo sólo si su tamaño es bastante mayor que su longitud de onda. Es por eso por lo que las ondas de sonidos agudos (las de mayor frecuencia) se ven seriamente afectadas por cualquier objeto medianamente grande mientras que las de los sonidos graves apenas se ven obstaculizadas.

Otra consecuencia importante es que cuanto más alta es la frecuencia más tenderá a comportarse frente a las superficies planas como un rayo de luz frente a un espejo. Esto es, que la onda se reflejará en las paredes, suelo y techo. Si la reflexión es importante, la calidad del sonido se verá muy afectada. Aunque parece que sólo los sonidos agudos se ven afectados, los graves también tienen un problema muy común. Cuando la longitud de onda se aproxima a la distancia entre las paredes o entre el suelo y el techo, se produce un fenómeno llamado resonancia. En estas circunstancias, la habitación se comporta como la caja de un tambor favoreciendo determinadas frecuencias. Lamentablemente la mayoría de las salas domésticas tienen dimensiones que están dentro del rango audible por lo que la calidad del sonido se verá afectada. Cada habitación tiene unas características acústicas propias que vienen determinadas por su forma, volumen y capacidad para disipar la energía acústica. Como hemos dicho, la calidad de escucha se ve afectada por las resonancias, que afectan a las frecuencias graves, y por las reflexiones, que afectan a las frecuencias medias y altas. Estas características hacen que cada sala tenga una huella acústica que la hace diferente de las demás. Es por ello que la compra de un equipo de alta fidelidad o de cine en casa de la máxima calidad no garantiza la mejor calidad de sonido sino que la acústica de la sala y la colocación de los altavoces son elementos primordiales.

El Palau de la Música

Fenómenos en la propagación del sonido

1. Reflexión del sonido Una onda se refleja cuando topa con un obstáculo que no puede traspasar ni rodear. El tamaño del obstáculo y la longitud de onda determinan si una onda rodea el obstáculo o se refleja en la dirección de la que provenía.Si el obstáculo es pequeño en relación con la longitud de onda, el sonido lo rodeará (difracción), en cambio, si sucede lo contrario, el sonido se refleja (reflexión). Si la onda se refleja, el ángulo de la onda reflejada es igual al ángulo de la onda incidente, de modo que si una onda sonora incide perpendicularmente sobre la superficie reflejante, vuelve sobre sí misma. La reflexión no actúa igual sobre las altas frecuencias que sobre las bajas. La longitud de onda de las bajas frecuencias es muy grande (pueden alcanzar los 18 metros), por lo que son capaces de rodear la mayoría de obstáculos; en cambio las altas frecuencias no rodean los obstáculos por lo que se producen sombras detrás de ellos y rebotes en su parte delantera.

Fenómenos relacionados con la reflexión ▪ Las ondas estacionarias. Una onda estacionaria se produce por la suma de una onda y su onda reflejada sobre un mismo eje. Dependiendo cómo coincidan las fases de la onda incidente y de la reflejada, se producirán modificaciones en el sonido (aumenta la amplitud o disminuye), por lo que el sonido resultante puede resultar desagradable. En determinadas circunstancias, la onda estacionaria puede hacer que la sala entre en resonancia. ▪ El eco. La señal acústica original se ha extinguido, pero aún no es devuelto el sonido en forma de onda reflejada. El eco se explica por que la onda reflejada nos llega en un tiempo superior al de la persistencia acústica. ▪ La reverberación. Se produce reverberación cuando las ondas reflejadas llegan al oyente antes de la extinción de la onda directa, es decir, en un tiempo menor que el de persistencia acústica del oído.

Reflexión especular y difusa

Eco El eco es un fenómeno relacionado con la reflexión del sonido. La señal acústica original se ha extinguido, pero aún devuelve sonido en forma de onda reflejada. Se produce eco cuando la onda sonora se refleja perpendicularmente en una pared. Para que se produzca eco, la superficie reflectante debe estar separada del foco sonoro una determinada distancia: 17 m para sonidos musicales y 11,34 m para sonidos secos, lo que se debe a la persistencia acústica. El oído puede distinguir separadamente sensaciones que estén por encima del tiempo de persistencia acústica, que es 0,1 s para sonidos musicales y 0,07 s para sonidos secos (palabra). Por tanto, si el oído capta un sonido directo y, después de los tiempos de persistencia especificados, capta el sonido reflejado, se apreciará el efecto del eco.

Reverberación La reverberación es un fenómeno derivado de la reflexión del sonido consistente en una ligera prolongación del sonido una vez que se ha extinguido el original, debido a las ondas reflejadas. Estas ondas reflejadas sufrirán un retardo no superior a 50 milisegundos, que es el valor de la persistencia acústica, tiempo que corresponde, de forma teórica, a una distancia recorrida de 17 metros a la velocidad del sonido (el camino de ida y vuelta a una pared situada a 8'5 metros de distancia). Cuando el retardo es mayor ya no hablamos de reverberación, sino de eco. En un recinto pequeño la reverberación puede resultar inapreciable, pero cuanto mayor es el recinto, mejor percibe el oído este retardo o ligera prolongación del sonido. Para determinar cómo es la reverberación en un determinado recinto se utiliza una serie de parámetros físicos, uno de ellos es conocido como tiempo de reverberación.

Eco y reverberación

2. Refracción del sonido Es la desviación que sufren las ondas en la dirección de su propagación cuando el sonido pasa de un medio a otro diferente. A diferencia de lo que ocurre en el fenómeno de la reflexión, en la refracción, el ángulo de refracción ya no es igual al de incidencia. La refracción se debe a que al cambiar de medio, cambia la velocidad de propagación del sonido. La refracción también puede producirse dentro de un mismo medio, cuando las características de este no son homogéneas, por ejemplo, cuando de un punto a otro de un medio aumenta o disminuye la temperatura. (Ejemplo: Sobre una superficie nevada, el sonido es capaz de desplazarse atravesando grandes distancias. Esto es posible gracias a las refracciones producidas bajo la nieve, que no es medio uniforme. Cada capa de nieve tiene una temperatura diferente. Las más profundas, donde no llega el sol, están más frías que las superficiales. En estas capas más frías próximas al suelo, el sonido se propaga con menor velocidad.)

Refracción óptica e índice de refracción La refracción es el cambio de dirección que experimenta una onda al pasar de un medio material a otro. Sólo se produce si la onda incide oblicuamente sobre la superficie de separación de los dos medios y si éstos tienen índices de refracción distintos. La refracción se origina en el cambio de velocidad que experimenta la onda. El índice de refracción es precisamente la relación entre la velocidad de la onda en un medio de referencia y su velocidad en el medio de que se trate.

3. Difracción del sonido Hablamos de difracción cuando el sonido en lugar de seguir en la dirección normal, se dispersa. La explicación la encontramos en el Principio de Huygens que establece que cualquier punto de un frente de ondas es susceptible de convertirse en un nuevo foco emisor de ondas idénticas a la que lo originó. De acuerdo con este principio, cuando la onda incide sobre una abertura o un obstáculo que impide su propagación, todos los puntos de su plano se convierten en fuentes secundarias de ondas, emitiendo nuevas ondas, denominadas ondas difractadas.

Causas de la difracción La difracción se puede producir por dos motivos diferentes: - porque una onda sonora encuentra a su paso un pequeño obstáculo y lo rodea. Las bajas frecuencias son más capaces de rodear los obstáculos que las altas. Esto es posible porque las longitudes de onda en el espectro audible están entre 3 cm y 12 m, por lo que son lo suficientemente grandes para superar la mayor parte de los obstáculos que encuentran. - porque una onda sonora topa con un pequeño agujero y lo atraviesa.

Influencia de los obstáculos en la difracción del sonido línea azul representa la difracción; la verde, la reflexión y la marrón, refracción La cantidad de difracción estará dada en función del tamaño de la abertura o del obstáculo y de la longitud de onda. Si una abertura es grande en comparación con la longitud de onda, el efecto de la difracción es pequeño. La onda se propaga en líneas rectas o rayos, como la luz. Cuando el tamaño de la abertura es considerable en comparación con la longitud de onda, los efectos de la difracción son grandes y el sonido se comporta como si fuese una luz que procede de una fuente puntual localizada en la abertura.

Propagación en recintos

 Epidauro, Grecia Side, Asia Menor 

Propagación en recintos abiertos y cerrados Campos sonoros creados en recintos abiertos y cerrados; en estos últimos aparecen paredes y otros objetos que absorben y reflejan nuevamente la onda sonora al recinto, de manera que, en un punto cualquiera, el sonido no llega sólo de la fuente sonora sino también de las paredes y los otros objetos que lo reflejan. Un campo sonoro es la región del espacio perturbado por las ondas sonoras. Un recinto abierto es aquél en el que no existen trabas para la propagación; es, por tanto, un área en la que no hay reflexiones; por el contrario, en un recinto cerrado aparecen paredes y otros objetos que absorben y reflejan nuevamente la onda sonora al recinto, de manera que, en un punto cualquiera, el sonido no llega sólo de la fuente sonora, sino también de todos aquellos puntos que lo reflejan.

La huella acústica de cada recinto Las longitudes de onda correspondientes a las frecuencias audibles están comprendidas entre 1,7 cm para la más alta y 17,25 m para la más baja. La diferencia es muy considerable y las consecuencias acústicas muy importantes. ▪ En primer lugar, los objetos que se encuentran en el camino de una onda sonora, representan un obstáculo sólo si su tamaño es bastante mayor que su longitud de onda. Es por eso por lo que las ondas de sonidos agudos (las de mayor frecuencia) se ven seriamente afectadas por cualquier objeto medianamente grande mientras que las de los sonidos graves apenas se ven obstaculizadas. ▪ Otra consecuencia importante es que cuanto más alta es la frecuencia más tenderá a comportarse frente a las superficies planas como un rayo de luz frente a un espejo. Esto es, que la onda se reflejará en las paredes, suelo y techo. Si la reflexión es importante, la calidad del sonido se verá muy afectada. ▪ Aunque parece que sólo los sonidos agudos se ven afectados, los graves también tienen un problema muy común. Cuando la longitud de onda se aproxima a la distancia entre las paredes o entre el suelo y el techo, se produce un fenómeno llamado resonancia. En estas circunstancias, la habitación se comporta como la caja de un tambor favoreciendo determinadas frecuencias. Lamentablemente la mayoría de las salas domésticas tienen dimensiones que están dentro del rango audible por lo que la calidad del sonido se verá afectada. ▪ Cada habitación tiene unas características acústicas propias que vienen determinadas por su forma, volumen y capacidad para disipar la energía acústica. Como hemos visto la calidad de escucha se ve afectada por las resonancias, que afectan a las frecuencias graves, y por las reflexiones, que afectan a las frecuencias medias y altas. Estas características hacen que cada sala tenga una huella acústica que la hace diferente de las demás. Es por ello que la compra de un equipo de alta fidelidad o de cine en casa de la máxima calidad no garantiza la mejor calidad de sonido sino que la acústica de la sala y la colocación de los altavoces son elementos primordiales.

1) influencia de la distancia La distancia del oyente hace que varíe la percepción sonora respecto a otro oyente que está más cerca. En el ejemplo del dibujo se supone un guitarrista que emite sonidos con una potencia sonora tal que el oyente situado a 7 m los reciba con una sensación de 80 fonios. Esos mismos sonidos, a 70 m, se han atenuado 20 dB pero la sensación sonora para este segundo oyente no es igual para ambas frecuencias. Esto es algo que debe tener en cuenta el diseñador de auditorios.

2) influencia de las reflexiones Si en un recinto cerrado se producen reflexiones, la persona que escucha recibe la onda directa y una o más ondas reflejadas, con distinta amplitud y distinta fase cada una de ellas, y con un retraso variable en la recepción. Las reflexiones producidas dependen de tres factores: • de la porosidad y capacidad de absorción del material con el que chocan las ondas • del tamaño del objeto que provoca la reflexión, en relación con la longitud de onda del sonido • del ángulo de incidencia de la onda sonora sobre el material del obstáculo

La onda reflejada produce perturbaciones en la onda directa y puede llegar a anularla si sus intensidades son iguales y las fases contrarias.

Posibilidad de interferencias

Posibilidad de reflexiones múltiples

Consecuencia de las reflexiones múltiples Los sonidos que se reflejan en un recinto llegan al oyente con distinta amplitud y retrasados en el tiempo, por lo que pueden ser muy perjudiciales para la correcta audición.

Posibilidad de reverberación Si las reflexiones desde diversas superficies del recinto llegan con niveles de intensidad decrecientes y a intervalos del orden de las milésimas de segundo, la onda directa se superpone parcialmente a las reflejadas, lo que da lugar a una pérdida considerable de nitidez, denominada retumbo o reverberación.

Reverberación y tiempo de reverberación

El tiempo de reverberación se define como el tiempo que se requiere para que un sonido disminuya hasta una millonésima de su valor inicial, es decir, descendiendo éste 60 dB

La reverberación puede ser beneficiosa o perjudicial para la audición, según la intensidad y la naturaleza del sonido. Debe evitarse en las salas destinadas a reuniones o espectáculos, tales como teatros, pabellones deportivos, aulas, iglesias..., puesto que una reverberación excesiva haría incomprensibles los diálogos. Sin embargo, la reverberación es aprovechada en otro tipo de recintos como son los destinados a la reproducción musical. Por ejemplo, en un auditorio de música orquestal un determinado nivel de reverberación es agradable al oído por la sensación de grandiosidad que le transmite a la música.

Algunos tiempos de reverberación recomendados

Tiempos de reverberación recomendados

Tiempos de reverberación de algunos auditorios mundialmente famosos

El mismo sonido propagándose en recintos con distinta reverberación

Materiales acústicos

¿Qué le pasa a un sonido al incidir sobre un material? En la frontera de un medio propagador, tal que la superficie de un tabique, hay siempre reflexión y refracción parciales. Una parte de la energía sonora se refleja sobre la pared, conforme a las leyes de reflexión de ondas esféricas sobre una superficie plana, cumpliéndose para cada rayo sonoro incidente la igualdad de los ángulos de incidencia y de reflexión. Pero hay otra parte de la energía sonora que se refracta en la pared, y que también la absorbe, y de la que sólo transmite una pequeña fracción a la pieza contigua.

Coeficientes de absorción del sonido Cuando una onda sonora alcanza una superficie, la mayor parte de su energía se refleja, pero un porcentaje de ésta es absorbida por el nuevo medio. Todos los medios absorben un porcentaje de energía que propagan, ninguno es completamente opaco. La capacidad de absorción del sonido de un material es la relación entre la energía absorbida por el material y la energía reflejada por el mismo. Es un valor que varía entre 0 (toda la energía se refleja) y 1 (toda la energía es absorbida). En relación con la absorción ha de tenerse en cuenta: • El coeficiente de absorción que indica la cantidad de sonido que absorbe una superficie en relación con la incidente. • La frecuencia crítica es la frecuencia a partir de la cual una pared rígida empieza a absorber parte de la energía de las ondas incidentes.

Eliminar reflexiones indeseadas En general, se puede decir que hay dos formas de deshacerse de las reflexiones indeseadas en un recinto. La primera de ellas es la absorción, mediante la cual se usan materiales que reducen la energía de las reflexiones, haciéndolas menos dañinas. El segundo método es la difusión, consistente en “romper” las ondas para que se reflejen en distintas direcciones y evitar así focalizaciones de sonido. Cada uno de ellos resuelve problemas específicos, y generalmente son usados en combinación para lograr un campo sonoro homogéneo.

Tipos de materiales en cuanto a su absorción ▪ Materiales resonantes, que presentan la máxima absorción a una frecuencia determinada: la frecuencia propia del material. ▪ Materiales porosos, que absorben más sonido a medida de que aumenta la frecuencia. Es decir, absorben con mayor eficacia las altas frecuencias (los agudos). El material poroso más difundido, hoy por hoy (2005), es la espuma acústica. ▪ Absorbentes en forma de panel o membrana absorben con mayor eficacia las bajas frecuencias (los graves), que las altas. ▪ Absorbente Helmholtz Es un tipo de absorbente creado artificialmente que elimina específicamente unas determinadas frecuencias. Materiales porosos Las altas y medias frecuencias son tratadas con este tipo de elementos: en ellos las ondas penetran en los orificios y el roce de las partículas de aire contra las paredes internas del material provoca una reducción en su movimiento, transformando la energía acústica en calor. Alfombras, moquetas, cortinas, tapices, ropa... todos estos son materiales porosos que absorben las altas frecuencias. Un ejemplo claro se da en situaciones de directo, en las que es habitual una corrección de los agudos durante la actuación, para compensar el efecto de absorción de la ropa de los espectadores. Los materiales acústicos profesionales suelen construirse a partir de espumas con esqueleto rígido. Los poros de la espuma provocan la absorción por fricción, y el hecho de contar con un esqueleto rígido aumenta este efecto: cuanto menor es el movimiento de las partículas del material mayor es el movimiento relativo del aire contra ellas, y por tanto mayor es la absorción. Sin embargo, este tipo de materiales tienen poco o ningún efecto en las frecuencias más bajas. Para longitudes de onda elevadas los pequeños poros son virtualmente “invisibles”, y las ondas se reflejan como si incidieran sobre una pared lisa.El grosor del material y la distancia entre éste y la pared en que se monta afectan a su capacidad de absorción. Materiales difusores En cuanto al segundo método de combatir las reflexiones indeseadas, la difusión, su objetivo consiste en prevenir las focalizaciones de sonido, dispersando los rayos sonoros en múltiples direcciones. Para ello, los difusores suelen contar con formas geométricas de variados tamaños y disposiciones, para lograr que la onda se refleje de manera distinta en cada una de ellas y obtener así un campo sonoro más homogéneo. Cuanta más variación de tamaños haya en el difusor mayor será el rango de frecuencias para el que es efectivo.

Materiales porosos

Materiales difusores

Influencia del empleo de materiales absorbentes

Para disminuir el tiempo de reverberación, se colocan en las paredes diversos materiales absorbentes del sonido, aunque no en todas las superficies, ya que la reverberación desaparecería totalmente y el sonido resultaría sordo o muerto. El empleo de reflectores está indicado porque las reflexiones tempranas que llegan dentro de los 0,05 s después de llegar el sonido directo contribuyen a mejorar la inteligibilidad de la palabra; las reflexiones tardías que llegan después de 0,1 s reducen la inteligibilidad. Como regla general, los objetos lisos, pesados y rígidos son reflectantes, mientras que los rugosos, porosos, de formas irregulares o que puedan vibrar fácilmente son absorbentes.

Influencia de los materiales en la reverberación aplauso …con alfombra voz … con alfombra

Paredes reflectantes y absorbentes

Materiales acústicos En general, se puede decir que hay dos formas de deshacerse de las reflexiones indeseadas en un recinto. La primera de ellas es la absorción, mediante la cual se usan materiales que reducen la energía de las reflexiones, haciéndolas menos dañinas. El segundo método es la difusión, consistente en “romper” las ondas para que se reflejen en distintas direcciones y evitar así focalizaciones de sonido. Cada uno de ellos resuelve problemas específicos, y generalmente son usados en combinación para lograr un campo sonoro homogéneo.

Reflectores acústicos

Panel difusor

Pared difusora

Simulación por ordenador

Existen programas de ordenador que simulan el comportamiento acústico de las salas que se diseñan, y son de gran utilidad a arquitectos e ingenieros de sonido.

Simulación i

Simulación ii

Simulación iii

Simulación iv

Auditorio

Cámara anecoica En cualquier medio por el que el sonido se propague, se dan la reflexión y la absorción y como fruto de ellas se dan los efectos de reverberación y eco. Una cámara anecoica es una sala especialmente diseñada para absorber el sonido que incide sobre las paredes, el suelo y el techo de la misma cámara, anulando los efectos de eco y reverberación del sonido. Está aislada del exterior y consta de paredes cubiertas con cuñas construidas de materiales que absorben el sonido y aumentan la difusión del escaso sonido que no se absorbe. Entre estos materiales están la fibra de vidrio o espumas porosas.

La sala anecoica está diseñada para reducir, en la medida de lo posible, la reflexión del sonido: están aisladas del exterior y constan de unas paredes cubiertas con cuñas en forma de pirámide con la base apoyada sobre la pared, construidas de materiales que absorben el sonido y aumentan la dispersión del escaso sonido que no se absorbe. Entre estos materiales están la fibra de vidrio o espumas. Además de para la ingeniería acústica, la cámara anecoica tiene multitud de aplicaciones en el campo de las telecomunicaciones, utilizándose frecuentemente para simular condiciones de espacio libre al llevar a cabo la medición de parámetros involucrados en las comunicaciones móviles y en el diseño y caracterización de elementos radiantes como antenas.

Hay cámaras anecoicas de grandes dimensiones como la de la Edwards Air Force Base, en el desierto de Mojave, California, la mayor cámara anecoica del mundo. Está llena de materiales absorbentes, no del sonido, sino de la radiación electromagnética: 816.000 conos de espuma diseñados para minimizar la reflexión de las señales de radio. Es utilizada para realizar pruebas de compatibilidad electromagnética EMC en aeronaves de tamaño real y para pruebas de sistemas de radar y sistemas furtivos o de invisibilidad al radar, obteniendo los diagramas de absorción y reflejo de las ondas electromagnéticas cuando la aeronave en pruebas es iluminada por una señal de radar. Esta cámara, con unas dimensiones de 76 x 80 x 21 metros, es la mas grande del mundo. Las paredes el techo y el suelo están cubiertos por 816 mil conos piramidales de un material absorbente a las radiaciones de radiofrecuencia. Presenta un blindaje con respecto a señales de RF de 100dB y posee una plataforma giratoria de 48 m capaz de transportar objetos de hasta 450 toneladas.