INSTITUTO DE PROFESORES ARTIGAS ESPECIALIDAD FÍSICA SEMINARIO ESPACIO INTERDISCIPLINARIO CURSO 2010 Daniel Baccino

Panorama sobre SONIDO Daniel Baccino

Aproximación a una noción de SONIDO Daniel Baccino

AHARONIÁN. Introducción a la música. “... El sonido, en su materia básica, es lo que percibimos a partir de una perturbación que afecta nuestro oído, que éste transfiere a nuestro cerebro. En principio, la perturbación consiste en pequeñísimas variaciones en la presión del aire, dentro de determinados límites. Fuera de ellos, el fenómeno no será interpretado como sonido por el cerebro humano.” AHARONIÁN. Introducción a la música. Daniel Baccino

Elije a la presión para cuantificar al fenómeno. COMENTARIOS Acentúa en la definición el aspecto perceptivo, y el proceso que se da a nivel del cerebro. Elije a la presión para cuantificar al fenómeno. No aparecen aquí las cotas para la frecuencia. Daniel Baccino

GONZALEZ, Alice. Acústica urbana. DINAMA 2008. “El sonido consiste en una vibración de un medio elástico (el caso más habitual es el aire, pero puede ser también en sólido o un líquido) que se propaga en forma de ondas de presión [Nota al pie: Cuando el medio no es fluido, no son ondas de presión sino de esfuerzo] , donde las compresiones y expansiones del mismo provocan oscilaciones de la presión alrededor de la presión de equilibrio. También se aplica el término sonido a la sensación que es capaz de producir dicha onda en el órgano auditivo (el oído). No todas las ondas de presión generan sonido; para que lo haya, es necesario que se den condiciones de presión, frecuencia y propagación capaces de generar una sensación auditiva.” GONZALEZ, Alice. Acústica urbana. DINAMA 2008. Daniel Baccino

Establece dos acepciones posibles para el sonido. COMENTARIOS Establece dos acepciones posibles para el sonido. Una de ellas se refiere al fenómeno sonoro desde un punto de vista eminentemente físico. El otro acentúa lo perceptivo. En principio, no es posible comprender al fenómeno si no se complementan esos dos aspectos, a partir de un enfoque que acerque varias disciplinas. Daniel Baccino

KINSLER. Fundamentos de Acústica. “Las ondas acústicas que producen sensación de sonido son parte de una variedad de perturbaciones de presión que se pueden propagar a través de un fluido compresible. También hay ondas ultrasónicas e infrasónicas cuyas frecuencias están más allá de los límites audibles, ondas de alta intensidad (como las que están cerca de los motores de reacción y misiles) que pueden producir una sensación de dolor más que de sonido, y ondas de choque generadas por explosiones y aviones supersónicos. Las ondas acústicas en fluidos son longitudinales: las moléculas se mueven de un lado a otro en la dirección de propagación de la onda, produciendo regiones adyacentes de compresión y rarefacción similares a las ondas longitudinales en una barra. ...” KINSLER. Fundamentos de Acústica. Daniel Baccino

COMENTARIOS Se establece un rango en términos de frecuencias que se define aproximadamente entre 20 Hz y 20 kHz. Se insinúa, al menos un rango que tiene que ver con magnitudes de corte energético (Intensidad) que de superar ciertos valores generan sensaciones diferentes a la del sonido (por ejemplo: dolor). También es posible definir valores de intensidad lo suficientemente pequeños como para que los sonidos no sean audibles. Umbrales de dolor y de audición respectivamente. Daniel Baccino

“Sistemas” y algunas magnitudes Daniel Baccino

Sistemas físicos y biológicos involucrados FUENTE MEDIO RECEPTOR Mecanismo generador del sonido. Si se trata de un instrumento musical, consta de un elemento vibrante y en muchos casos de un resonador (“conversión” a ondas sonoras) El tímpano que convierte en oscilaciones mecánicas. El oído interno donde hay una codificación primaria de frecuencia y conversión a impulsos neurales. Y el sistema nervioso. El medio tiene la función de permitir la propagación. Sus límites definen la existencia de reflexión, absorción, reverberación. Daniel Baccino

Ondas sonoras, energía acústica y percepción de sonoridad La descripción se realiza usualmente mediante dos “encadenamientos” conceptuales complementarios, que pueden vincularse de forma sencilla, y cuyos puntos de partida son los que indicamos a continuación. Una de esos encadenamientos parte del concepto y la definición de la magnitud física PRESIÓN. El otro encadenamiento parte de la magnitud física que llamamos ENERGÍA. Daniel Baccino

PRESIÓN Es una magnitud física que se define usualmente cuando se quiere tratar la mecánica en medios fluidos, de la forma siguiente: Donde F representa la componente normal de una fuerza, aplicada a una superficie de área A. En el Sistema Internacional de unidades la unidad de presión es una unidad derivada con nombre propio: La presión atmosférica normal a nivel del mar tiene, aproximadamente, el valor: Daniel Baccino

Obsérvese el rango limitado por esos valores: 106 !! PRESIÓN ACÚSTICA A los efectos del sonido lo relevante es la diferencia de presión (en más o en menos) respecto de la presión atmosférica. A esta diferencia se llama usualmente Presión acústica. En una situación musicalmente relevante, cuando se tiene una onda sinusoidal (tono puro). El perfil en cierto instante de tiempo tiene una forma sinusoidal. Se describe cuantitativamente a partir de el “Valor medio de presión P” (valor “pico” sobre raíz de 2) Si tomamos en cuenta el “oído humano medio”, un tono de 1000 Hz que apenas puede percibirse tiene asociado un P  2 x 10-5 N/m2, y en el caso cercano al límite de dolor: P  20 N/m2. Obsérvese el rango limitado por esos valores: 106 !! Daniel Baccino

NIVEL DE PRESIÓN SONORA El amplio rango de valores de la presión acústica, entre otros elementos, lleva a definir una magnitud que permita “comprimir” dicho rango. Se define el Nivel de presión sonora (SPL, del inglés: sound pressure level), de la forma indicada. Po representa un “valor medio” de presión que se toma como referencia. Tratándose de sonido en el aire, se tomo como referencia el valor 20 Pa (aproximadamente el umbral a 1000 Hz) El resultado de la operación queda anotado en la unidad: decibel (dB) Esta unidad no es unidad del SI, pero ha sido aceptada por el CIPM para su uso con el SI. Daniel Baccino

RICHARD FEYNMAN y otros, en FÍSICA (VOLUMEN I), 1971. ENERGÍA “Hay un hecho, o si se prefiere, una ley, que gobierna todos los fenómenos naturales conocidos hasta la fecha. No se conoce excepción a esa ley –es exacta hasta donde sabemos-. La ley se llama conservación de la energía. Establece que hay cierta cantidad que llamamos energía, que no cambia en los múltiples cambios que ocurren en la naturaleza. … Es importante darse cuenta que en la física actual no sabemos lo que la energía es. … ” RICHARD FEYNMAN y otros, en FÍSICA (VOLUMEN I), 1971. Daniel Baccino

Uno de ellos es el que llamamos TRABAJO. TRABAJO - ENERGÍA El intercambio de energía entre cuerpos o conjuntos de cuerpos es algo cotidiano. Desde un punto de vista físico existen dos formas o “mecanismos” para que ese intercambio se realice. Uno de ellos es el que llamamos TRABAJO. En una situación elemental, se dice que un cuerpo intercambia energía en forma de trabajo, cuando hay una FUERZA presente que tenga al menos una componente en la dirección del DESPLAZAMIENTO del cuerpo. Tratándose de fluidos, el intercambio de energía en forma de trabajo se evalúa en función del CAMBIO de VOLUMEN de una muestra, sometida a cierta PRESIÓN. En el Sistema Internacional de unidades, el trabajo y la energía tienen unidad: Daniel Baccino

En el Sistema Internacional de unidades, la potencia tiene unidad: Una magnitud física que se define cuando se quiere evaluar la “rapidez” o razón con que se realiza trabajo es la POTENCIA. Una primera aproximación es la definición de Potencia media, que indicamos. En el Sistema Internacional de unidades, la potencia tiene unidad: “El concepto de potencia es de máxima importancia para la física de la música. En realidad, nuestro oído no se interesa en absoluto por la energía acústica total que llega al tímpano; a lo que responde es a la razón con que esta energía llega por unidad de tiempo, es decir, la potencia acústica. Ella es la que determina la sensación de sonoridad.” ROEDERER en ACÚSTICA Y PSICOACÚSTICA DE LA MÚSICA. Pág. 83. Daniel Baccino

INTENSIDAD “Lo definimos como la cantidad total de energía mecánica (potencial y cinética asociada con los puntos del medio) que es transferida durante cada segundo a través de la unidad de superficie (1 m2) perpendicular a la dirección de propagación.” ROEDERER, pág. 93. En el Sistema Internacional de unidades, la intensidad tiene unidad: En el sonido, el rango de intensidades comprendido entre los límites (umbrales) inferior y superior de sensación auditiva, es muy amplio. Para un tono puro de 1000 Hz, las intensidades referidas son aproximadamente: 10 -12 W/m2 para el umbral de audición, y 1 W/m2 para el umbral de dolor Daniel Baccino

NIVEL de INTENSIDAD SONORA “Esta nueva magnitud deberá cumplir simultáneamente con tres objetivos: 1) “comprimir” el rango de intensidades audibles en un rango de valores mucho más pequeño; 2) reemplazar el uso de valores absolutos por valores relativos (por ejemplo, relativos al umbral de audición); y 3) permitir la introducción de una unidad más conveniente, cuyo valor sea del orden del mínimo cambio perceptible en intensidad sonora.” Opina ROEDERER, pág. 99. El nivel de intensidad sonora “IL”, en inglés Sound intensity level, se define con un criterio análogo al “SPL”: “Io” es una intensidad que se toma como referencia, que en caso que el medio sea aire el valor es 10-12 W/m2. La unidad de “IL” es el decibel (dB) Daniel Baccino

INTENSIDAD - PRESIÓN “Puede demostrarse que existe una relación entre la intensidad de una onda sonora sinusoidal y el valor de la variación (absoluta) media de presión asociada con la onda, que indicamos con P. … En esta relación, v es la velocidad de la onda sonora y  es la densidad del aire” ROEDERER, pág. 93. Esa expresión, particularmente el cuadrado del segundo miembro, permite justificar las formas en que se han definido el nivel de presión sonora (SPL) y el nivel de intensidad sonora (IL) Si se toman los niveles de referencia indicados (Po e Io) los valores de SPL e IL, en dB, son iguales. Daniel Baccino

El SONIDO “en un plano” Daniel Baccino

FLETCHER y MUNSON Los investigadores norteamericanos Fletcher y Munson realizaron, en 1933, experimentos que planteaban estudiar el problema del sonido centrándolo en un concepto psicoacústico: SONORIDAD. La sensación de sonoridad, en una primera aproximación, está relacionada con la amplitud del sonido. Cuando se trabaja para frecuencias distintas de tonos puros, se confirma que también tiene vínculo con esta magnitud física. “El experimento consistía en lo siguiente. Se hacía escuchar a personas de buena audición un tono puro (es decir senoidal) de 1 kHz y de un nivel de presión sonora conocido, por ejemplo 40 dB. Luego se les presentaba un tono de otra frecuencia (por ejemplo 200 Hz) y se les pedía que ajusten el volumen hasta que les pareciera igualmente sonoro que el tono de 1 kHz. Por último se medía el nivel de presión sonora. Repitiendo este experimento con diversas frecuencias y niveles de presión sonora, obtuvieron las curvas de igual nivel de sonoridad o curvas de Fletcher y Munson. …” MIYARA. Acústica y sistemas de sonido. Pág. 21. Daniel Baccino

El sustrato y los umbrales Se acostumbra representar los resultados sobre un gráfico en el que se anotan valores de “SPL” o “IL” en el “eje de ordenadas”, en función de la frecuencia (f) en un eje “logarítmico”. LOS LÍMITES: UMBRALES Las curvas extremas constituyen un límite para la audición de un “oído medio”. Se llaman umbral de audición, la que constituye un “límite inferior” para la sensación sonora y umbral de dolor al “límite superior” Daniel Baccino

Daniel Baccino

Comentarios A la frecuencia 1 kHz las curvas pasan por los valores 0 dB y 120 dB. El umbral de audición depende fuertemente de la frecuencia. Por ejemplo: un tono de 100 Hz debe tener un “IL” cercano a 40 dB para poder ser percibido. Los sonidos de frecuencias “muy bajas” (graves) y “muy altas” (agudos), tienen menor sonoridad que los sonidos “medios”. En el entorno de los 3 kHz se tiene la mayor sensibilidad del oído. Los sonidos “medios” son más “fáciles de percibir”. Para sonidos cercanos al umbral de dolor (intensos) no existe una diferencia tan marcada en su percepción como los cercanos al umbral de audición (la curva es más “aplanada”) A 1000 Hz, el rango de intensidades de interés musical se extiende de alrededor 10-9 W/m2 a 10-2 W/m2 .(ROEDERER, pág. 99) ¿Errata? La gráfica llama “Intensidad” al “Nivel de intensidad (IL)”. Daniel Baccino

El “mapa completo” Daniel Baccino

Comentarios I A modo de ejemplo. Mientras un SPL de 50 dB es considerado “piano” a una frecuencia de 1 kHz, el mismo SPL es apenas audible a 60 Hz. En otras palabras, para producir una sensación de sonoridad determinada a frecuencias bajas (tonos graves) una intensidad mayor que para un tono de 1 kHz. Las curvas de la figura (incluidos los umbrales) son curvas de IGUAL SONORIDAD o ISÓFONAS. Las curvas permiten definir la SONORIDAD de un tono como el nivel de presión sonora (SPL) de un tono de 1kHz igualmente sonoro que dicho tono (MIYARA) Las curvas permiten explicar porque se requiere mayor potencia de un equipo de sonido para tener buenos graves que para lograr una adecuada respuesta a frecuencias medias (MIYARA) Son también la razón de los filtros de sonoridad de los equipos de sonido, que aumentan la proporción de graves cuando se escucha a bajo volumen (MIYARA) Explican porqué un equipo de baja potencia y mala calidad puede así y todo sonar “fuerte”: al distorsionar el sonido agrega armónicos de alta frecuencia que se escuchan más que las bajar frecuencias originales (MIYARA) Daniel Baccino

Comentarios II Las curvas se refieren a tonos simples, aislados, sonando de manera continua. Si el sonido es de corta duración ( aproximadamente 10 o 15 ms, o dos o tres períodos para frecuencias menores a 50 KHz) se percibe como “clic” no como tono. Estudios detallados (Molino, 1973) muestran que las curvas de igual sonoridad dependen de la frecuencia del tono de referencia (ROEDERER) El umbral de intensidad de tonos simples aislados cambia apreciablemente, es decir, aumenta si otros tonos están presentes al mismo tiempo. La experiencia de enmascaramiento más familiar es aquella de no poder seguir una conversación en un lugar con mucho ruido de fondo. (ROEDERER, pág. 107). Daniel Baccino

Referencias AHARONIÁN, Coriún. INTRODUCCIÓN A LA MÚSICA. Tacuabé. 2002. FEYNMAN, Richard, y otros. FÍSICA (Volumen I). Fondo Educativo. 1971. GONZALEZ, Alice. ACÚSTICA URBANA. DINAMA 2008. KINSLER, Lawrence. Fundamentos de acústica. Limusa. México. 1995. MIYARA, Federico. ACÚSTICA Y SISTEMAS DE SONIDO. UNR Editora. 2004. ROEDERER, Juan. ACÚSTICA Y PSICOACÚSTICA DE LA MUSICA. Ricordi. Buenos Aires. 1997. SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES: http://www.bipm.org/en/si/si_brochure/ Daniel Baccino

CRÉDITOS (IMÁGENES) PRESIÓN ACÚSTICA. Imagen onda sinusoidal: http://www.monografias.com/trabajos5/elso/elso.shtml ENERGÍA. Imagen de Richard Feynman: http://www.taringa.net/posts/ebooks-tutoriales/4115733/Richard-Feynman---y- su-libro.html INTENSIDAD. Imagen flujo energía: http://www.monografias.com/trabajos5/elso/elso.shtml EL SUSTRATO Y LOS UMBRALES. Imagen de los umbrales de audición y dolor: http://server-enjpp.unsl.edu.ar/website/baea/prof- cs/numero14/index.html#audicion EL “MAPA COMPLETO”. Curvas de Fletcher y Munson: http://iie.fing.edu.uy/investigacion/grupos/gmm/audio/seminario/seminariosvi ejos/2003/charlas/psicoacustica/sonoridad1.html Daniel Baccino

CRÉDITOS (SONIDOS) Daniel Baccino

SUGERENCIAS Un sitio uruguayo recomendable: SEMINARIO DE AUIDO. Se anotan algunas páginas del sitio, a modo de ejemplo. Hay mucha información en diferentes formatos en las páginas indicadas y en otras del sitio. Vale la pena una lectura exploratoria. Inicio: http://iie.fing.edu.uy/investigacion/grupos/gmm/index.php Seminario de audio 2009: http://iie.fing.edu.uy/investigacion/grupos/gmm/audio/seminario/seminariosvi ejos/2003/charlas/psicoacustica/sonoridad1.html Seminario de audio 2005: http://iie.fing.edu.uy/investigacion/grupos/gmm/audio/seminario/seminariosvi ejos/2005/index.html Seminario 2005. Conceptos básicos de psicoacústica. Informe: http://iie.fing.edu.uy/investigacion/grupos/gmm/audio/seminario/seminariosvi ejos/2005/charlas2005/charla4_Informe.pdf Daniel Baccino