Acústica para niños
La acústica es una rama de la Física que estudia el sonido. Se enfoca en cómo se producen, viajan, se guardan, se escuchan o se reproducen las ondas mecánicas que llamamos sonido. Estas ondas pueden viajar a través de materiales sólidos, líquidos o gases, pero no pueden hacerlo en el vacío.
El sonido es una vibración que se mueve. Por ejemplo, en el aire, el sonido viaja a unos 343 metros por segundo (aproximadamente 1 kilómetro cada 3 segundos) cuando las condiciones de presión y temperatura son normales.
Un científico que se dedica a la acústica se llama acústico. Si alguien trabaja aplicando la tecnología de la acústica, se le puede llamar ingeniero acústico. La acústica es muy importante en muchos aspectos de nuestra vida, como en la industria del audio (para hacer música o películas) y en el control del ruido.
Escuchar es vital para la supervivencia de muchos animales, y el habla es una característica muy importante del desarrollo humano. Por eso, la acústica se usa en muchos campos como la Música, la Medicina, la Arquitectura y la Industria. También es clave para entender cómo los animales, como los pájaros o las ranas, usan el sonido para comunicarse. La "Rueda de la acústica" de Robert Bruce Lindsay es una forma muy conocida de ver los diferentes campos de estudio de la acústica.
Contenido
¿De dónde viene la palabra "acústica"?
La palabra "acústico" viene del griego akoustikos, que significa "de o para oír". Esta palabra, a su vez, viene de akouo, que significa "oigo".
A veces, se usaba la palabra "sónica" como sinónimo de acústica. Las frecuencias que están por encima o por debajo de lo que el oído humano puede escuchar se llaman "ultrasónicas" (muy altas) e "infrasónicas" (muy bajas).
¿Cómo ha evolucionado la acústica a lo largo del tiempo?
Los primeros descubrimientos
La historia de la acústica comenzó en la Antigua Grecia y Roma, hace más de 2000 años. Al principio, se relacionaba mucho con la Música.
- Pitágoras, un famoso pensador griego, se interesó por qué algunos sonidos musicales combinaban mejor que otros. Descubrió que esto tenía que ver con proporciones numéricas.
- Aristóteles, otro pensador griego, explicó que el sonido se produce por el aire que se contrae y se expande, lo que es una buena descripción de cómo se mueven las ondas.
- Alrededor del año 20 a. C., el arquitecto romano Vitruvio escribió sobre cómo el sonido se comportaba en los teatros. Habló de cosas como los ecos y la reverberación, que es cuando el sonido rebota en las paredes y se mantiene un poco más de tiempo.
Durante la Revolución Científica, el conocimiento sobre la física del sonido avanzó mucho:
- Galileo Galilei y Marin Mersenne descubrieron las leyes de las cuerdas que vibran, completando el trabajo que Pitágoras había empezado. Galileo dijo que las ondas sonoras son vibraciones que viajan por el aire y llegan al tímpano del oído, donde el cerebro las interpreta como sonido.
- Entre 1630 y 1680, se midió la velocidad del sonido en el aire.
- Isaac Newton encontró una fórmula para la velocidad de las ondas en los materiales sólidos.
Avances desde la Ilustración
En el Siglo XVIII, grandes matemáticos usaron nuevas herramientas de cálculo para entender mejor cómo se propagan las ondas sonoras.
En el Siglo XIX, figuras importantes como Hermann von Helmholtz en Alemania y Lord Rayleigh en Inglaterra hicieron grandes aportaciones. Helmholtz estudió cómo percibimos el sonido, y Rayleigh unió todo el conocimiento existente en su obra "La teoría del sonido". También se encontró una relación entre la electricidad y la acústica.
El Siglo XX trajo muchas aplicaciones tecnológicas:
- Wallace Clement Sabine fue pionero en la acústica arquitectónica, estudiando cómo diseñar edificios para que el sonido se escuche bien.
- La acústica subacuática se usó para detectar objetos bajo el agua, como los submarinos.
- La grabación de sonido y el teléfono cambiaron la forma en que nos comunicamos.
- La medición del sonido se hizo más precisa gracias a la electrónica y las computadoras.
- Las frecuencias ultrasónicas (muy altas) se usaron en Medicina y la Industria, por ejemplo, para hacer imágenes del interior del cuerpo.
- Se inventaron nuevos tipos de transductores, que son aparatos que producen o reciben energía sonora.
¿Qué estudia la acústica?
La acústica se define como la ciencia del sonido, incluyendo cómo se produce, cómo viaja y qué efectos tiene, incluso en los seres vivos y en nuestra mente. También se refiere a las características de un lugar que afectan cómo se escucha el sonido en él.
El estudio de la acústica se centra en cómo se generan, propagan y reciben las ondas mecánicas y las vibraciones.
El proceso acústico básico tiene varios pasos: 1. Hay una causa (natural o intencionada). 2. La energía se convierte en energía sonora, creando una onda. 3. La onda sonora se propaga a través de un medio. 4. Esta energía se convierte de nuevo en otras formas. 5. Se produce un efecto final, que puede ser físico, biológico o intencionado.
Por ejemplo, esto ocurre tanto en un terremoto como cuando un submarino usa un sonar para encontrar algo, o cuando una banda toca en un concierto.
La parte central de la acústica es cómo se propagan las ondas. En los fluidos (como el aire o el agua), el sonido viaja principalmente como una onda de presión. En los sólidos, las ondas mecánicas pueden ser de diferentes tipos, como longitudinales, transversales o superficiales.
La acústica también estudia los niveles de presión y las frecuencias de las ondas sonoras, y cómo interactúan con el ambiente. Esta interacción puede ser difracción (cuando la onda se dobla al pasar por un obstáculo), interferencia (cuando dos ondas se encuentran y se combinan) o reflexión (cuando la onda rebota). Si hay diferentes materiales, también puede haber Refracción (cuando la onda cambia de dirección al pasar de un material a otro).
Conceptos clave de la acústica
Niveles de presión de las ondas
En el aire y el agua, las ondas sonoras se mueven como pequeños cambios en la presión del ambiente. Aunque estos cambios suelen ser muy pequeños, el oído humano puede percibirlos. El sonido más suave que podemos oír se llama umbral de audición. La fuerza de estos cambios de presión se mide en una escala especial llamada nivel de presión sonora (SPL), que se expresa en decibelios.
Frecuencia de las ondas
Los científicos e ingenieros que estudian la acústica suelen hablar de los niveles de presión sonora en términos de frecuencia, porque así es como nuestros oídos interpretan el sonido. Lo que percibimos como sonidos "más agudos" o "más graves" son vibraciones de presión con un número mayor o menor de ciclos por segundo.
El rango completo de frecuencias se divide en tres partes:
- Audio: Va de 20 Hz a 20.000 Hz. Estas son las frecuencias que el oído humano puede detectar. Se usan en la comunicación hablada y la música.
- Ultrasónica: Son frecuencias muy altas, de 20.000 Hz en adelante. Tienen ondas más cortas, lo que permite usarlas para crear imágenes con más detalle, como en la ultrasonografía médica (ecografías).
- Infrasónica: Son las frecuencias más bajas. Se pueden usar para estudiar fenómenos geológicos como los terremotos.
Instrumentos como el analizador de espectro nos ayudan a ver y medir las señales acústicas. Un espectrograma es una imagen que muestra cómo cambian el nivel de presión y las frecuencias de un sonido a lo largo del tiempo.
¿Qué son los transductores en acústica?
Un transductor es un aparato que convierte un tipo de energía en otro. En acústica, esto significa convertir la energía del sonido en energía eléctrica, o viceversa. Algunos ejemplos de transductores electroacústicos son los altavoces, los micrófonos y los hidrófonos (que se usan bajo el agua). Estos aparatos transforman una onda sonora en una señal eléctrica o una señal eléctrica en una onda sonora.
Los principios más comunes que usan los transductores son el electromagnetismo, la electrostática y la piezoelectricidad.
- Los altavoces más comunes (como los woofer y tweeter) son electromagnéticos. Generan ondas moviendo un diafragma con una bobina de voz electromagnética, lo que produce ondas de presión.
- Los micrófonos electretos y micrófonos de condensadores son electrostáticos. Cuando la onda sonora llega al diafragma del micrófono, este se mueve y crea un cambio de voltaje.
- Los sistemas ultrasónicos usados en medicina usan transductores piezoeléctricos. Estos están hechos de cerámicas especiales donde las vibraciones mecánicas y los campos eléctricos están conectados por una propiedad del material.
Campos de estudio de la acústica
La acústica tiene muchas ramas, cada una enfocada en un aspecto diferente del sonido:
- Aeroacústica: Estudia el sonido que se produce por el movimiento rápido en el aire, como el de los aviones.
- Arqueoacústica: Investiga los efectos del sonido en lugares antiguos o arqueológicos.
- Acústica en física: Analiza los fenómenos del sonido usando modelos físicos y matemáticos.
- Acústica arquitectónica: Se encarga de controlar el sonido en los edificios. Esto incluye el aislamiento para que el sonido no pase entre habitaciones y el acondicionamiento para que el sonido se escuche bien en lugares como salas de conciertos o teatros.
- Psicoacústica: Estudia cómo los humanos percibimos el sonido, cómo localizamos de dónde viene y cómo percibimos la calidad del sonido.
- Bioacústica: Estudia cómo los animales producen y escuchan sonidos (murciélagos, insectos, aves, peces, etc.). Se usa para clasificarlos, entender su comportamiento y estudiar la biodiversidad.
- Acústica ambiental: Se enfoca en el sonido en exteriores, el ruido del ambiente y cómo afecta a las personas y la naturaleza. Estudia ruidos de vehículos, trenes, aviones, industrias y el ruido de los vecinos.
- Acústica subacuática: Se relaciona con la detección de objetos bajo el agua usando el sonido, como el sonar en barcos y submarinos.
- Acústica musical: Estudia cómo se produce el sonido en los instrumentos musicales y cómo se afinan las escalas.
- Electroacústica: Se ocupa del tratamiento electrónico del sonido, incluyendo cómo se capta (con micrófonos), se procesa (con efectos), se amplifica, se graba y se reproduce (con altavoces).
- Acústica fisiológica: Estudia cómo funciona el oído humano, desde la oreja hasta el cerebro, y las enfermedades o problemas que puede tener.
- Acústica fonética: Analiza las características del sonido del habla y sus aplicaciones.
- Macroacústica: Estudia los sonidos extremadamente fuertes, como los de las explosiones.
Galería de imágenes
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Rueda de acústica de Lindsay, que muestra los campos dentro de la acústica
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Fuente de sonido omnidireccional en una cámara anecoica.
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Sobretonos de una cuerda vibratoria. Pitágoras fue el primero en documentar el estudio de este fenómeno.
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El proceso acústico fundamental
Véase también
En inglés: Acoustics Facts for Kids
