Acústica - Acoustics


De Wikipedia, la enciclopedia libre
Artificial fuente de sonido omnidireccional en una cámara anecoica

La acústica es la rama de la física que se ocupa del estudio de todas las ondas mecánicas en los gases, líquidos y sólidos, incluyendo temas tales como la vibración , sonido , ultrasonido y los infrasonidos . Un científico que trabaja en el campo de la acústica es un especialista en acústica , mientras que alguien que trabaja en el campo de la tecnología acústica puede ser llamado un ingeniero acústico . La aplicación de la acústica está presente en casi todos los aspectos de la sociedad moderna con la más evidente es el de audio y control de ruido industrias.

Al escuchar es uno de los medios más importantes de la supervivencia en el mundo animal y el habla es una de las características más distintivas del desarrollo y la cultura humana. En consecuencia, la ciencia de la acústica se propaga a través de muchas facetas de la sociedad humana, la música, la medicina, la arquitectura, la producción industrial, la guerra y más. Del mismo modo, las especies animales tales como pájaros cantores y ranas utilizan el sonido y el oído como un elemento clave de los rituales de apareamiento o territorios de marcado. Arte, la artesanía, la ciencia y la tecnología han provocado unos a otros para avanzar en el conjunto, como en muchos otros campos del saber. Robert Bruce Lindsay 's 'Rueda de Acústica' es una visión bien aceptada de los diversos campos de la acústica.

La palabra "acústica" se deriva del griego palabra ἀκουστικός ( akoustikos ), que significa "de o para la audiencia, lista para escuchar" y que a partir de ἀκουστός ( akoustos ), "oído, audible", que a su vez deriva del verbo ἀκούω ( akouo ), "escucho".

El sinónimo latino es "sónica", después de lo cual el término Sonics solía ser sinónimo de la acústica y más tarde una rama de la acústica. Las frecuencias por encima y por debajo de la gama audible se denominan " ultrasónico " y " infrasonic ", respectivamente.

Historia

Las primeras investigaciones en acústica

El fundamental y los 6 primeros armónicos de una cuerda vibrante. Los primeros registros de estudio de este fenómeno se atribuye al filósofo Pitágoras en el siglo sexto antes de Cristo.

En el siglo sexto antes de Cristo, el griego antiguo filósofo Pitágoras quería saber por qué algunas combinaciones de sonidos musicales parecían más bellas que otras, y se encontró respuestas en términos de relaciones numéricas que representan a la armónica serie de armónicos en una cuerda. Él tiene fama de haber observado que cuando las longitudes de cuerdas vibrantes son expresable como proporciones de números enteros (por ejemplo, 2 a 3, de 3 a 4), los tonos producidos serán armónico, y el más pequeño de los enteros la más armoniosa los sonidos. Si, por ejemplo, una cadena de una cierta longitud sonaría particularmente armoniosa con una cadena de dos veces la longitud (demás factores son iguales). En lenguaje moderno, si una cadena suena la nota C cuando arrancó, una cadena doble de tiempo sonará una C una octava más baja. En un sistema de afinación , los tonos en el medio son entonces dadas por 16: 9 para D, 8: 5 para E, 3: 2 para F, 4: 3 para G, 6: 5 para A, y 16:15 para B, en orden ascendente.

Aristóteles (384-322 aC) entiende que el sonido consistía en compresiones y dilataciones de aire que "cae sobre y golpea el aire que está junto a él ...", una muy buena expresión de la naturaleza de onda de movimiento.

En alrededor del 20 aC, el arquitecto e ingeniero romano Vitruvio escribió un tratado sobre las propiedades acústicas de las salas que incluyen análisis de la interferencia, ecos y reverberación-los inicios de la acústica arquitectónica . En el libro V de su De architectura ( Los diez libros de Arquitectura ) Vitruvio describe sonido como una onda comparable a una onda de agua extendido a tres dimensiones, que, cuando se interrumpió por obstrucciones, fluirían hacia atrás y romper hasta siguientes olas. Describió los asientos ascendentes en teatros antiguos, diseñados para evitar este deterioro del sonido y también recomendaron recipientes de bronce de tamaños apropiados pueden colocar en los cines a resonar con el cuarto, quinto y así sucesivamente, hasta el doble octava, con el fin de resonar con las, notas armoniosas más deseable.

Durante la edad de oro islámica , Abu Rayhan Biruni (973-1048) se cree que es postulado que la velocidad del sonido era mucho más lenta que la velocidad de la luz.

Principios de la acústica se han aplicado desde la antigüedad: Un teatro romano en la ciudad de Amman .

La comprensión de los procesos físicos acústicos avanzó rápidamente durante y después de la revolución científica . Principalmente Galileo Galilei (1564-1642), sino también Marin Mersenne (1588-1648), de forma independiente, descubrieron las completas leyes de cuerdas vibrantes (completar lo que Pitágoras y los pitagóricos habían comenzado 2000 años antes). Galileo escribió "Waves son producidas por las vibraciones de un cuerpo sonoro, que se extendió a través del aire, con lo que para el tímpano de la oreja un estímulo que la mente interpreta como sonido", una declaración notable que apunta a los comienzos de la acústica fisiológicos y psicológicos . Las medidas experimentales de la velocidad del sonido en el aire se llevaron a cabo con éxito entre 1630 y 1680 por un número de investigadores, prominente Mersenne. Mientras tanto, Newton (1642-1727) deriva de la relación de velocidad de la onda en sólidos, una piedra angular de la acústica física ( Principia , 1687).

Era de la Ilustración en adelante

El siglo XVIII vio grandes avances en acústica como matemáticos aplicados las nuevas técnicas de cálculo para elaborar teorías de la propagación de las ondas de sonido. En el siglo XIX las principales figuras de la acústica matemáticos eran Helmholtz en Alemania, que consolidó el campo de la acústica fisiológica, y Lord Rayleigh en Inglaterra, que combina los conocimientos previos con sus propias contribuciones copiosas al campo en su monumental obra La teoría del sonido (1877). También en el siglo 19, Wheatstone, Ohm, y Henry desarrollaron la analogía entre la electricidad y la acústica.

El siglo XX fue testigo de un florecimiento de las aplicaciones tecnológicas de la gran cantidad de conocimiento científico que era para entonces en su lugar. La primera de estas aplicaciones era Sabine ‘s trabajo pionero en la acústica arquitectónica, y muchos otros le siguieron. Acústica submarina se utilizó para la detección de submarinos en la Primera Guerra Mundial. Grabación de sonido y el teléfono desempeñaron un papel importante en una transformación global de la sociedad. Medición y el análisis de sonido alcanzado nuevos niveles de precisión y sofisticación a través del uso de la electrónica y de la informática. El rango de frecuencia ultrasónica activar completamente nuevos tipos de aplicaciones en la medicina y la industria. Nuevos tipos de transductores (generadores y receptores de energía acústica) fueron inventados y puestos en uso.

conceptos fundamentales de la acústica

En Jay Pritzker Pabellón , un LARES sistema se combina con una zonal sistema de refuerzo de sonido , tanto en suspensión en un enrejado de acero de arriba, para sintetizar un ambiente acústico de interior al aire libre.

Definición

Acoustics está definido por ANSI / ASA S1.1-2013 como "(a) Ciencia de sonido , incluyendo su producción, transmisión y efectos, incluyendo efectos biológicos y psicológicos. (B) las cualidades de una habitación que, en conjunto, determinar su personaje con respecto a los efectos auditivos ".

El estudio de la acústica gira en torno a la generación, propagación y recepción de ondas mecánicas y vibraciones.

El proceso fundamental acústica

Las etapas mostradas en el diagrama anterior se pueden encontrar en cualquier evento o proceso acústico. Hay muchos tipos de causas, tanto naturales como volitivas. Hay muchos tipos de proceso de transducción que convierten la energía de alguna otra forma en energía sónica, produciendo una onda de sonido. Hay una ecuación fundamental que describe la propagación de onda, el sonido ecuación de onda acústica , pero los fenómenos que surgen de que son variados y, a menudo compleja. La onda transporta energía en todo el medio de propagación. Finalmente, esta energía se transduce de nuevo en otras formas, de manera que de nuevo pueden ser naturales y / o volitivamente artificial. El efecto final puede ser puramente físico o puede llegar lejos en los dominios biológicos o volitivo. Los cinco pasos básicos se encuentran igualmente bien si estamos hablando de un terremoto , un submarino utilizando un sonar para localizar a su enemigo, o una banda tocando en un concierto de rock.

La etapa central en el proceso acústico es propagación de ondas. Esto entra dentro del dominio de la acústica física. En los fluidos , el sonido se propaga principalmente como una onda de presión . En los sólidos, las ondas mecánicas pueden tomar muchas formas, incluyendo ondas longitudinales , ondas transversales y ondas superficiales .

La acústica se ve por primera vez en los niveles de presión y las frecuencias de la onda de sonido y cómo la onda interactúa con el medio ambiente. Esta interacción puede ser descrito como una respuesta de difracción , interferencia o una reflexión o una mezcla de los tres. Si varios medios de comunicación están presentes, una refracción también puede ocurrir. Procesos de transducción también son de especial importancia para la acústica.

Propagación de onda: niveles de presión

Espectrograma de una niña diciendo "oh, no"

En los fluidos tales como aire y agua, las ondas sonoras se propagan como perturbaciones en el nivel de la presión ambiente. Mientras que esta alteración suele ser pequeña, todavía es perceptible para el oído humano. El sonido más pequeño que una persona puede oír, conocido como el umbral del oído , es de nueve órdenes de magnitud menor que la presión ambiente. El volumen de estas perturbaciones se relaciona con el nivel de presión sonora (SPL), que se mide en una escala logarítmica en decibelios.

propagación de la onda: frecuencia

Físicos e ingenieros acústicos tienden a discutir los niveles de presión de sonido en términos de frecuencias, en parte porque esta es la forma en nuestros oídos interpretan sonido. Lo que experimentamos como "más aguda" o sonidos "a dos aguas inferiores" son vibraciones de presión que tienen un número mayor o menor de ciclos por segundo. En una técnica común de medición acústica, las señales acústicas se muestrean en el tiempo, y luego presentarse en formas más significativas, tales como bandas de octava o parcelas de frecuencia temporal. Ambos métodos populares se utilizan para analizar el sonido y comprender mejor el fenómeno acústico.

Todo el espectro puede ser dividido en tres secciones: audio, ultrasonidos, y infrasonic. El rango de audio se sitúa entre 20 Hz y 20.000 Hz. Esta gama es importante porque sus frecuencias pueden ser detectadas por el oído humano. Esta gama tiene una serie de aplicaciones, incluyendo la comunicación de voz y música. El rango ultrasónico se refiere a las frecuencias muy altas: 20.000 Hz y superiores. Esta gama tiene longitudes de onda más cortas que permiten una mejor resolución en tecnologías de la imagen. Aplicaciones médicas, como la ecografía y la elastografía se basan en el rango de frecuencia ultrasónica. En el otro extremo del espectro, las frecuencias más bajas se conocen como la gama infrasonic. Estas frecuencias se pueden utilizar para estudiar los fenómenos geológicos como terremotos.

Instrumentos analíticos, tales como el analizador de espectro facilitar la visualización y medición de señales acústicas y sus propiedades. El espectrograma producida por un instrumento de este tipo es una representación gráfica de la variable en el tiempo los perfiles de nivel de presión y de frecuencia que dan una señal acústica específica su carácter de definición.

Transducción en acústica

Una pulgada barato de baja fidelidad 3.5 conductor , típicamente encontrado en pequeños radios

Un transductor es un dispositivo para convertir una forma de energía en otra. En un contexto electroacústica, esto significa la conversión de la energía del sonido en energía eléctrica (o viceversa). Transductores electroacústicos incluyen altavoces , micrófonos , hidrófonos y sonar proyectores. Estos dispositivos convierten una onda de presión de sonido hacia o desde una señal eléctrica. Los principios de transducción más utilizados son el electromagnetismo , la electrostática y la piezoelectricidad .

Los transductores en más comunes altavoces (por ejemplo, altavoces de graves y altavoces de agudos ), son dispositivos electromagnéticos que generan ondas utilizando un diafragma suspendido accionado por un electromagnético de bobina de voz , el envío de ondas de presión. Micrófonos Electret y micrófonos de condensador emplean electrostática-como la onda de sonido golpea el diafragma del micrófono, se mueve e induce un cambio de tensión. Los sistemas ultrasónicos utilizados en la ecografía médica emplean transductores piezoeléctricos. Estos están hechos de cerámica especiales en las que las vibraciones mecánicas y campos eléctricos están vinculados entre sí a través de una propiedad del propio material.

en acústica

Un especialista en acústica es un experto en la ciencia del sonido.

Educación

Hay muchos tipos de acústica, pero usualmente tienen una licenciatura o una calificación más alta. Algunos poseen un grado en la acústica, mientras que otros entran en la disciplina a través de los estudios en campos como la física o la ingeniería . Gran parte del trabajo en acústica requiere una buena base en matemáticas y ciencia . Muchos científicos acústicos trabajan en investigación y desarrollo. Algunas investigaciones básicas conducta para avanzar en nuestro conocimiento de la percepción (por ejemplo auditivos , psicoacústica o la neurofisiología ) de voz , la música y el ruido . Otros científicos acústicos comprensión avance de cómo se ve afectado el sonido a medida que avanza a través de entornos, por ejemplo, la acústica submarina , la acústica arquitectónica o acústica estructural . Otras áreas de trabajo se enumeran en subdisciplinas de abajo. Científicos acústicos trabajar en el gobierno, las universidades y la industria privada laboratorios. Muchos van a trabajar en Ingeniería Acústica . Algunas posiciones, como la Facultad (personal académico) requieren un Doctor en Filosofía .

subdisciplinas

Estos subdisciplinas son una lista ligeramente modificada a partir de los PACS ( física y astronomía Esquema de Clasificación ) de codificación utilizado por la Acoustical Society of America .

Archaeoacoustics

Archaeoacoustics es el estudio de sonido dentro de la arqueología. Normalmente, esto implica el estudio de la acústica de los sitios arqueológicos y los artefactos.

aeroacústica

Aeroacústica es el estudio de ruido generado por el movimiento del aire, por ejemplo a través de la turbulencia, y el movimiento del sonido a través del aire fluido. Este conocimiento se aplica en ingeniería acústica para estudiar cómo quieten aviones . Aeroacústica es importante para entender cómo el viento instrumentos musicales trabajo.

procesamiento de la señal acústica

Procesamiento de la señal acústica es la manipulación electrónica de las señales acústicas. Las aplicaciones incluyen: control activo de ruido ; diseño para audífonos o implantes cocleares ; cancelación de eco ; recuperación de la información de la música , y la codificación perceptual (por ejemplo, MP3 o Opus ).

acústica arquitectónica

Symphony Hall de Boston, donde comenzaron la acústica del auditorio

acústica arquitectónica (también conocido como acústica de edificios) implica la comprensión científica de cómo lograr un buen sonido dentro de un edificio. Que por lo general implica el estudio de la inteligibilidad del habla, privacidad de la palabra, la calidad de la música, y la reducción de la vibración en el entorno construido.

bioacústica

Bioacústica es el estudio científico de la audiencia y las llamadas de llamadas de los animales, así como cómo los animales se ven afectados por la acústica y sonidos de su hábitat.

Electroacústica

Esta subdisciplina se refiere a la grabación, manipulación y reproducción de audio utilizando la electrónica. Esto podría incluir productos tales como teléfonos móviles , a gran escala de megafonía sistemas o de realidad virtual sistemas en los laboratorios de investigación.

El ruido ambiental y paisajes sonoros

La acústica del medio ambiente tiene que ver con el ruido y la vibración causada por los ferrocarriles, el tráfico por carretera, aviones, equipos industriales y de actividades recreativas. El objetivo principal de estos estudios es reducir los niveles de ruido ambiental y vibraciones. El trabajo de investigación ahora también tiene un enfoque en el uso positivo del sonido en entornos urbanos: paisajes sonoros y tranquilidad .

acústica musical

La corteza auditiva primaria es una de las principales áreas asociadas con la resolución de paso superior.

Acústica musical es el estudio de la física de los instrumentos acústicos; el procesamiento de señales de audio utilizado en la música electrónica; el análisis informático de la música y la composición, y la percepción y la neurociencia cognitiva de la música .

psicoacústica

Psicoacústica explica cómo los seres humanos responden a los sonidos.

Habla

Acústica estudian la producción, el procesamiento y la percepción del habla. El reconocimiento de voz y síntesis de voz son dos importantes áreas de procesamiento del habla que usan los ordenadores. El tema también se solapa con las disciplinas de la física , la fisiología , la psicología y la lingüística .

ultrasonidos

imagen de ultrasonido de un feto en el útero, visto a las 12 semanas de embarazo (bidimensional-scan)

Ultrasonidos se ocupa de los sonidos en frecuencias demasiado altas para ser escuchados por los seres humanos. Especialidades incluyen ultrasonidos médicos (incluyendo ultrasonografía médica ), sonoquímica , la caracterización de materiales y acústica submarina ( Sonar ).

acústica submarina

Acústica submarina es el estudio científico de los sonidos naturales y artificiales bajo el agua. Las aplicaciones incluyen el sonar para localizar submarinos , la comunicación bajo el agua por las ballenas, controlan el cambio climático mediante la medición de la temperatura del mar acústicamente, armas sónicas y marinos bioacústica .

Vibración y dinámicas

Este es el estudio de cómo los sistemas mecánicos vibran e interactuar con su entorno. Las aplicaciones pueden incluir: las vibraciones del suelo de los ferrocarriles; aislamiento de vibraciones para reducir la vibración en quirófanos; el estudio de cómo la vibración puede dañar la salud ( vibración dedo blanco ); control de vibración para proteger un edificio de terremotos , o medir cómo la estructura transmitidas por el sonido se mueve a través edificios.

Sociedades profesionales

Publicaciones académicas

Ver también

notas y referencias

Otras lecturas

enlaces externos