Física: Acústica.

Acústica

La acústica es una rama de la física interdisciplinaria que estudia el sonido, infrasonido y ultrasonido, es decir ondas mecánicas que se propagan a través de la materia (tanto sólida como líquida o gaseosa) (no pueden propagarse en el vacío) por medio de modelos físicos y matemáticos. A efectos prácticos, la acústica estudia la producción, transmisión, almacenamiento, percepción o reproducción del sonido. La ingeniería acústica es la rama de la ingeniería que trata de las aplicaciones tecnológicas de la acústica.

La acústica considera el sonido como una vibración que se propaga generalmente en el aire a una velocidad de 343 m/s (aproximadamente 1 km cada 3 segundos), o 1235 km/h en condiciones normales de presión y temperatura (1 atm y 20 °C).

Historia

Le dio el nombre el físico francés José Sauveur (1653-1716), este también fue unos de los creadores de esta ciencia. En la antigüedad y en la edad media se hicieron diferente experimentos vibratorios, desde el monocordio de Pitágoras, pasando por los principios de Gioseffo Zarlino a mediados del siglo XVI, Salinas, Galileo e Isaac Newton, hasta llegar a Pithanasius Kichev y el número “p” Marin Mersenne, ya en el siglo XVII, quienes aplicaron muchas de las precedentes experiencias a los instrumentos musicales.

Ondas

En física, una onda (del latín unda) consiste en la propagación de una perturbación de alguna propiedad del espacio, por ejemplo, densidad, presión, campo eléctrico o campo magnético, implicando un transporte de energía sin transporte de materia. El espacio perturbado puede contener materia (aire, agua, etc) o no (vacío).

La magnitud física cuya perturbación se propaga en el medio se expresa como una función tanto de la posición como del tiempo ${\displaystyle \psi ({\vec {r}},t)}$. Matemáticamente se dice que dicha función es una onda si verifica la ecuación de ondas:

${\displaystyle \nabla ^{2}\psi ({\vec {r}},t)={\frac {1}{v^{2}}}{\partial ^{2}\psi \over \partial t^{2}}({\vec {r}},t)}$

Elementos

• Cresta: Es el punto de máxima elongación o máxima amplitud de la onda; es decir, el punto de la onda más separado de su posición de reposo.
• Periodo (${\displaystyle T}$): Es el tiempo que tarda la onda en ir de un punto de máxima amplitud al siguiente.
• Amplitud (${\displaystyle A}$): Es la distancia vertical entre una cresta y el punto medio de la onda. Nótese que pueden existir ondas cuya amplitud sea variable, es decir, crezca o decrezca con el paso del tiempo.
• Frecuencia (${\displaystyle f}$): Es el número de veces que es repetida dicha vibración por unidad de tiempo. En otras palabras, es una simple repetición de valores por un período determinado.

${\displaystyle T={\frac {1}{f}}}$

• Valle: Es el punto más bajo de una onda.
• Longitud de onda (${\displaystyle \lambda }$): Es la distancia que hay entre el mismo punto de dos ondulaciones consecutivas, o la distancia entre dos crestas consecutivas.
• Nodo: Es el punto donde la onda cruza la línea de equilibrio.
• Elongación (${\displaystyle x}$): Es la distancia que hay, en forma perpendicular, entre un punto de la onda y la línea de equilibrio.
• Ciclo: Es una oscilación, o el recorrido desde el nodo que inicia la trayectoria de la cresta hasta el nodo que termina la trayectoria del valle o viceversa.
• Velocidad de propagación (${\displaystyle v}$): Es la velocidad a la que se propaga el movimiento ondulatorio. Su valor es el cociente de la longitud de onda y su período.

${\displaystyle v={\frac {\lambda }{T}}}$

                                               Tipos

Según el movimiento de las partículas

• Ondas transversales: son aquellas en las que las partículas vibran perpendicularmente a la dirección en la que se propaga la onda. Por ejemplo: la luz.
• Ondas longitudinales: son aquellas en las que las partículas vibran en la misma dirección en la que se propaga la onda. Por ejemplo: el sonido

Según sea el medio en el que se propagan

• Ondas mecánicas: son aquellas que necesitan un medio elástico (sólido, líquido o gaseoso) para propagarse. Por ejemplo: las olas del mar.
• Ondas electromagnéticas: son aquellas que no necesitan un medio elástico para propagarse, es decir, se propagan en el vacío. Por ejemplo: las ondas de radio.
• Ondas gravitacionales: son aquellas que alteran la geometría del espacio-tiempo. Es común representarlas viajando en el vacío. Por ejemplo: dos estrellas que giran la una alrededor de la otra.

Según la propagación

• Ondas unidimensionales: son aquellas que se propagan en una sola dirección. Por ejemplo: la vibración de una cuerda.
• Ondas bidimensionales o superficiales: son aquellas que se propagan en dos direcciones. Por ejemplo: olas en la superficie del agua.
• Ondas tridimensionales o esféricas: son aquellas que se propagan en tres direcciones. Por ejemplo: la luz, el sonido.

Según sea la periodicidad

• Ondas periódicas: son aquellas que son producidas por ciclos repetitivos de perturbaciones. Por ejemplo: las ondas sonoras.
• Ondas no periódicas: son aquellas que son producidas por una perturbación aislada. Por ejemplo: las ondas del electrocardiograma.

Sonido

El sonido (del latín sonĭtus, por analogía prosódica con ruido, chirrido, rugido, etc.), en física, es cualquier fenómeno que involucre la propagación de ondas mecánicas (sean audibles o no), generalmente a través de un fluido (u otro medio elástico) que esté generando el movimiento vibratorio de un cuerpo

Propagación

El sonido se propaga de un lugar a otro, pero siempre lo hace a través de un medio material, como el aire, el agua, la madera. En el vacío, el sonido no puede propagarse, porque no hay medio material. En el aire el sonido viaja a una velocidad de 340 metros por segundo. La propagación del sonido en los fluidos toma la forma de fluctuaciones de presión.¹​ En los cuerpos sólidos la propagación del sonido implica variaciones del estado tensional del medio.

Cualidades

LA ALTURA: es la afinación de un sonido; está determinada por la frecuencia fundamental de las ondas sonoras (es lo que permite distinguir entre sonidos graves, agudos o medios) medida en ciclos por segundo o hercios (Hz)

LA DURACIÓN: es el tiempo durante el cual se mantiene un sonido, está determinada por la longitud, que indica el tamaño de una onda, que es la distancia entre el principio y el final de una onda completa (ciclo); según esto podemos decir que por duración los sonidos puieden ser largos o cortos.

EL TIMBRE: es la cualidad que permite reconocer la fuente emisora del sonido, por ejemplo, entre la misma nota (tono) con igual intensidad producida por dos instrumentos musicales distintos.

        Proceso de audición

1. El sonido se canaliza en el conducto auditivo y provoca el movimiento del tímpano.
2. El tímpano vibra con el sonido.
3. Las vibraciones del sonido se desplazan por la cadena de huesecillos hasta la cóclea.
4. Las vibraciones del sonido hacen que el fluido de la cóclea se mueva.
5. El movimiento de este fluido hace que las células ciliadas se inclinen. Las células ciliadas producen señales neurales que son captadas por el nervio auditivo. Las células ciliadas de un extremo de la cóclea envían información de los sonidos graves, y las células ciliadas del otro extremo envían información de los sonidos agudos.
6. El nervio auditivo envía las señales al cerebro, donde se interpretan como sonidos.

                                                                                   

       Clasificación de los instrumentos musicales

Existen muchas divisiones alternativas y subdivisiones de instrumentos. Generalmente, al estudiar los instrumentos musicales es frecuente encontrarse con la clásica división de los instrumentos en cuatro familias: viento, cuerda, percusión y los instrumentos eléctricos (creados por el hombre hace aproximadamente 50 años). 

Sin embargo, debido a que esta clasificación está orientada a los instrumentos de la orquesta sinfónica, adolece de ciertas restricciones y defectos. Debido a ello, algunos musicólogos sencillamente amplían esta clasificación añadiendo hasta tres categorías adicionales: voz, teclados y electrónicos.

Ya vimos que existen 3 familias básicas : Cuerdas, Percusión y Vientos. Estas se pueden subdividir en nuevas subfamilias:
Instrumentos de viento

Se caracterizan porque el sonido que emiten se produce por la vibración del aire en el tubo. Lo que les diferencia entre sí es la forma en que consigues que la columna de aire entre en vibración. Nos centraremos en los siguientes grupos:

• De madera: como su nombre indica, la mayoría están construidos en este material. Y decimos la mayoría porque hoy en día algunos se hacen en metal. Están compuestos por un tubo con agujeros que se irá tapando con los dedos o con llaves para emitir distintos sonidos. Estos instrumentos tienen en su interior una lámina muy fina que, cuando la soplas, vibra contra una pared y suena. Pueden tener embocaduras diferentes y esto es lo que provoca que el sonido que producen varíe. Distinguimos entre: 

         *Embocadura de bisel: flauta travesera y flauta dulce.
         *Embocadura de lengüeta simple: clarinete.
         *Embocadura de lengüeta doble: oboe y fagot.

• De metal: construidos en metal, producen un sonido mucho más variado. Están compuestos por un tubo de forma cilíndrica que, en algunos casos, se enrolla sobre sí mismo. Son de metal la trompeta, la tuba, el trombón , el corno, el saxofón y la trompa.

Instrumentos de cuerda

En este caso no es el aire el que vibra produciendo sonidos, lo que suena es una o varias cuerdas cuando las haces vibrar.
Existen diferentes técnicas para producir el sonido, pero nos centraremos en los siguientes grupos:

• Frotando las cuerdas: el violín, la viola, el violonchelo y el contrabajo. Todos ellos cuentan con un arco para frotar las cuerdas, siendo éste diferente en cada uno. El del violín, es largo y fino; y el del contrabajo, corto y grueso.
• Pulsando las cuerdas: emiten el sonido cuando punteas las cuerdas. Puedes hacerlo con los dedos o con una púa. Cada cuerda suena de manera diferente cuando la pulsas. Piensa en el arpa, la guitarra, la mandolina o el laúd.

Casi todos los instrumentos de cuerda cuentan con una caja de resonancia, que sirve para amplificar el sonido y para enriquecer el timbre.

Instrumentos de percusión

En esta ocasión el sonido se produce porque golpeamos un cuerpo sólido que hacemos vibrar y, por lo tanto, suena. Esta familia tiene mucha variedad de timbres que acompañan fácilmente a otros instrumentos musicales.
Los golpes se pueden efectuar con escobillas metálicas, palillos de madera o incluso con las mismas manos.
Se dividen en dos categorías:

• Instrumentos de sonido determinado (Melódicos): son capaces de dar diferentes notas y el más utilizado es el timbal, que puede contener un pedal mediante el que cambiamos su afinación. Otros instrumentos son el carillón, el xilófono y el metalófono.
• Instrumentos de sonido indeterminado (Rítmicos): no son capaces de dar ninguna nota precisa, sencillamente emiten un sonido. Ejemplos son la caja, el bombo, los platos y el triángulo.

Su sonoridad contribuye a dar emoción y dramatismo a cualquier pieza musical y suelen tocarse en una orquesta o una banda porque casi no hay composiciones musicales para ellos solos.