Acústica

La palabra "acústico" deriva de ἀκουστικός ( akoustikós ), que significa "de o para oír" y "listo para oír" ^{[ 2 ]} y de ἀκουστός ( akoustós ), "oído, audible" ^{[ 3 ]} que a su vez deriva del verbo ἀκούω ( akoúō ), "oír" ^{[ 4 ] .}

El sinónimo en latín es "sónico", después del cual el término sónica solía ser sinónimo de acústica ^{[ 5 ]} y más tarde una rama de la acústica. ^{[ 5 ]} Las frecuencias por encima y por debajo del rango audible se llaman " ultrasónicas " e " infrasónicas ", respectivamente.

En el siglo VI a. C., el filósofo griego Pitágoras quiso saber por qué algunas combinaciones de sonidos musicales parecían más bellas que otras, y encontró respuestas en términos de proporciones numéricas que representaban la serie de armónicos en una cuerda. Se dice que observó que cuando las longitudes de las cuerdas vibrantes se pueden expresar como proporciones de números enteros (por ejemplo, de 2 a 3, de 3 a 4), los tonos producidos serán armoniosos, y cuanto menores sean los números enteros, más armoniosos serán los sonidos. Por ejemplo, una cuerda de cierta longitud sonaría particularmente armoniosa con una cuerda del doble de longitud (siempre que los demás factores sean iguales). En términos modernos, si una cuerda produce la nota Do al ser pulsada, una cuerda del doble de longitud producirá un Do una octava más baja. En un sistema de afinación musical , los tonos intermedios se dan entonces por 16:9 para Re, 8:5 para Mi, 3:2 para Fa, 4:3 para Sol, 6:5 para La y 16:15 para Si, en orden ascendente. ^{[ 6 ]}

Aristóteles (384-322 a. C.) comprendió que el sonido consistía en compresiones y rarefacciones del aire que «cae sobre el aire que está junto a él y lo golpea...», ^{[ 7 ] [ 8 ]} una muy buena expresión de la naturaleza del movimiento ondulatorio . Sobre las cosas oídas , generalmente atribuida a Estratón de Lámpsaco , afirma que el tono está relacionado con la frecuencia de las vibraciones del aire y con la velocidad del sonido. ^{[ 9 ]}

Hacia el año 20 a. C., el arquitecto e ingeniero romano Vitruvio escribió un tratado sobre las propiedades acústicas de los teatros, incluyendo una discusión sobre interferencias, ecos y reverberación: los inicios de la acústica arquitectónica . ^{[ 10 ]} En el Libro V de su De architectura ( Los Diez Libros de Arquitectura ), Vitruvio describió el sonido como una onda comparable a una onda de agua extendida a tres dimensiones, que, al ser interrumpida por obstrucciones, retrocedería y se fragmentaría en las siguientes ondas. Describió los asientos ascendentes en los teatros antiguos como diseñados para prevenir este deterioro del sonido y también recomendó que se colocaran en los teatros recipientes de bronce (echea) de tamaños apropiados para resonar con la cuarta, la quinta y así sucesivamente, hasta la doble octava, con el fin de resonar con las notas más deseables y armoniosas. ^{[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]}

Durante la edad de oro del Islam , se cree que Abū Rayhān al-Bīrūnī (973–1048) postuló que la velocidad del sonido era mucho menor que la velocidad de la luz. ^{[ 14 ] [ 15 ]}

La comprensión física de los procesos acústicos avanzó rápidamente durante y después de la Revolución Científica . Principalmente Galileo Galilei (1564-1642), pero también Marin Mersenne (1588-1648), descubrieron de forma independiente las leyes completas de las cuerdas vibrantes (completando lo que Pitágoras y los pitagóricos habían comenzado 2000 años antes). Galileo escribió: «Las ondas se producen por las vibraciones de un cuerpo sonoro, que se propagan por el aire, llevando al tímpano del oído un estímulo que la mente interpreta como sonido», una afirmación notable que apunta a los inicios de la acústica fisiológica y psicológica. Entre 1630 y 1680, varios investigadores, entre los que destacó Mersenne, llevaron a cabo con éxito mediciones experimentales de la velocidad del sonido en el aire. Inspirado por la Harmonie universelle ( Armonía Universal ) de Mersenne, publicada en 1634, el erudito jesuita Athanasius Kircher, afincado en Roma, emprendió investigaciones en acústica. ^{[ 16 ]} Kircher publicó dos libros importantes sobre acústica: la Musurgia universalis ( Música universal ) en 1650 ^{[ 17 ]} y la Phonurgia nova ( Nueva creación de sonidos ) en 1673. ^{[ 18 ]} Mientras tanto, Newton (1642–1727) derivó la relación para la velocidad de las ondas en los sólidos, una piedra angular de la acústica física ( Principia , 1687).

Durante el siglo XVIII, Euler (1707-1783), Lagrange (1736-1813) y d'Alembert (1717-1783) realizaron importantes avances en acústica, basados ​​en conceptos matemáticos y físicos más sólidos. En esta época, la física del continuo, o teoría de campos, comenzó a adquirir una estructura matemática definida. La ecuación de onda surgió en diversos contextos, incluida la propagación del sonido en el aire. ^{[ 19 ]}

En el siglo XIX, las figuras más destacadas de la acústica matemática fueron Helmholtz en Alemania, quien consolidó el campo de la acústica fisiológica, y Lord Rayleigh en Inglaterra, quien combinó los conocimientos previos con sus propias y abundantes contribuciones al campo en su monumental obra La teoría del sonido (1877). También en el siglo XIX, Wheatstone, Ohm y Henry desarrollaron la analogía entre la electricidad y la acústica.

El siglo XX presenció un auge en las aplicaciones tecnológicas del vasto conocimiento científico ya existente. La primera de estas aplicaciones fue el trabajo pionero de Sabine en acústica arquitectónica, al que siguieron muchas otras. La acústica subacuática se utilizó para detectar submarinos en la Primera Guerra Mundial . La grabación de sonido y el teléfono desempeñaron un papel fundamental en la transformación global de la sociedad. La medición y el análisis del sonido alcanzaron nuevos niveles de precisión y sofisticación gracias al uso de la electrónica y la informática. El rango de frecuencias ultrasónicas permitió aplicaciones totalmente nuevas en medicina e industria. Se inventaron y se pusieron en uso nuevos tipos de transductores (generadores y receptores de energía acústica).

En fluidos como el aire y el agua, las ondas sonoras se propagan como perturbaciones en la presión ambiental. Si bien esta perturbación suele ser pequeña, es perceptible para el oído humano. El sonido más débil que una persona puede oír, conocido como umbral de audición , es nueve órdenes de magnitud menor que la presión ambiental. La intensidad de estas perturbaciones se relaciona con el nivel de presión sonora (SPL), que se mide en una escala logarítmica en decibelios.

Los físicos e ingenieros acústicos suelen hablar de los niveles de presión sonora en términos de frecuencias, en parte porque así es como nuestros oídos interpretan el sonido. Lo que percibimos como sonidos agudos o graves son vibraciones de presión con un mayor o menor número de ciclos por segundo. En una técnica común de medición acústica, las señales acústicas se muestrean en el tiempo y luego se presentan en formatos más significativos, como bandas de octava o gráficos de tiempo-frecuencia. Ambos métodos, muy utilizados, se emplean para analizar el sonido y comprender mejor el fenómeno acústico.

El espectro completo se puede dividir en tres secciones: audio, ultrasonido e infrasónico. El rango de audio se encuentra entre 20 Hz y 20 000  Hz. Este rango es importante porque sus frecuencias pueden ser detectadas por el oído humano. Tiene diversas aplicaciones, como la comunicación verbal y la música. El rango ultrasónico se refiere a las frecuencias muy altas: 20 000  Hz y superiores. Este rango tiene longitudes de onda más cortas, lo que permite una mejor resolución en las tecnologías de imagen. Las 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 el rango infrasónico. Estas frecuencias se pueden utilizar para estudiar fenómenos geológicos como los terremotos.

Los instrumentos analíticos, como el analizador de espectro, facilitan la visualización y la medición de las señales acústicas y sus propiedades. El espectrograma que produce dicho instrumento es una representación gráfica de los perfiles de nivel de presión y frecuencia que varían con el tiempo y que confieren a una señal acústica específica su carácter distintivo.

Un transductor es un dispositivo que convierte una forma de energía en otra. En el contexto electroacústico, esto significa convertir la energía sonora en energía eléctrica (o viceversa). Entre los transductores electroacústicos se incluyen altavoces , micrófonos , sensores de velocidad de partículas , hidrófonos y proyectores de sonar . Estos dispositivos convierten una onda sonora en una señal eléctrica o viceversa. Los principios de transducción más utilizados son el electromagnetismo , la electrostática y la piezoelectricidad .

Los transductores de la mayoría de los altavoces (por ejemplo, woofers y tweeters ) son dispositivos electromagnéticos que generan ondas mediante un diafragma suspendido accionado por una bobina móvil electromagnética , emitiendo ondas de presión. Los micrófonos de electreto y de condensador utilizan la electrostática: cuando la onda sonora incide sobre el diafragma del micrófono, este se mueve e induce un cambio de voltaje. Los sistemas ultrasónicos empleados en la ecografía médica utilizan transductores piezoeléctricos. Estos están fabricados con cerámicas especiales en las que las vibraciones mecánicas y los campos eléctricos se interrelacionan gracias a una propiedad del propio material.

Existen muchos tipos de acústicos, pero generalmente poseen una licenciatura o una titulación superior. Algunos tienen un título en acústica, mientras que otros acceden a la disciplina a través de estudios en campos como la física o la ingeniería . Gran parte del trabajo en acústica requiere una sólida base en matemáticas y ciencias . Muchos científicos acústicos trabajan en investigación y desarrollo. Algunos realizan investigación básica para ampliar nuestro conocimiento sobre la percepción (por ejemplo, la audición , la psicoacústica o la neurofisiología ) del habla , la música y el ruido . Otros científicos acústicos profundizan en la comprensión de cómo el sonido se ve afectado al propagarse por diferentes entornos, por ejemplo, la acústica subacuática , la acústica arquitectónica o la acústica estructural . Otras áreas de trabajo se enumeran en las subdisciplinas que se detallan a continuación. Los científicos acústicos trabajan en laboratorios gubernamentales, universitarios y de la industria privada. Muchos se dedican posteriormente a la ingeniería acústica . Algunos puestos, como el de profesorado (personal académico), requieren un doctorado .

La arqueoacústica , también conocida como la arqueología del sonido, es una de las pocas maneras de experimentar el pasado con sentidos distintos a la vista. ^{[ 21 ]} La arqueoacústica se estudia analizando las propiedades acústicas de yacimientos prehistóricos, incluidas las cuevas. Iegor Rezkinoff, arqueólogo del sonido, estudia las propiedades acústicas de las cuevas mediante sonidos naturales como el tarareo y el silbido. ^{[ 22 ]} Las teorías arqueológicas de la acústica se centran en los propósitos rituales, así como en la ecolocalización en las cuevas. En arqueología, los sonidos acústicos y los rituales se correlacionan directamente, ya que ciertos sonidos tenían como objetivo acercar a los participantes del ritual a un despertar espiritual. ^{[ 21 ]} También se pueden establecer paralelismos entre las pinturas rupestres y las propiedades acústicas de la cueva; ambas son dinámicas. ^{[ 22 ]} Dado que la arqueoacústica es una disciplina arqueológica relativamente nueva, el sonido acústico aún se está investigando en estos yacimientos prehistóricos.

La aeroacústica es el estudio del ruido generado por el movimiento del aire, por ejemplo, mediante la turbulencia, y la propagación del sonido a través del aire. Este conocimiento se aplicó en las décadas de 1920 y 1930 para detectar aeronaves antes de la invención del radar y se aplica en la ingeniería acústica para estudiar cómo reducir el ruido de los aviones . La aeroacústica es importante para comprender el funcionamiento de los instrumentos musicales de viento . ^{[ 23 ]}

El procesamiento de señales acústicas es la manipulación electrónica de señales acústicas. Sus aplicaciones incluyen: control activo de ruido ; diseño de audífonos o implantes cocleares ; cancelación de eco ; recuperación de información musical y codificación perceptiva (por ejemplo, MP3 u Opus ). ^{[ 24 ]}

La acústica arquitectónica (también conocida como acústica de edificios) implica la comprensión científica de cómo lograr un buen sonido dentro de un edificio. ^{[ 25 ]} Generalmente incluye el estudio de la inteligibilidad del habla, la privacidad del habla, la calidad de la música y la reducción de vibraciones en el entorno construido. ^{[ 26 ]} Los entornos comúnmente estudiados son hospitales, aulas, viviendas, salas de espectáculos, estudios de grabación y radiodifusión. Las consideraciones principales incluyen la acústica de salas, la transmisión aérea y por impacto en estructuras de edificios, el control del ruido aéreo y estructural, el control del ruido de los sistemas de edificios y los sistemas electroacústicos. ^{[ 27 ]}

La bioacústica es el estudio científico de la audición y las vocalizaciones de los animales, así como de cómo los animales se ven afectados por la acústica y los sonidos de su hábitat. ^{[ 28 ]}

Esta subdisciplina se ocupa de la grabación, manipulación y reproducción de audio mediante electrónica. ^{[ 29 ]} Esto podría incluir productos como teléfonos móviles , sistemas de megafonía a gran escala o sistemas de realidad virtual en laboratorios de investigación.

La acústica ambiental es el estudio del ruido y las vibraciones, y su impacto en las estructuras, los objetos, los seres humanos y los animales.

El objetivo principal de estos estudios es reducir los niveles de ruido y vibración ambiental. El trabajo y la investigación típicos en acústica ambiental se centran en el desarrollo de modelos utilizados en simulaciones, técnicas de medición, estrategias de mitigación del ruido y el desarrollo de normas y reglamentos. Actualmente, la investigación también se enfoca en el uso positivo del sonido en entornos urbanos: paisajes sonoros y tranquilidad . ^{[ 30 ]}

Ejemplos de fuentes de ruido y vibración incluyen ferrocarriles, ^{[ 31 ]} tráfico rodado, aeronaves, equipos industriales y actividades recreativas. ^{[ 32 ]}

La 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 computacional de la música y la composición, y la percepción y la neurociencia cognitiva de la música . ^{[ 33 ]}

Se han realizado numerosos estudios para identificar la relación entre la acústica y la cognición , o más comúnmente conocida como psicoacústica , en la que lo que se oye es una combinación de percepción y aspectos biológicos. ^{[ 34 ]} La información interceptada por el paso de las ondas sonoras a través del oído se comprende e interpreta a través del cerebro, lo que subraya la conexión entre la mente y la acústica. Se han observado cambios psicológicos a medida que las ondas cerebrales se ralentizan o aceleran como resultado de la variación del estímulo auditivo, lo que a su vez puede afectar la forma en que uno piensa, siente o incluso se comporta. ^{[ 35 ]} Esta correlación puede observarse en situaciones cotidianas normales en las que escuchar una canción animada o de ritmo rápido puede hacer que uno empiece a golpear el pie, o una canción más lenta puede dejar a uno una sensación de calma y serenidad. En un análisis biológico más profundo del fenómeno de la psicoacústica, se descubrió que el sistema nervioso central se activa por las características acústicas básicas de la música. ^{[ 36 ]} Al observar cómo el sistema nervioso central, que incluye el cerebro y la médula espinal, es influenciado por la acústica, se evidencia la vía por la cual la acústica afecta la mente y, esencialmente, el cuerpo. ^{[ 36 ]}

Los acústicos estudian la producción, el procesamiento y la percepción del habla. El reconocimiento y la síntesis del habla son dos áreas importantes del procesamiento del habla mediante computadoras. El tema también se relaciona con las disciplinas de la física, la fisiología , la psicología y la lingüística . ^{[ 37 ]}

La acústica estructural es el estudio de los movimientos e interacciones de los sistemas mecánicos con su entorno y los métodos para su medición, análisis y control. Dentro de este campo se encuentran varias subdisciplinas:

• Análisis modal
• Caracterización de materiales
• Monitoreo de la salud estructural
• Metamateriales acústicos
• acústica de fricción

Las aplicaciones podrían incluir vibraciones del suelo producidas por ferrocarriles; aislamiento de vibraciones para reducir las vibraciones en quirófanos; estudio de cómo las vibraciones pueden dañar la salud ( dedo blanco por vibración ); control de vibraciones para proteger un edificio de terremotos, o medición de cómo el sonido transmitido por la estructura se propaga a través de los edificios. ^{[ 38 ]}

La ultrasonografía se ocupa de sonidos con frecuencias demasiado altas para ser audibles por los humanos. Sus especialidades incluyen la ultrasonografía médica (incluida la ecografía médica), los sensores ultrasónicos , la sonoquímica , los ensayos ultrasónicos , la caracterización de materiales y la acústica subacuática ( sonar ). ^{[ 39 ]}

La acústica subacuática es el estudio científico de los sonidos naturales y artificiales bajo el agua. Sus aplicaciones incluyen el sonar para localizar submarinos , la comunicación subacuática de las ballenas , la monitorización del cambio climático mediante la medición acústica de la temperatura del mar , las armas sónicas ^{[ 40 ]} y la bioacústica marina ^{[ 41 ] .}

• La Sociedad Acústica de América (ASA)
• Sociedad Acústica Australiana (AAS)
• La Asociación Europea de Acústica (EAA)
• Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE)
• Instituto de Acústica (IoA Reino Unido)
• La Sociedad de Ingeniería de Audio (AES)
• Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos, División de Control de Ruido y Acústica (ASME-NCAD)
• Comisión Internacional de Acústica (ICA)
• Instituto Americano de Aeronáutica y Astronáutica, Aeroacústica (AIAA)
• Asociación Internacional de Música por Computadora (ICMA)

• Acústica | Una revista de acceso abierto de MDPI
• Acústica hoy
• Acta Acustica se unió a Acustica
• Avances en acústica y vibración
• Acústica Aplicada
• Acústica de edificios
• Transacciones IEEE sobre Ultrasonidos, Ferroeléctricos y Control de Frecuencia
• Revista de la Sociedad Acústica de América (JASA)
• Revista de la Sociedad Acústica de América, Cartas Expresas (JASA-EL)
• Revista de la Sociedad de Ingeniería de Audio
• Revista de Sonido y Vibración (JSV)
• Revista de Vibraciones y Acústica de la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos
• Revista de Ingeniería de Control de Ruido
• Revista Internacional SAE de Dinámica, Estabilidad y NVH de Vehículos
• Ultrasonidos (revista)
• Sonoquímica ultrasónica
• Movimiento ondulatorio

• Congreso y Exposición Europea sobre Ingeniería de Control de Ruido ('EuroNoise')
• Foro Acústico
• Simposio Internacional de Ultrasonidos del IEEE
• Conferencia Internacional 'InterNoise'
• Conferencia Internacional sobre Ingeniería de Ruido y Vibraciones (ISMA)
• Congreso Internacional sobre Sonido y Vibración
• Conferencia Internacional sobre Ingeniería de Control de Ruido 'NoiseCon'
• Conferencia y Exposición de la SAE sobre Ruido y Vibraciones