Un poco de historia
¡Imagínense, mis amigos, que la acústica tiene sus raíces en la antigüedad misma! Sí, sí, cuando los sabios filósofos griegos se rascaban la barbilla y se preguntaban sobre la naturaleza y el origen de los sonidos. Y no podemos olvidar que los primeros instrumentos musicales surgieron hace más de 40.000 años. ¡Eso es más antiguo que la canción del abuelo del abuelo de tu abuelo!
Ahora, atención, porque el primer tratado científico sobre el sonido fue escrito por nada más y nada menos que Pitágoras en el siglo VI a.C. ¡Sí, ese mismo Pitágoras con su famoso teorema! Parece que tenía más de un as bajo la manga, ¿no creen?
Pero volvamos al presente y hablemos de cosas más emocionantes. ¿Alguna vez han escuchado hablar del eco? Ese reflejo del sonido que nos sorprende cuando choca con un obstáculo. Pues bien, fue el genial Leonardo da Vinci, sí, el de la sonrisa misteriosa, quien se dedicó a estudiar el eco por primera vez. En el siglo XV, este talentoso matemático italiano se puso manos a la obra y realizó unos experimentos increíbles.
Ahora, hablemos del efecto Doppler. ¿Lo conocen? Es ese fenómeno que hace que el sonido de una ambulancia cambie de tono cuando se acerca o se aleja de nosotros. Pues bien, fue el físico austriaco Christian Doppler quien lo descubrió en 1842. Pero lo hizo de una manera muy peculiar, ¡con músicos en un vagón de tren! Parece que los trenes y la música van de la mano en la historia de la acústica.
Sin embargo, la acústica no progresó significativamente hasta que W.C. Sabine llevó la acústica arquitectónica a la categoría de ciencia con una serie de artículos entre 1900 y 1915. Luego, con la invención del tríodo de alto vacío en 1907 y el advenimiento de la radiodifusión en 1920, la acústica comenzó a despertar un mayor interés.
Con los amplificadores de válvula disponibles, fue posible producir sonidos de la frecuencia deseada con la intensidad adecuada y medir incluso los sonidos más débiles. Además, las válvulas permitieron construir instrumentos de medición compactos, robustos e insensibles a las corrientes de aire.
La acústica de las comunicaciones se vio impulsada por los esfuerzos de los Bell Telephone Laboratories y el desarrollo del sistema telefónico en los Estados Unidos. La acústica arquitectónica también recibió un gran impulso gracias a los aportes teóricos y experimentales de instituciones como la Universidad de Harvard, el Instituto Tecnológico de Massachusetts y la Universidad de California en Los Ángeles, durante las décadas de 1930 y 1940.
Durante este período, se estudiaron en detalle el decrecimiento del sonido en locales rectangulares, se introdujo el método de especificación de materiales acústicos por impedancia y se fundamentó con precisión el cálculo de la atenuación del sonido en conductos. Se demostraron las ventajas de las paredes irregulares y del uso de materiales acústicos en zonas específicas en lugar de cubrir toda la superficie de las paredes. También se introdujeron absorbentes funcionales y se desarrolló la ciencia de la sicoacústica.
Ahora una anécdota: ¿saben qué es la cámara anecoica? Es una sala especial diseñada para absorber todo el sonido y crear un ambiente totalmente silencioso. ¿Y saben quién la creó? Pues fue un ingeniero estadounidense llamado Leo Beranek, que en 1940 construyó la primera cámara anecoica en la Universidad de Harvard. Pero lo más sorprendente es que Beranek no solo era un experto en acústica, sino también un gran músico: tocaba el piano, el violín y la viola, y compuso varias obras musicales.
La acústica penetró en el campo de la medicina y la química a través de los ultrasonidos, se experimentó con la diatermia ultrasónica y la aceleración de reacciones químicas mediante ultrasonidos.
Durante la Segunda Guerra Mundial, se necesitaron dispositivos para la detección de submarinos y medios de comunicación confiables en entornos ruidosos, como tanques y aeronaves. Se establecieron grandes laboratorios en varios países para abordar estos problemas.
La tecnología también ha desempeñado un papel importante en el avance de la acústica. Los sistemas de medición y análisis acústico se han vuelto más precisos y sofisticados, y las herramientas de simulación por computadora permiten realizar estudios detallados de los fenómenos acústicos en diferentes entornos.
Definición
La acústica es la ciencia que estudia cómo se oye el sonido, pero no en el vacío, porque ahí no hay nada que oír. La acústica se ocupa de las ondas sonoras que viajan por el aire, el agua, la tierra y otros materiales, y de cómo afectan a nuestros oídos y a nuestro cerebro. La acústica también nos ayuda a hacer música, a construir edificios con buena sonoridad y a evitar el ruido molesto. La acústica es una rama de la física muy interesante y divertida, sobre todo si te gusta cantar en la ducha.
La acústica del sonido es la rama de la física que estudia el sonido, es decir, las ondas mecánicas que se propagan por un medio elástico (como el aire, el agua o los sólidos) y que pueden ser percibidas por el oído humano. El sonido se produce cuando un cuerpo vibra y hace vibrar el medio que lo rodea. Por ejemplo, cuando hablamos, nuestras cuerdas vocales vibran y hacen vibrar el aire que sale de nuestra boca. Ese aire vibrante llega a los oídos de las personas que nos escuchan y hace vibrar sus tímpanos. Así es como se transmite el sonido.
Propiedades del sonido: frecuencia, amplitud, longitud de onda, velocidad del sonido
El sonido tiene varias propiedades que podemos medir y describir. Algunas de las más importantes son:
- La frecuencia: es el número de vibraciones que hace el cuerpo sonoro en un segundo. Se mide en hercios (Hz). La frecuencia determina el tono del sonido, es decir, si es más agudo o más grave. Por ejemplo, un silbato tiene una frecuencia alta y suena agudo, mientras que un tambor tiene una frecuencia baja y suena grave.
- La amplitud: es la distancia máxima que se desplaza el medio elástico al vibrar. Se mide en decibelios (dB). La amplitud determina la intensidad del sonido, es decir, si es más fuerte o más débil. Por ejemplo, un grito tiene una amplitud alta y suena fuerte, mientras que un susurro tiene una amplitud baja y suena débil.
- La velocidad: es la distancia que recorre el sonido en un segundo. Se mide en metros por segundo (m/s). La velocidad depende del medio por el que se propaga el sonido. Por ejemplo, el sonido se propaga más rápido por el agua que por el aire, y más rápido por el hierro que por el agua.
- La longitud de onda es la distancia que hay entre dos puntos consecutivos de una onda que están en la misma fase. Se mide en metros (m). La longitud de onda está relacionada con la frecuencia y la velocidad del sonido. A mayor longitud de onda, menor es la frecuencia y menor es la velocidad del sonido. A menor longitud de onda, mayor es la frecuencia y mayor es la velocidad del sonido. Por ejemplo, las ondas de radio tienen una longitud de onda larga y una frecuencia baja. La luz visible tiene una longitud de onda corta y una frecuencia alta.
- El timbre: es la cualidad del sonido que nos permite distinguir entre dos sonidos de la misma frecuencia y amplitud. El timbre depende de la forma de la onda sonora y de los armónicos que la acompañan. Los armónicos son ondas de frecuencia múltiplo de la frecuencia fundamental. Por ejemplo, una flauta y un violín pueden tocar la misma nota con la misma intensidad, pero tienen timbres diferentes porque sus ondas tienen formas y armónicos distintos.
Aplicaciones de la acústica
Les voy a contar algunas de las aplicaciones más importantes y curiosas de la acústica, esa ciencia que nos ayuda a entender mejor el mundo que nos rodea.
Cada una de estas ramas tiene sus propias aplicaciones prácticas, que van desde el diseño de edificios y salas de conciertos hasta el diagnóstico médico y la comunicación animal. Veamos algunos ejemplos:
- La arquitectura: es el arte y la técnica de proyectar y construir edificios. La acústica del sonido se usa para diseñar espacios con buena calidad acústica. Por ejemplo, un auditorio debe tener una buena reverberación (el tiempo que tarda en desaparecer el eco) para que se escuche bien la música. Un aula debe tener una buena absorción (la capacidad de reducir el nivel de ruido) para que se escuche bien al profesor. La acústica arquitectónica se ocupa de estudiar el comportamiento del sonido en los espacios construidos, para optimizar la calidad acústica y evitar problemas como el ruido o la reverberación. Por ejemplo, gracias a la acústica arquitectónica se pueden diseñar salas de cine, teatros, auditorios, aulas o iglesias que tengan una buena sonoridad y una adecuada inteligibilidad de la palabra.
- La música: es el arte de combinar los sonidos de forma armoniosa y expresiva. Los instrumentos musicales producen sonidos con diferentes frecuencias, amplitudes, velocidades y timbres. Los músicos utilizan estos parámetros para crear melodías, ritmos y armonías. La acústica musical se dedica a analizar el sonido producido por los instrumentos musicales, tanto desde el punto de vista físico como perceptivo. Por ejemplo, gracias a la acústica musical se pueden afinar los instrumentos, mejorar su timbre y su potencia, crear nuevos sonidos y efectos, o entender cómo funciona el sistema auditivo humano cuando escucha música.
- La comunicación: es el proceso de transmitir información mediante signos orales o escritos. Los signos orales se basan en los sonidos del lenguaje humano. Los signos escritos se basan en símbolos gráficos que representan los sonidos del lenguaje humano. Los medios de comunicación utilizan dispositivos tecnológicos para grabar, transmitir y reproducir los sonidos.La electroacústica es la disciplina que combina la acústica con la electrónica, para crear dispositivos que permitan captar, transformar, transmitir o reproducir el sonido. Por ejemplo, gracias a la electroacústica se pueden fabricar micrófonos, altavoces, auriculares, amplificadores, ecualizadores, filtros o sintetizadores de sonido.
- La medicina: es la ciencia que estudia la salud y las enfermedades de los seres vivos. La acústica del sonido se usa para diagnosticar y tratar algunas enfermedades. Por ejemplo, el ecógrafo usa ondas de ultrasonido (sonidos con frecuencias muy altas) para obtener imágenes del interior del cuerpo humano. El foniatra usa ondas de infrasonido (sonidos con frecuencias muy bajas) para tratar problemas de la voz. La bioacústica es la ciencia que estudia el sonido en relación con los seres vivos, tanto en su producción como en su recepción. Por ejemplo, gracias a la bioacústica se pueden investigar los mecanismos de comunicación de los animales, los efectos del ruido sobre la salud y el comportamiento de las especies, o las aplicaciones médicas del ultrasonido para el diagnóstico y el tratamiento de enfermedades.
- La hidroacústica es la rama de la acústica que se ocupa del sonido en el agua y otros fluidos. Por ejemplo, gracias a la hidroacústica se pueden desarrollar sistemas de navegación submarina, detección de objetos sumergidos, exploración del fondo marino o estudio de los ecosistemas acuáticos.
Modelos de propagación del sonido: ondas, frentes de onda y radiación acústica
Como vimos antes, el sonido se propaga en forma de ondas, que son perturbaciones que se propagan en un medio sin transportar materia, solo energía. Las ondas sonoras tienen unas características que las definen, como la frecuencia, la longitud de onda, la amplitud y la velocidad.
Pero no todas las ondas sonoras se propagan de la misma manera. Dependiendo del medio en el que se propagan y de las condiciones del entorno, el sonido puede sufrir fenómenos como la reflexión, la refracción, la difracción y la absorción. Estos fenómenos afectan a la forma en que percibimos el sonido y a su calidad. Por eso existen diferentes modelos de propagación del sonido, que intentan describir cómo se comportan las ondas sonoras en distintas situaciones.
Uno de los modelos más sencillos es el modelo de ondas planas, que supone que las ondas sonoras se propagan en líneas rectas y paralelas, sin sufrir ningún fenómeno de reflexión o refracción. Este modelo es válido cuando la fuente sonora está muy lejos del receptor o cuando el medio es homogéneo e isotrópico. En este caso, las ondas sonoras tienen una forma plana y se pueden representar con líneas rectas perpendiculares a la dirección de propagación.
Otro modelo más complejo es el modelo de frentes de onda, que supone que las ondas sonoras se propagan en superficies curvas llamadas frentes de onda, que son perpendiculares a la dirección de propagación. Este modelo es válido cuando la fuente sonora está cerca del receptor o cuando el medio es heterogéneo o anisotrópico. En este caso, las ondas sonoras tienen una forma curva y se pueden representar con círculos o esferas concéntricas alrededor de la fuente.
Un tercer modelo es el modelo de radiación acústica, que supone que las ondas sonoras se propagan en todas direcciones desde la fuente, como si fuera una fuente puntual. Este modelo es válido cuando la fuente sonora tiene unas dimensiones muy pequeñas comparadas con la longitud de onda del sonido o cuando el medio es muy absorbente. En este caso, las ondas sonoras tienen una forma esférica y se pueden representar con rayos que salen desde la fuente.
