Muchos dispositivos electrónicos trabajan con sonidos, produciéndolos, reproduciéndolos, grabándolos o incluso leyéndolos. En electrónica, hogar, industrial, telecomunicaciones y otros, podemos encontrar varios tipos de dispositivos que funcionan básicamente con sonidos. Para entender cómo estos dispositivos funcionan, en primer lugar, debemos entender lo que es el sonido.
E-book o en Papel
para su biblioteca
La Naturaleza Del Sonido
Aunque las vibraciones tienen no tenga naturaleza eléctrica, como pueden ser captadas y reproducidas por los accesorios eléctricos, su estudio es muy importante para aquellos que quieren conocer electrónica. Como ejemplo podemos citar los sensores acústicos para el uso industrial, interfonos y sistemas multimedia incluso hacen mucho uso de estas vibraciones, puesto que los altavoces de amplificadores producen sonidos y, además, tenemos las entradas para los sonidos captados por micrófonos.
Las ondas sonoras son vibraciones mecánicas que necesitan de un medio material para la propagación. Un sonido en lo vacío no se propaga. Una experiencia tradicional demuestra que esto es verdad es hacer funcionar una campana dentro de un cristal, que ha eliminado todo el aire. El silencio es absoluto, porque donde no hay medios para propagar el sonido y él no puede ser oído, como el lector puede ver en la figura 206.
En la luna sería imposible una conversación, puesto que tiene no hay atmosfera y los sonidos de explosiones "en el espacio que vemos en películas de ficción consisten en una aberración, porque allí todo es silencio. En el aire, el sonido se propaga en forma de ondas de compresión y descompresión, como se muestra en la figura 207.
Por lo tanto, un altavoz para reproducir un sonido, debe impulsar el aire para producir una onda de compresión y entonces debe moverse en la dirección opuesta, de modo a producir una onda de descompresión. Como compresión y descompresión se propagan en la misma velocidad en el aire que a presión y temperatura estándar, es de unos 340 metros por segundo.
Cuando estas ondas de compresión y descompresión llegan a nuestros oídos actúan sobre una fina membrana en su interior, denominada tímpano, que transmite las vibraciones al sistema interno. El sistema mecánico interno de nuestros oídos, formado por algunos huesos móviles demasiado delicados, "traduce" la información sobre la naturaleza del sonido recogido y los envía al cerebro a través de las conexiones nerviosas. En la figura 208 tienen una visión de nuestro sistema auditivo.
Espectro Audible
Hay un límite bien definido para el tipo de vibraciones de sonido que nuestro oído puede percibir. Así, tenemos inicialmente un límite inferior para las frecuencias de las vibraciones que determina nuestro rango de audiencia y que es de alrededor de 16 Hz o 16 vibraciones por segundo.
Este límite corresponde a los sonidos más graves que podemos escuchar. No podemos oír las vibraciones que se producen más lentamente que la tasa de 16 por segundo.
A medida que aumenta la frecuencia de sonidos o vibraciones, ellas producen distintas sensaciones. Inicialmente, se convierten en medio y después agudos hasta que se alcanza el valor máximo que podemos percibir. A la gente común el valor varía un poco, pero está alrededor de 16 000 Hertz.
Esta frecuencia corresponde a mayor sonido que puede oír la mayoría de las personas. Ver figura 209 donde mostramos un gráfico que representa la gama audible, es decir, donde están los sonidos de todas las frecuencias que podemos escuchar.
Por debajo del límite inferior contamos con la gama de infrasonidos y por encima del límite superior del oído tenemos vibraciones llamadas ultrasonidos. Hay animales como el murciélago, el delfín y hasta el perro que tienen un límite máximo de audiencia por encima de nosotros. Estos animales pueden oír frecuencias ultrasónicas que incluso en algunos casos alcanzando de 100 000 Hz o 100 kHz.
Características De Los Sonidos
Los sonidos tienen características que necesitan ser conocidas por aquellos que quieren utilizarlos, especialmente en aplicaciones en electrónica o la producción de circuitos. Podemos distinguir diferentes sonidos por sus características.
Aprender a diferenciar estas características es muy importante tanto para quienes trabajan con sonido como diseños de equipos de sonido.
Altura de un sonido
La altura de un sonido es la característica que está ligada a su frecuencia.
Decimos que un sonido es más alto que otro cuando su frecuencia es mayor.
Los sonidos de baja frecuencia se llaman graves, entonces tenemos medios y finalmente los agudos. Un sonido más alto es, por tanto, un sonido de mayor frecuencia. Para los instrumentos musicales podemos decir que el sonido del violín es más alto que el sonido de la guitarra.
No debemos confundir la altura del sonido con su intensidad o volumen como se explica a continuación.
Volumen o Intensidad
El volumen o intensidad es la característica de sonido vinculada a la fuerza con que se producen las ondas de compresión y descompresión. El volumen o intensidad se asocian con la potencia del sonido.
Dos amplificadores que tienen diferentes potencias, cuando se conectan al máximo volumen, producen sonidos con volúmenes o diferentes intensidades. La representación de dos sonidos con la misma frecuencia en diferentes intensidades se hace como el lector puede ver la figura 210.
Recordamos que las ondas de sonido llevan energía y que esta energía puede tener efectos destructivos. Así, escuchar el sonido de gran intensidad, como ocurre en numerosos clubes nocturnos, conciertos y aún mediante el uso de auriculares, puede causar problemas de audición como la capacidad auditiva y aún sordera.
Incluso se utilizan ondas sonoras de alta intensidad en la limpieza de herramientas y equipos. Su energía, por ejemplo, puede utilizarse para limpiar objetos de metal (joyas, por ejemplo) con un limpiador ultrasónico, como se muestra en la figura 211.
Timbre
El timbre es la característica del sonido que nos permite distinguir la misma nota musical emitida por dos instrumentos diferentes. Podemos decir que este es el "color" o "personalidad" del sonido.
De la misma manera que las oscilaciones pueden ser suaves, causado por un movimiento de ir y venir de un cono de altavoz, también puede producir sonidos de los movimientos bruscos o irregulares de un objeto.
Poniendo los dos tipos de sonidos y incluso otros en un gráfico, vemos que para los movimientos que corresponden a un sonido puro, la representación es una senóide. Sin embargo, para otros sonidos, las vibraciones pueden ser representadas de otras maneras.
Nuestros oídos pueden percibir las diferencias entre dos sonidos que tienen la misma frecuencia, pero tienen diferentes timbres o modos de vibración.
Así, las mismas notas de diferentes instrumentos tienen la misma frecuencia y aún la misma intensidad, pero cómo tener timbres diferentes, podemos saber qué clase de instrumento es de. ¡La nota c de la guitarra es diferente de la c de un piano en el timbre! Ver figura 212 lo que ocurre con algunos instrumentos.
Cuando un amplificador reproduce un sonido al cambiar su forma de onda original, nuestros oídos perciben, lo cual resulta en un efecto no deseado que es la distorsión.
Sabemos que las ondas sonoras no se propagan en el vacío, pero además de esta propiedad tienen algunas otras importantes.
Longitud de onda
Este es un concepto muy importante que también se aplica a otros tipos de perturbaciones que se propagan por el espacio en forma de ondas, como las ondas de radio. Suponiendo un ciclo completo para producir un sonido senoidal, imaginemos, que en el momento que tenemos su producción ello comienza su propagación a través de un medio material como el aire.
Cuando se termina el ciclo, su frente, es decir, la parte inicial de la perturbación estará a cierta distancia. Esta distancia corresponde a la distancia que recorre un ciclo completo al se producir y se llama "longitud de onda". Ella está representada por la letra griega lambda (?). Ver figura 213.
Vea que esa longitud de onda dependerá crucialmente de dos factores: la velocidad de propagación y la frecuencia. Podemos relacionar las tres dimensiones utilizando una fórmula que es importante:
v = λ x f
Donde:
v es la velocidad de propagación (m/s)
λ es la longitud de onda (m)
f es la frecuencia (Hz)
Para el sonido en aire en condiciones normales, puede podemos fijar v en 340 m/s.
La velocidad de propagación del sonido varía dependiendo de los materiales.
Propiedades de los Sonidos
Los sonidos se propagan sólo por medios materiales y en forma de ondas longitudinales o transversales. Esto hace que presente ciertas propiedades que el lector debe conocer. Las principales propiedades de los sonidos son:
Reflexión
Si las ondas sonoras inciden en un objeto dotado con un cierto grado de flexibilidad y con una cierta extensión, puede reflejarse, es decir, "golpear y regresar", como se muestra en la figura 214.
Hay un tiempo mínimo para que nuestros oídos puedan distinguir dos sonidos sucesivos, dados precisamente las características de respuesta de frecuencia que presenta. Por lo tanto, si el rango que se producen entre la emisión del sonido y su recepción pasa de de 0,1 segundos, podemos entender claramente dos sonidos: lo emitida y lo reflejado. Luego tienes el fenómeno conocido como eco, como se muestra en la figura 215.
Vea que, para que tener una separación de 0.1 segundos entre los sonidos a una velocidad de 340 metros por segundo, esto representa una distancia total de 34 m, o 17 metros hacia fuera y 17 metros. r. Estos 17 metros corresponden a la distancia mínima que debe existir entre la persona y el punto de reflexión para haber eco.
Un fenómeno que ocurre cuando os tiempos de ida e de la vuelta del sonido reflejado es inferior a 0.1 segundos y, además, se producen sucesivas reflexiones, es la extensión del sonido, llamada reverberación. Es el efecto de sonido de “Catedral" en el que el sonido de un grito o una campana parece prolongarse indefinidamente, debido a reflexiones sucesivas en un rango menos menor de lo necesario para el eco.
Difracción
Otro fenómeno que ocurre con los sonidos es la difracción. Cuando una onda sonora encuentra un obstáculo a su propagación, como el borde de una superficie, como el lector puede ver en la figura 216, el borde puede funcionar como un elemento que curva las ondas sonoras.
Este fenómeno es más pronunciado con el sonido las ondas de mayor longitud, es decir, con el bajo. El principio de Huygens, que puede estudiarse en los libros de física de la escuela secundaria, explica lo que ocurre en una forma más detallada, si el lector desea profundizar en el tema.
El principio de Huygens explica por qué quien está en el otro lado de una cerca, una persona se da cuenta la aproximación de una banda, primero escuchando los sonidos de los instrumentos más graves (longitud de onda más larga), como la tuba y después los otros.
El Decibelio
Del sonido más flaco que podemos escuchar al más fuerte hay una gran variación de intensidad de sonido, que hace que el uso de una unidad de medida lineal más difícil. Del sonido más débil a lo más fuerte, la intensidad varía en trillones de veces.
La naturaleza, para ajustar las características del oído a todos los sonidos que podemos encontrar, le da una respuesta no lineal. Por lo tanto, el oído tiene mayor sensibilidad a los sonidos más débiles y, por otro lado, reduce su sensibilidad cuando los sonidos son más fuertes. Decimos que la respuesta de nuestro oído sigue una curva logarítmica, como se muestra en la figura 217.
Para facilitar la representación de intensidades de sonidos y aún sus cálculos se adoptó una unidad logarítmica llamada Bel (B). Lo qué hacen entonces es adoptar para la medición de volumen sonoro en una unidad logarítmica.
Esta unidad es el Bel, y en la práctica trabajamos con décimas de bel o el decibel, abreviado dB. Ver figura 218 la curva de sensibilidad del oído humano a los sonidos de distintas frecuencias con la escala en dB.
Los potenciómetros utilizados en los controles de volumen de los estéreos, radios y otros circuitos que operan con audio (sonido) tienen una curva de rendimiento logarítmico para adaptarse a las características del oído humano. Son potenciómetros que difieren del lineal (lin).
Resonancia
Otro fenómeno importante que ocurre con los sonidos y también con otras formas de vibración es la resonancia. Todos los cuerpos tienen una frecuencia propia de vibración, una frecuencia en que puede vibrar más fácilmente. Esta frecuencia depende del material de que están hechos, su forma y sus dimensiones.
Por eso, cuando golpeamos una pequeña barra de metal y una barra grande de los sonidos producidos tienen diferentes frecuencias. Cada barra tiende a vibrar en su propia frecuencia, como el lector puede ver la figura 219.
Una herramienta útil para la afinación de instrumentos musicales, que se basa enteramente en la resonancia es el diapasón. Como es posible ver en la figura 220, consta de una barra de metal en forma de una horquilla, que al ser golpeada o vergada) produce sonido en una frecuencia fija, normalmente la fa nota de 440 Hz en el que está basado en la afinación de una gran cantidad de instrumentos musicales.
La resonancia puede ser un fenómeno no deseado o no deseado en muchas aplicaciones de sonido. Se desea cuando se trata de producir un sonido de una frecuencia fija y puede tomar ventaja de las características físicas de un objeto. Los instrumentos musicales se basan totalmente en él.
Ella no es deseada, donde las fuertes vibraciones en la frecuencia en la cual un cuerpo tiende a vibrar trae algún tipo de problema. La resonancia de altavoces comunes en ciertas frecuencias, por ejemplo, puede distorsionar los sonidos de estas frecuencias haciendo la reproducción desagradable.
Aplicaciones para los Ultrasonidos
El ultrasonido puede utilizarse en varios tipos de aplicaciones prácticas, muchas de las cuales se basan en ejemplos encontrados en la naturaleza.
EL SONAR, por ejemplo, se basa en el sistema de orientación empleado por los murciélagos y delfines. Estos animales emiten ondas ultrasónicas de hasta de 100 000 Hz en algunos casos y tienen un oído sensible para captar sus ecos.
Según el eco, puede determinar el tamaño del objeto en el cual reflejaban las ondas y también si este objeto está en movimiento, con una idea de su dirección, como podemos ver en la figura 221.
Aprovechando esta idea usando un equipo denominado de ecobatímetro (que está basado en sonar) capaz de medir la profundidad del lugar donde se encuentran y también detectan cardúmenes de peces u objetos flotantes en profundidades intermedias. En la figura 222 tenemos el principio de funcionamiento de este equipo.
Por el tiempo la señal ultrasónica tiene para llegar al fondo y volver la profundidad y ecos intermedios indican la presencia de cardúmenes. Todo esto se presenta en una pantalla especial que ya tiene, en algunos casos, recursos para procesar la imagen, proporcionando hasta un perfil del fondo marino en el local de navegación.
En robótica también utiliza el mismo principio para detectar obstáculos y determinar la distancia a la que se encuentra. Un emisor de ultrassons se coloca delante del robot junto con el receptor, como el lector puede ver en figura 223.
Las ondas ultrasónicas son constantemente enviadas y recibidas, y si hay obstáculos en los que reflejen, un circuito que procesa constantemente el eco, determina su distancia por el tiempo que tardan para ir y volver.
La posibilidad de medir distancias o incluso detectar cosas at través de la reflexión de las ondas sonoras tiene también aplicaciones importantes en la industria. Uno de ellos consiste en la detección de defectos en una pieza de metal por medio de ultrasonido.
Si el ultrasonido se aplica en la pieza en teoría, sólo se produce en el otro extremo o cara de la pieza. Sin embargo, si hay cualquier "discontinuidad" para la propagación de las ondas como una falla interna o un crack, las ondas reflejan antes y el aparato puede hacer su detección. En la figura 224 nos ilustran lo que ocurre.
Efecto Doppler
Un efecto de extrema importancia para algunas aplicaciones con sonido y ultrasonido es el "efecto Doppler". Cuando un objeto emite un sonido, la frecuencia de ese sonido se modifica por su movimiento, como se muestra en la figura 225.
Una forma sencilla de entender, podemos decir que, si el objeto se mueve para lejos de la fuente, como podemos ver en la figura 226 las ondas reflejadas "estiran" y la parte del sonido que vuelve tiene una longitud de onda mayor o sea, menor frecuencia.
Si el objeto se aproxima de la fuente, las ondas reflejadas tienen su longitud "reducida" y con él el sonido es más agudo, es decir, tiene una frecuencia más alta. Nosotros podemos averiguarlo fácilmente cuando un automóvil pasa por nosotros tocando la bocina.
Cuando se aproxima de la bocina parece más aguda que cuando aleja. En el momento exacto pasa por que nos dimos cuenta de la transición del sonido.
Si conocemos la frecuencia del sonido podemos y medimos la frecuencia podemos determinar con precisión la velocidad del objeto en el que refleja, como se muestra en la figura 226.
Este principio, como veremos en la siguiente lección se utiliza con las ondas de radio, donde también se encuentra el efecto Doppler para los radares que miden la velocidad de los vehículos en las carreteras.
Sonido Estereofónico
Cuando usted compra un sistema de sonido, la primera preocupación que nos vienen a la mente es que sea estéreo o estereofónico, que es el término correcto, muchos lo asocian a la presencia de dos altavoces o parlantes, pero eso no es todo. Vea en este artículo lo qué es sonido estéreo, para no caer en trampas, comprando un equipo que realmente no tiene esta característica.
La palabra estéreo proviene del griego " stereos ", significa "sólido". En electro-acústica se utiliza esta palabra para denotar una forma de reproducción del sonido que se proporciona la sensación de "volumen" o "cuerpo" a una reproducción de sonido, específicamente en la música.
Nuestro oído, por sus características de directivita nos permite "evaluar" la distancia de una fuente de sonido comparando diferencias en intensidad con llegan los sonidos en dos receptores que tenemos, es decir, cada oreja, como se muestra en figura 227.
Por lo tanto, si tenemos una sola fuente de reproducción musical, la distancia recorrida por el sonido para llegar a los dos receptores (oídos) es la misma, por lo que no tiene ningún sentido de la diferenciación de los distintos instrumentos de una pieza en su lugar verdadero.
En el caso de una orquesta, escuchamos los instrumentos hacinados en un solo lugar. Este es el caso del sistema Mono, que no nos permite tener una idea de lugar o "cuerpo" a una pieza de música.
En el caso de un sistema estéreo, ya que contamos con dos diferentes fuentes de sonido, para enviar señales que corresponden también a diferentes colocaciones de instrumentos o participantes de una pieza, podemos tener la sensación de ubicación por el oído, agregando el "volumen" o el "cuerpo", como se muestra en la figura 228.
Por supuesto, para ser estéreo, las dos fuentes de sonido, en este caso, los altavoces reproducen programas o señales diferentes. Estas señales deben coincidir con el sonido original, no sólo en términos de frecuencias y formas de onda, sino también en relación con las intensidades dadas por el posicionamiento.
Vea que para tener una reproducción estéreo no es suficiente tener sólo dos altavoces. Las señales también deben ser grabadas o transmitidas en configuración estéreo, de diferentes fuentes.
La grabación o programa deben tener señales separados y el amplificador debe tener dos canales del amplificador para alimentar dos sistemas diferentes de altavoces y estos sistemas de altavoces deben colocarse correctamente.
Vea:
a) No hay ninguna reproducción estéreo conectando una grabadora o una fuente Mono a un Amplificador estéreo, debido a que la señal reproducida por dos canales o cajas será el mismo. No hay ninguna separación de las señales para la reproducción.
b) No hay ninguna reproducción estéreo simplemente conectando un amplificador común a dos altavoces colocados en diferentes lugares. Muchos sistemas estéreos de muy bajo coste (especialmente radio AM/FM portátiles) tienen dos altavoces, y se venden como estéreo pero realmente están conectados en el mismo canal del amplificador, por lo tanto, la reproducción es monoaural.
c) No hay reproducción estéreo en un, receptor de FM o cualquier otro dispositivo que utiliza un solo altavoz. Debe haber por lo menos dos altavoces en un sistema estéreo, como se muestra en la figura 229. Vea el lector que requiere prestar mucha atención con la compra de cualquier equipo. Hemos siempre tratamos de vender una "radio AM / FM estéreo con un solo altavoz”.
d) La modificación de un sistema de sonido mono a ser estereofónico requiere el uso de un circuito de amplificador también siguiendo los decodificadores y no son factibles por el costo en la mayoría de los casos.
En sistemas de estéreo del coche y en radio FM, hay circuitos que decodifican la señal multiplexada que proviene de la estación. En la transmisión de las señales de los dos canales, la estación los aplica a una misma portadora a través de un proceso llamado multiplexación, como se muestra en la figura 230.
Un receptor de radio común, no se separa estos canales haciendo la reproducción mezclada, no hay ninguna sensación estéreo, pero un receptor estéreo hace la separación o decodificación (cuando el LED rojo se enciende en el panel) y la reproducción está separada por dos altavoces.
En el caso de otros equipos como grabadoras, equipos de sonido, reproductores MP3, CD, la separación de canales ya se hacen mediante el envío de las señales a los altavoces, pasando con esta reproducción ya en estéreo.
Además de la radio
Puede tener una sensación de volumen o cuerpo con el sonido mucho mejor si en lugar de sólo dos fuentes de sonido tenemos más. Así, los sistemas de sonido de cine en casa (Home Theater), envían 5 a 7 canales de sonido llamados Dolby Surround, como se muestra en la figura 231.
En este sistema tenemos dos altavoces traseros (Rs y Ls), dos delanteros (L y R) y un sub-woofer.
Los altavoces de estos sistemas no están conectados todos al el mismo canal, pero los canales de un sistema de amplificación compleja que separa las señales según la posición del altavoz. Con esto usted puede tener la sensación de sonidos provenientes de la parte delantera y trasera, tanto de derecha como de la izquierda y una caja adicional para bajos (subwoofer).
Las lecciones de este curso son:
Lección 1 - Materia y energía, la naturaleza de la electricidad, la electricidad estática
Lección 2 - Energía eléctrica, corriente y tensión, el circuito eléctrico
Lección 3 - Resistencia eléctrica, resistores, Ley de Ohm, Ley de Joule
Lección 4 - Tipos de generadores, rendimiento y ecuación del generador
Lección 6 - Magnetismo y electromagnetismo
Lección 9 - Ondas electromagnéticas