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¡Qué onda! Soy Mario y bienvenido a Awesome Acoustics. En este video veremos qué es el sonido físicamente, cuáles son sus características como frecuencia y amplitud, y cómo estas características están relacionadas con nuestra percepción del sonido. El fenómeno físico del sonido siempre comenzará con un objeto vibrando mecánicamente: un instrumento musical, tus cuerdas vocales, un altavoz, etc. Aquí usaré el ejemplo de una campana. Cuando una campana está vibrando, hará movimientos muy pequeños de adelante hacia atrás, empujando y tirando de las partículas de aire directamente frente a ella. Al empujarlas, estas partículas empujan a las siguientes y estas empujan a las siguientes. Al tirarlas, estas partículas tiran de la siguiente, y estas de la siguiente. Esta reacción en cadena que se propaga por el aire es esencialmente una onda sonora. Una pequeña aclaración técnica es que cuando hablamos de partículas de aire no me refiero a moléculas individuales, ya que las moléculas tienen su propia vibración aleatoria por la temperatura. Por lo tanto, en este contexto, una "partícula" se refiere a un conjunto de moléculas lo suficientemente grande como para que sus vibraciones aleatorias de temperatura se anulen, pero sigue siendo una pequeña cantidad de aire que aún puedes imaginar como una pequeña partícula de aire. En el contexto de la acústica, cuando mencionamos vibración, hablamos a nivel de partícula. En el ejemplo de la campana, el sonido se propagaría en todas las direcciones, pero para hacerlo un poco más fácil de visualizar, veamos cómo sería la propagación en una sola dirección. Aquí los puntos son partículas de aire, y lo que se muestra es un pistón vibrando dentro de un conducto, produciendo ondas sonoras. Sin embargo, esta animación está en cámara lenta para su visualización. Dentro del rango audible humano, esta animación sería de 80 a 80.000 veces más rápida. La forma en que las partículas de aire se mueven, ¿no te parece a las olas del mar vistas desde arriba? Para estudiar el sonido, es importante hablar de presión, ya que la variación de presión es lo que podemos medir con los micrófonos. La presión atmosférica es básicamente el peso de kilómetros de aire cayendo sobre una superficie, o sobre tus propios hombros. Si vas a un lugar más alto, tendrás menos aire encima de ti, por lo que la presión atmosférica será menor. La presión se mide en una unidad llamada Pascal y es igual a la fuerza ejercida sobre el área de la superficie. A nivel del mar, la presión atmosférica es igual a esta cantidad. La Ciudad de México es una de las capitales más altas del mundo, a una altitud de 2,24 km sobre el nivel del mar. A esa altitud, esta es la presión atmosférica. Dondequiera que vivas, la presión atmosférica probablemente esté en este rango. En el aire, como en cualquier medio, las moléculas están naturalmente separadas por una cierta distancia. Si intentas comprimir el medio, las moléculas lucharán por separarse, ejerciendo una fuerza hacia afuera y, por lo tanto, presión. De manera similar, si intentas estirar el medio, ejercerá una fuerza interna tratando de volver a su densidad original, como el caucho, pero a una escala minúscula. Esto produce una presión negativa. Cuando tienes un objeto vibrando, esto causará compresiones de aire, que son las regiones donde las partículas se acumulan, y expansiones de aire, que son las regiones donde se dispersan. Donde el aire se comprime, la presión aumenta y donde el aire se expande, la presión disminuye. Estas regiones de alta y baja presión se propagan por el aire. Esto quiere decir que cuando hay una onda sonora, la presión en una posición en el aire oscilará ligeramente por encima y por debajo de la presión atmosférica. Si no hay una rápida variación de presión, no hay sonido. Otra cosa importante a mencionar aquí es que, aunque las ondas sonoras se propagan, las partículas de aire en sí mismas no se mueven, sino que solo oscilan en su punto de equilibrio. Podemos ver esto fácilmente en los puntos rojos. Normalmente, cuando pensamos en una onda sonora, lo que imaginamos es la imagen de abajo. Sin embargo, este es solo un gráfico para representar de forma más simple lo que está sucediendo en la animación de arriba. Aquí el eje vertical representa la presión. En otras palabras, cuanto más alta sea la curva, mayor será la presión, y cuanto más baja, menor será la presión. Aquí podemos ver cómo los picos ascendentes están en sincronía con las regiones de alta presión. Los picos ascendentes también se llaman "crestas" y los picos descendentes se llaman "valles". Las crestas muestran la presión máxima, los valles la presión mínima y la línea central representaría la presión atmosférica. Si restamos la presión atmosférica de estos 3 valores, lo que tendríamos ahora es una presión positiva, una presión negativa y 0 en la línea central. Esta es la forma más común de representar ondas sonoras, y normalmente la presión negativa será igual a la positiva, solo que... negativa. Cuando hablamos de la amplitud de una onda, hablamos de su anchura en la dirección vertical. Entonces, esta sería una onda de baja amplitud, y esta sería una onda de alta amplitud. La amplitud está directamente relacionada con la intensidad del sonido que escuchamos, es decir, el volumen, o como decimos coloquialmente, su “volumen”. Quiero evitar usar el término "intensidad" aquí, ya que es otro tipo de medición acústica que tiene que ver con la energía acústica y la velocidad de las partículas, y entonces puede resultar confuso. Así que intentaré mantenerme con "volumen". En una onda, una pequeña amplitud correspondería a un sonido débil, mientras que una gran amplitud correspondería a un sonido fuerte. Existen varios tipos de amplitud, pero los más importantes son la amplitud de pico, la amplitud RMS y la amplitud instantánea. La amplitud de pico es la distancia vertical desde la línea central hasta un pico y normalmente se considera positiva, independientemente de si la mides en un pico positivo o negativo. Por ejemplo, si aquí la presión sonora va de -0,5 Pascal a 0,5 Pascal, entonces la onda tiene una amplitud de pico de 0,5 Pascal. Sin embargo, la onda no siempre está en este valor, es simplemente el máximo. Quizás sea más útil encontrar algo como la presión promedio en toda la oscilación. Para ello usamos la amplitud RMS. Las siglas RMS significan raíz cuadrática media, porque para calcularla, todos los puntos de la onda se elevan al cuadrado, luego se calcula el promedio y se saca la raíz de ese valor. Pero, ¿por qué molestarse con la raíz y el cuadrado, cuando podemos simplemente calcular el promedio? Bueno, si calculamos el promedio para secar... estaríamos sumando las partes positivas con las negativas y el resultado nos daría cero. Elevar al cuadrado todos los valores hace que toda la onda sea positiva antes de calcular el promedio. Además, esta forma específica de calcular una presión promedio está más relacionada con nuestra percepción de volumen que calcular el promedio de los valores absolutos. Cuando tenemos ondas sinusoidales, es decir, tienen exactamente esta forma, la amplitud de pico y la amplitud RMS están relacionadas por la raíz de 2. Este es un hecho que vale la pena aprender, ya que en la gran mayoría de las veces estarás lidiando con amplitudes RMS de ondas sinusoidales. Es importante destacar que las presiones sonoras se expresan normalmente usando amplitudes RMS, NO amplitudes de pico. Por ejemplo, una onda sonora de 1 Pascal en realidad tiene una amplitud RMS de 1 Pascal y una amplitud de pico de 1,4, es decir, la presión varía solo 1,4 Pascal por encima y por debajo de la presión atmosférica, que recordamos que es un número dentro de este rango. Sin embargo, una variación tan pequeña ya es un sonido considerablemente fuerte. Y, finalmente, la amplitud instantánea es la distancia vertical desde la línea central hasta cualquier punto de la curva, no necesariamente un pico. En este caso, se considera la dirección de la línea. Así, una amplitud descendente instantánea sería negativa. Otra unidad utilizada para medir la amplitud del sonido es el famoso decibelio. Sin embargo, quiero dedicar un video completo a esta unidad para explicarla en detalle, así que la abordaré en el próximo video. La siguiente característica que podemos ver aquí es la longitud de onda. Una onda sonora es periódica, es decir, su patrón de vibración es repetitivo. Una longitud de onda sería la distancia física, medida en unidades como metros, entre dos puntos idénticos en este patrón. Y una longitud de onda es consecuencia de dos cosas: la velocidad del sonido y la frecuencia. La velocidad del sonido... no es un número fijo. De hecho, depende de muchos factores, y el principal de ellos es el medio por el cual se propaga. Normalmente pensamos en el aire, porque es el medio por el cual llega a nuestros oídos. Sin embargo, el sonido puede propagarse a través de otros medios, como el agua o el metal. Y normalmente, cuanto más sólido es el medio, más rápido viaja el sonido. Por ejemplo, estos serían los rangos de velocidad del sonido en estos 3 medios. Las ondas sonoras siempre necesitan un medio material para propagarse. En medio del espacio, lejos de planetas y estrellas, prácticamente no hay materia física, por lo que no puede haber sonido. Aquí, la solución es transmitir el sonido en forma de ondas electromagnéticas, que no necesitan medio material. Pero cerca de planetas y estrellas, puede haber gases que sirvan como medio de propagación. Otros dos factores que influyen en la velocidad del sonido son la temperatura del medio y la humedad. Por ejemplo, el sonido viaja más rápido en el aire caliente que en el aire frío, y también más rápido en el aire húmedo que en el aire seco, aunque en este último caso la diferencia es muy pequeña. Es por eso que cuando queremos hablar de la velocidad del sonido tenemos que decir: La velocidad del sonido en aire seco a 20 grados Celsius es… y por eso decimos que es típicamente 343 m/s. Traduciendo esto a una unidad más familiar para nosotros, esto es aproximadamente 1.235 km/h. La unidad de velocidad MACH se define en relación a la velocidad del sonido. Es decir, una velocidad de MACH 1 sería igual a 1235 km/h, mientras que MACH 2 sería el doble de eso. Ok, ahora, frecuencias. Si ya sabes un poco sobre ondas y sonido, probablemente pienses en frecuencia como la rapidez con la que vibra una onda. Pero quiero enfatizar mucho que el concepto de frecuencia es más general que eso. Frecuencia simplemente significa cuántas veces un evento repetido ocurre, sea cual sea, en un tiempo determinado, donde la frecuencia es constante en varias unidades de tiempo. Los fotogramas por segundo que una cámara de video toma, las pulsaciones por minuto en una canción y la frecuencia con la que es viernes a lo largo del año son técnicamente frecuencias. La unidad estándar de medida para frecuencia es Hertz, abreviada como tal. Hertz significa "repeticiones en un segundo". Para determinar una frecuencia en Hertz existen dos maneras. Una es literalmente contar cuántas repeticiones ocurren en un solo segundo, pero la parte difícil sería determinar los dígitos decimales en caso de que el intervalo no sea una fracción exacta de segundo. La otra manera, mucho más confiable: consiste en medir primero el intervalo entre dos eventos consecutivos en segundos, con todos los dígitos decimales que ocupes. Esto se llama su período. Entonces, si tomas el período y divides 1 entre ese valor, ¡voilà! Tenemos una frecuencia en Hertz. De manera similar, 1 dividido por la frecuencia nos da su período. Intentemos el primer método, escuchemos el siguiente ritmo y con la ayuda de este reloj determinaremos la frecuencia rítmica de los sonidos. En este ritmo hay exactamente dos sonidos por segundo, por lo tanto su frecuencia rítmica es de 2 Hz. Si usamos el segundo método, mediremos el intervalo entre cada sonido. Aquí notamos que el intervalo, es decir, el período, es de 0,5 segundos, y si dividimos 1 entre 0,5, llegamos a los mismos 2 Hz. Si tenemos un ritmo un poco más extraño y contamos las repeticiones con el primer método, esto nos dará un número redondeado, que puede estar equivocado, pero el segundo método nos da un número preciso. Por ejemplo... Aquí tenemos intervalos de 0,64 segundos. Esto significa que la frecuencia de este ritmo es de 1,5625 Hz, lo que sería muy difícil de determinar con el primer método. Volviendo a algunos ejemplos que mencioné antes, sería lo mismo hablar de una cámara de 60 fotogramas por segundo, decir que captura a una frecuencia de 60 Hz. O podríamos convertir los latidos por minuto de una pieza musical a latidos por segundo, entonces en una pieza con un ritmo de 120 latidos por minuto, sus latidos tendrán una frecuencia de 2 Hz. Ahora sí, cuando hablamos específicamente de ondas, y quiero decir cualquier tipo de onda, con "frecuencia" queremos decir cuántas veces en un solo segundo el patrón vibracional, o ciclo, de la onda se repite. La onda no tendrá necesariamente esta forma, sino que puede tener formas diferentes, siempre que se repita con la misma forma. Hablaré de esto más adelante. Por ejemplo, si tenemos una onda sonora donde la presión hace 5 oscilaciones completas en un segundo, entonces es una onda de 5 Hz. Sin embargo, para la percepción humana, esta es una frecuencia muy baja, tan baja que ni siquiera la podemos oír. El oído de un joven sano normalmente escucha frecuencias sonoras en el rango de 20 Hz a 20.000 Hz. A medida que envejecemos, este rango disminuye, de modo que una persona en la veintena normalmente ya no puede escuchar por encima de los 14 kHz. Esto puede parecer que pierden más de ¼ de su audición, pero la audición es logarítmica, por lo que esta pérdida no es tan seria como parece. Explicaré el concepto de "logarítmico" en el próximo video. La frecuencia de una onda sonora determina su tono, es decir, cuán bajo o alto será el tono cuando lo escuches. Las bajas frecuencias están asociadas a tonos bajos y las altas frecuencias están asociadas a tonos altos. Como en los ejemplos anteriores, el período de la onda se puede obtener dividiendo 1 por la frecuencia, o también podemos medir el tiempo entre dos puntos idénticos en la onda. Ahora, aquí puede empezar a haber un poco de confusión, porque llamamos a esta distancia entre dos puntos de la onda de dos maneras: período y longitud de onda. ¿Cuál es la diferencia, o cómo distinguimos uno del otro? El período tiene que ver con el tiempo, mientras que la longitud de onda tiene que ver con la distancia física. Así que depende de lo que estés mostrando en tu eje horizontal. Si tienes tiempo, entonces lo que podemos medir es su período. Si tienes posición o distancia en metros o una unidad relacionada, lo que podemos medir es su longitud de onda. Como mencioné antes, la longitud de onda es una consecuencia de la velocidad del sonido en el medio y de la frecuencia. La onda sonora siempre se propagará en el mismo medio y a la misma velocidad, independientemente de su frecuencia. Por lo tanto, si el objeto vibra con mayor frecuencia, la distancia entre dos puntos idénticos en el ciclo será menor. La longitud de onda se puede calcular con esta fórmula. Las longitudes de sonido en aire seco a 20 grados Celsius serían de 17,15 metros para 20 Hz y 1,715 cm para 20 kHz. Al hacer estos cálculos, asegúrate de usar siempre las unidades estándar. Por ejemplo, la velocidad del sonido debe ser siempre en metros sobre segundos y nunca en unidades derivadas, como kilómetros u horas. Además, si comparamos el sonido en el aire con el sonido en el agua, las longitudes de onda en el agua serán mayores para las mismas frecuencias del aire, porque el sonido viaja más rápido en el agua. Un efecto muy interesante que ahora podemos entender es el efecto Doppler. Básicamente, es el efecto que ocurre cuando un coche pasa frente a nosotros y lo que escuchamos es: Esto nuevamente tiene que ver con el sonido propagándose por el aire a una velocidad constante. Si la fuente sonora está avanzando, esto reducirá la longitud de onda, por lo que, cuando llegue a nuestro oído, será como si tuviera una frecuencia más alta, es decir, más aguda. De manera similar, cuando la fuente se aleja, esto aumenta la longitud de onda. Entonces la percibimos con una frecuencia más baja, es decir, más grave. El sonido real que emite el coche sería aquel que escuchamos cuando pasa justo delante de nosotros. Escuchemos el ejemplo de nuevo, ahora que podemos entender el efecto. Ok, hasta ahora hemos hablado de ondas sonoras que se repiten indefinidamente, pero otra característica que tiene el sonido es la duración. Esto es tan simple como cuándo empieza y cuándo termina. Finalmente, quiero hablar sobre la forma de onda. La forma de onda determina el timbre del sonido, que es la característica que nos permite distinguir entre diferentes instrumentos musicales, diferentes personas u otros objetos productores de sonido. Bueno, en realidad, es más correcto decir que el espectro de frecuencia de un sonido es lo que determina su timbre. Pero este es un tema un poco más avanzado que abordaré en otro video más adelante. Todavía es cierto que cada instrumento, persona u objeto produce una forma de onda característica y, por ahora, la perspectiva de la forma de onda es más simple. El concepto de "timbre" es un poco más abstracto que los otros de los que hemos hablado, pero la forma más fácil de pensarlo es así: si la altura es la característica que nos permite distinguir entre dos notas musicales tocadas con el mismo instrumento, entonces el timbre es la característica que nos permite distinguir entre dos instrumentos tocando la misma nota musical. Un ejemplo simple es escuchar estas ondas sintetizadas: una onda sinusoidal, una onda cuadrada y una onda de diente de sierra. Observa que la nota musical es la misma en los 3 ejemplos, pero cada onda suena diferente. Estas ondas son muy fáciles de producir eléctricamente, por lo que son sonidos muy clásicos utilizados en sintetizadores. Por ejemplo, las melodías producidas por una antigua consola NES son principalmente ondas cuadradas. También tiene un canal de onda triangular para notas graves y un cuarto canal que produce ruidos cortos para emular percusión. En el caso real de una pieza musical o de una persona hablando, todas estas características no son fijas, sino que están cambiando todo el tiempo. Para que te hagas una idea, así es como se ve el audio de este video de lejos, y así es como se ve cuando hago zoom. Otro ejemplo por el que estoy francamente enamorado es una visualización del tema principal de The Legend of Zelda para la NES, donde puedes ver todos los conceptos explicados en este video en acción: Las diferentes formas de onda que producen sonidos diferentes, los períodos que se acortan produciendo notas musicales más altas, las amplitudes que cambian para dar un mayor impacto al inicio de cada nota... en frecuencia. Aquí mostraré un fragmento, pero dejo el enlace del video original en la descripción. Con esto concluimos este episodio, y en el próximo hablaremos sobre el decibelio. ¡Nos vemos!