Acústica Automotríz

2.8 Parámetros de THIELE-SMALL

Como ya hemos hablado hasta el momento, en una bocina interactúan fenómenos eléctricos, mecánicos, magnéticos y acústicos. Todo esto hace que el análisis de un sistema como este sea demasiado complejo. Con el objetivo de sistematizar el proyecto de un bafle y explicar mejor el funcionamiento del woofer, los científicos A.N. Thiele y Richard H.Small desarrollaron una técnica que origino los parámetros “TS”que veremos a continuación y que la mayoría de los fabricantes adjuntan a sus productos como una muestra de la calidad y seriedad de fabricación de los mismos.

Re: Resistencia Eléctrica
Resistencia de la bobina móvil al paso de la corriente continua, responsable de la transformación en calor de la mayor parte de la potencia eléctrica aplicada. El valor de Re es menor que la impedancia característica del woofer. Por ej.: si la impedancia es de 8 ohms lo normal, es que RE sea aproximadamente 7.2

Z: Impedancia Nominal
Se puede definir la impedancia como la resistencia del woofer paso de la corriente alterna. Los valores adoptados comercialmente como referencia son 8 y 4 ohms, pero esto es una gran simplificación, porque la impedancia del woofer varia con la frecuencia de la corriente alterna. Algunos fabricantes adjuntan un grafico ¨ curva de impedancia ¨ donde se muestran todos los valores comprendidos entre 20 y 20,000 Hz.
Seria como decir que en GDL. la temperatura del mes de Diciembre es 10º C; es decir un promedio pero nada más que eso. Para expresarla en forma mas rigurosa se necesita un grafico que la represente, día por día.
Del mismo modo, la impedancia de un woofer o de un sistema de bocinas debe graficarse con una curva que indique su magnitud para cada frecuencia.
Algunos fabricantes adjuntan no solo la curva que expresa la magnitud de la impedancia, sino también su argumento o fase, lo que nos da una idea de cuan capacitiva o inductiva es la carga que el amplificador debe soportar (lo ideal, imposible de lograr en la practica, seria una carga resistiva pura).
Aquí se expresa por completo el concepto de impedancia como la suma de una resistencia + una reactancia capacitiva + una reactancia inductiva.

Cas: Compliancia Acústica (m5/N)
Se llama compliancia a la ¨ dureza ¨ de la suspensión, y esta dada por la rigidez del “ala o suround” y de la araña ubicada en la base del cono. Se mide en metros a la quinta potencia, entre Newton (m5/N). Algunos fabricantes expresan el equivalente mecánico de compliancia que se encuentra como “Cms” y en este caso la unidad es metro entre Newton (m/N).
La compliancia es inversamente proporcional a la dureza de la suspensión. Esto quiere decir que un woofer de suspensión dura tendrá un valor pequeño de compliancia, y viceversa. Se suele hablar de woofers de “baja compliancia” para los que tienen suspensión dura y de “alta compliancia” para los que tienen suspensión blanda.

Mas: Inertancia Acústica (Kg/m4)
Se llama inertancia a la masa mecánica de todo el conjunto móvil, o sea su peso. Dentro de este parámetro se incluye el peso del cono, de la bobina y de las suspensiones. Se mide en kilogramos entre metros a la cuarta potencia. Algunos fabricantes expresan en su hoja de datos el equivalente mecánico de inertancia y que se encuentra como “Mms” y se mide en kilogramos (Kg).

Fs: Frecuencia de Resonancia (Hz)
Este valor representa el punto de máxima impedancia del woofer medido al aire libre (sin bafle).
Es importante que sea lo mas chico posible. Valores típicos no deben superar los 30 o 35 Hz.
Matemáticamente se expresa como:

Fs = 1 / 2*3.14 raíz cuadrada ( Cms*Mms )

Esto quiere decir que es inversamente proporcional a la compliancia de la suspensión y la masa del conjunto móvil. Así, cuanto mas pesado sea el cono y/o mas blanda la suspensión, mas baja será la frecuencia de resonancia.

Qms: Factor de Calidad Mecánico
Factor de calidad mecánico, que representa el cociente entre la energía almacenada en la masa del woofer (el peso del cono) y la energía que se disipa en la resistencia mecánica de la suspensión. El mejor woofer será el que menor energía disipa inútilmente en la suspensión , por lo tanto interesa que Qms sea lo mas alto posible. Valores típicos se encuentran entre 2 y 7 aproximadamente. Es un parámetro adimensional, o sea que no tiene unidad.

Qes: Factor de Calidad Eléctrico
Factor de calidad eléctrico, es directamente proporcional a la raíz cuadrada del cociente entre la masa móvil y la compliancia mecánica e inversamente proporcional al cuadrado del factor de fuerza Bl, dividido por Re.
Conviene que sea lo mas bajo posible y entonces mayor será la eficiencia del woofer y mas plana la respuesta en frecuencia. Valores típicos rondan de 0,3 a 1,5.
El Qes esta relacionado con la eficiencia del siguiente modo: Si ponemos en corto circuito los terminales del woofer, y lo golpeamos, si tiene un Qes alto quedara vibrando un rato largo, pero si es bajo, transferirá toda la energía del golpe a la bobina y lo disipara en calor. En este caso decimos que el woofer esta bien amortiguado (vuelve directamente del golpe y no vibra). O sea que es mayor su capacidad de convertir la energía mecánica del golpe en energía eléctrica que se disipa en calor. Como el rendimiento es reversible, también será mayor su capacidad de convertir energía eléctrica en mecánica y finalmente en sonido. Por lo tanto interesa un Qes bajo, para tener alto rendimiento. En líneas generales, cuanto mas liviano sea el cono y mas potente el imán, tanto mas bajo será el Qes.

Qts: Factor de Calidad Total
Factor de calidad total del woofer. Este es el parámetro que se relaciona más directamente con la calidad del woofer. Cuanto menor sea Qts, mas chico será el recinto necesario como bafle. Valores Qts. de bocinas de muy buena calidad rondan entre 0,2 y 0,3; mientras que las mas económicas tienen valores superiores a 0,5.
Se calcula a partir de la siguiente relación:

Qts = Qes * Qms / (Qes + Qms)

Vas: Volumen de aire equivalente de la Suspensión (ft3)
De la misma manera que un bafle tiene una compliancia equivalente a su volumen de aire, a su vez la compliancia del woofer (Cms= dureza de la suspensión), podemos asociarla a un volumen ficticio de aire equivalente, denominado ¨ equivalente en aire de la suspensión ¨. Se mide en “litros” o “pies cúbicos”, y se puede calcular con:

Vas = 1.4 x (10)5 * (Sd)2 * Cms

Donde:
1.4 = Coeficiente de compresibilidad adiabática de los gases
(10)5 = Presión Atmosférica (N/m2 )
Sd = Superficie efectiva del diafragma (m2 )
Cms = Compliancia Mecánica de la suspensión (m/N)

Nota: Este parámetro, nada tiene que ver con el volumen del bafle. Infelizmente muchas veces es confundido con el volumen de la caja acústica recomendada por el fabricante.

N0: Rendimiento de Referencia
Indica la eficiencia al aire libre del woofer para convertir potencia eléctrica en potencia acústica . Depende, principalmente, de los parámetros del woofer y no de la caja acústica. Aquí vemos que a menor Qes mayor será el rendimiento.

N0 = k*(Fs)3*Vas/Qes

Donde: K = 2.70 x (10)-8 para Vas en pies cúbicos
K = 9.64 x (10)-10 para Vas en litros

El rendimiento es el resultado de la división de la potencia acústica radiada por el altavoz, entre la potencia eléctrica consumida en el altavoz. Se suele dar en porcentaje. La eficiencia también se calcula de igual modo, y sus valores se suelen dar en unidades. Sin embargo la forma de calcular las potencias acústica y eléctrica para rendimiento y eficiencia son diferentes, ya que el rendimiento incluye las pérdidas mecánicas del sistema. Es decir, la resistencia al movimiento de la suspensión del diafragma.
El dato del rendimiento es el más ajustado a la realidad de los dos. Tanto el rendimiento como la eficiencia son valores que varían con la frecuencia, igual que la resistencia eléctrica de entrada. En ambos casos y para ciertas frecuencias los valores pueden superar el valor máximo de 100% o 1 respectivamente. A pesar de la fidelidad de estos parámetros a la realidad, para saber si un altavoz radiará mucha energía acústica, es más cómodo fijarse en su sensibilidad. Un altavoz poco sensible necesitará consumir más energía eléctrica que otro muy sensible, para lograr el mismo nivel de presión sonora.

Xmax: Desplazamiento Máximo (mm)
Deformación máxima lineal a que puede someterse el conjunto móvil, dentro de los límites aceptables de distorsión que crece acentuadamente si se sobrepasa. De esta manera el woofer queda expuesto a daños mecánicos. Se mide en milímetros o pulgadas.

Pe: Potencia RMS (watts)
Potencia RMS es la cantidad de energía que el woofer puede soportar en forma continua con lo cualquier tipo de señal. RMS significa ¨ raíz cuadrada promedio ¨ y difiere significativamente del valor de ¨ potencia máxima ¨ que a veces se especifica y que representa un valor pico, o instantáneo, que el woofer es capaz de reproducir en un periodo de tiempo muy corto.

SPL: Sensibilidad (decibeles)
La sensibilidad es una medición que se le realiza al woofer con una potencia de entrada de 1 watt y medido con un micrófono a 1 metro de distancia. Da una idea de cuan fuerte puede sonar con una potencia determinada. Esto quiere decir que uno con 90 dB de sensibilidad, sonara mas fuerte que otro con 87 dB excitado con la misma potencia. El más sensible sonara más fuerte, pero no necesariamente mejor. Por la relación de potencia / decibelios, podemos decir que un woofer de 87 dB de sensibilidad necesitara el doble de potencia que uno de 90 dB para producir el mismo nivel SPL.

SPL = 112 + 10Log(N0)

2.7 El Subwoofer

Recordemos la definición que decía: “una bocina es un dispositivo electroacústico que convierte energía eléctrica en energía acústica, conservando la forma de onda original”.
De toda la familia de bocinas, el subwoofer es el encargado de reproducir la zona mas baja de todas las frecuencias del rango audible.
Físicamente se lo reconoce como el de mayor tamaño de toda la familia, y generalmente se piensa que cuanto mas grande, mejor. !!!Error!!!. ¿Por que? Porque recordemos que la membrana que produce la vibración del aire (el cono), se mueve en función de lo que le ordena la bobina móvil. Ésta es un arrollamiento de alambre (generalmente de cobre) que podríamos comparar con un pequeño tubo, uno de cuyos extremos se pega al cono. Es decir que, si tenemos una bobina de 1” de diámetro (25,4 mm) notaremos que ese contacto de anillo gobierna el movimiento de toda una gran membrana. ¿Y cual es el problema? La dificultad reside en hacer los conos suficientemente rígidos para que no flexionen y suficientemente livianos para que respondan a las brutales aceleraciones a que se ven sometidos.
Si por buscar rigidez el cono se tornase pesado, se pasaría de la excursión que le indican sus gobernantes (conjunto amplificador/bobina); o demoraría en arrancar o en frenar debido a su masa.
Supongamos que el programa musical envía la siguiente orden: nota de contrabajo. Duración: 1 segundo. Frecuencia: 50hz. Amplitud: 12 mm. Luego silencio.
El amplificador enviara a la bocina, que esta en reposo, la orden de moverse 50 veces, para adelante y para atrás, 2 mm en cada sentido y luego deberá detenerse.
Ahora bien. Si el cono es un poco lento para moverse por ser grande y pesado, demorara en reaccionar. No arrancara en el instante preciso, y cuando haya alcanzado su recorrido hacia adelante de 2 mm deberá frenar en forma instantánea y comenzar a mover se hacia atrás, primero 2 mm hasta la posición de reposo inicial y a continuación otros 2 mm hacia adentro respecto de la posición de reposo.
Lo que hace un recorrido hacia atrás de 4 mm. Y de allí en más, hacia adelante serán otra vez 4 mm. Y así sucesivamente. El último semiciclo será igual al primero pero invertido. Todo esto 50 veces en un tiempo de 1 segundo! A partir del primer semiciclo, los recorridos son de 4 mm, ya sea hacia adelante o hacia atrás.
Es probable que el cono no se detenga al instante, sino que tienda a seguir. Piense en un auto al frenar. Viajando Ud. solo o con 4 pasajeros y la cajuela llena de equipaje. Las distancias de frenado se alargarían considerablemente, por la mayor masa involucrada.
Volvamos al cono. Supongamos que en vez de recorrer los 4 mm, por la masa que posee se desplace 4.2 mm. La diferencia es pequeña, pero no es lo que el amplificador ordeno realizar. Y también esta la demora en tiempo para reaccionar a las solicitudes dictadas por el programa musical con lo que puede alterarse el ritmo.

¿Que ocurre si lo hacemos demasiado liviano?
Hasta aquí hemos considerado al cono como una membrana ideal, que responde en todos los puntos de su superficie a las órdenes de la bobina. Y este casi nunca es así. Las órdenes le son dadas al cono en su centro. Y la suspensión de la periferia siempre presenta una determinada resistencia. Con lo que los bordes externos recorren una distancia menor, digamos 3.8 mm.
¿Que tenemos finalmente? Algunas partes (las más cercanas a la bobina) hacen lo que el amplificador les dice, otras hacen de más y a destiempo, y otras hacen de menos. Toda la membrana debió moverse al unísono y no lo hizo así a causa de la flexión, y el resultado final es distorsión.

Además el cono debiera ser acústicamente inerte. Es decir, no debe tener sonido propio. Si lo golpeamos suavemente con un dedo, debe sonar apagado, como si golpeáramos un almohadón de plumas, y no como un vaso de cartón.

Lo que mata es el calor y la humedad.
Las características de una bocina deberían ser independientes de los cambios de temperatura y de humedad ambientales. Algo que es prácticamente imposible de lograr con los conos de cartón.
La elasticidad de las suspensiones sintéticas es, usualmente, dependiente de la temperatura. Algunos tipos aumentan su valor al doble o a la mitad, según sea el caso, con un cambio de solo 15 a 30 grados centígrados. Si el diseño descansa en la estabilidad dela suspensión, este deberá buscar que el grueso de la fuerza de retorno del cono provenga de la araña.

La humedad ambiente no es otra cosa que agua en suspensión, y el cono de cartón actúa como una verdadera esponja. Absorbiendo o entregando humedad al ambiente hasta lograr el equilibrio que corresponda al clima del día. ¿Cual es el inconveniente de este intercambio? Cuando el cono absorbe la humedad, aumenta su masa, con lo que se alteran varios parámetros, por ejemplo, la frecuencia de resonancia, que en este caso disminuye su valor.

Estos cambios hacen que nos quede un gabinete inadecuado para el subwoofer, o lo que es lo mismo, un subwoofer inadecuado para ese gabinete, ya que éste no altera su volumen en consonancia con los cambios de humedad del ambiente.
Además el hecho de absorber y entregar humedad, deforma el cono. ¿Le ocurrió alguna vez que una gota de agua mojara un diario o una revista? Cuando se seca, la superficie no queda igual que antes. Por todo esto, muchos fabricantes tratan de impermeabilizar sus conos, con mayor o menor éxito. Pero la mayoría han optado directamente por eliminar el cartón y usan plásticos (Bextrene, Poliestireno, Polipropileno, etc.) metales, (aluminio) o materiales especiales como Kevlar, fibras de carbono, cerámicas, etc.
Pero atención: no todos los conos de cartón suenan mal. Ni todos los que no lo usan suenan bien. Algunos fabricantes se montan a las olas de la moda y ofrecen productos novedosos de dudoso desempeño.

Ventajas de los grandes conos.
Para mover una gran cantidad de aire, un cono de gran tamaño debe desplazarse pocos milímetros mientras que uno pequeño deberá hacerlo varios centímetros. Evaluemos la excursión necesaria para lograr igual volumen de aire desplazado, en bocinas de distintos diámetros.

Diámetro Excursión

15”(38 cm) 2.5mm
12”(30 cm) 4.0mm
10”(25cm) 5.7mm
8” (20cm) 8.9mm
6” (15cm) 15.8mm
4” (10cm) 35.6mm

Como podemos ver, lo que a un subwoofer de 15”(38cm) le exige un desplazamiento de 2.5 mm; a un woofer de 6” (15 cm) le exigirá un desplazamiento de 15.8 mm, y esto excede ampliamente las posibilidades de recorrido de cualquier bocina de 6”, incluso las más sofisticadas.

En un sistema de dos vías, con un cono pequeño, este no solo debe reproducir los graves, sino también las frecuencias medias, con lo que aparece otro problema que es el de la distorsión por ínter modulación.
¿Pero como puedo evitar colocar un cono de gran tamaño y tener la misma sensación de presión sonora? Agregando más bocinas. Por ejemplo dos woofers de 8” tienen la misma capacidad de mover aire que uno de 12”. Además habitualmente también consigo mayor manejo de potencia y mejor dispersión.
¿Que nuevos problemas aparecen? Cuestiones relacionadas con la distribución vertical del sonido. Como vemos, cada solución implica nuevos compromisos.

Tamaño del Sub. Vs. el tamaño del gabinete.
Es habitual ver cajas realmente pequeñas que ostentan orgullosas enormes subwoofers. Esto desafía a la física. Y si es así como encontramos bafles anchos y poco profundos (lo que equivale a poco volumen capacidad en litros) con subwoofers que necesitarían cajas del tamaño de un refrigerador para funcionar correctamente.
Cuando estos disparates técnicos son evaluados con instrumental, se confirma lo que nuestros oídos y nuestro sentido común nos advirtieron mucho antes: las pobres cajas no rinden en graves. Ni profundos ni claros. Seguramente será imposible discriminar un bajo eléctrico de un contrabajo o de un tambor. Todo sonara igual. Es decir; mal.
Si encuentra un bafle con un subwoofer relativamente pequeño para el tamaño de la caja puede que este frente a un producto donde las decisiones técnicas hayan pesado más que las comerciales; y el sonido en graves sea natural.

2.4 El Tweeter

Se denomina “Tweeter” (trinador) a la bocina encargada de reproducir la zona más alta del espectro audible (desde 4 khz hasta 20 khz aproximadamente). Por lo visto en el punto anterior, no necesito un gran tamaño de cono cuando trabajo en altas frecuencias, ni tampoco gran desplazamiento, porque como la bocina se mueve mucho más rápido entonces puede generar muchos litros de aire por segundo. Este es el motivo por el cual una bocina de graves tiene que tener un cono grande y una de agudos no lo necesita.
Pero la pregunta es: ¿molesta en agudos un cono grande? La respuesta es si. Pues al moverse un cono grande con una frecuencia alta, las distintas partes del cono se mueven a destiempo produciendo ondas transversales. Esto hace que el sonido producido en una parte del cono pueda ser cancelado por el generado en otra, por la diferencia de fase. Por lo tanto es preferible, para altas frecuencias tener conos más reducidos y rígidos, evitando de esa forma las ondas estacionarias debidas a la flexión.

Hay varios tipos de Tweeters: Domo, Piezo y de Cinta son los más comunes.
Tweeter Domo
Su aspecto es el de una bobina móvil muy grande sin araña o centrador, mientras que el diafragma es simplemente una cáscara en forma de domo, soportada en sus bordes por el ala o surround. A este tipo de tweeter se lo denomina “domo radiante”. Es muy eficiente, posee baja distorsión y alta dispersión (generalmente pueden ser escuchados sobre un área mucha más amplia). Puede ser de domo blando o duro, pero todos tienen relativamente poca masa (peso).
Domo duro: El domo del tweeter está hecho de algún metal duro y liviano como el aluminio o el titanio, o también puede estar hecho de algún plástico rígido. Existen diferencias entre domos duros y blandos, pero son mínimas. La diferencia esencial esta en las frecuencias altas, de 25 KHz o más, que son mejor reproducidas por domos duros. Como la mayoría de las personas pueden escuchar hasta 20 KHz o menos, esta diferencia entre domos puede bien ser inaudible.
Domo blando: Estos domos están hechos de seda, mylar y derivados debidamente tratados. Este tipo de diseño es mucho menos susceptible a deformaciones mecánica y mantienen una respuesta suave a lo largo de su rango de operación.

Tweeter Piezo

Es un Altavoz cuyo motor es un simple cristal de material Piezo-Eléctrico por el cual fluye la señal de audio. No tiene imán, ni bobina, ni suspensión. El cristal responde a la señal doblándose en forma proporcional a la amplitud y frecuencia de la misma. Como es un dispositivo de alta impedancia, no necesita un crossover en línea con la fuente. Son muy económicos y su calidad de sonido es verdaderamente muy pobre. Algo que hace atractivos ha este tipo de tweeters, además de su precio, es que son casi imposibles de quemar por excesos de flujo eléctrico ni por distorsiones.

Tweeter de cinta

Este sistema, si bien tiene "imán, diafragma y bobina", rompe los esquemas tradicionales de diseño y construcción. La bobina está prácticamente impresa en una membrana que es totalmente plana, dando la impresión de ser un circuito impreso más que una bobina. Toda esta unidad está montada entre dos imanes de alto rendimiento, uno por la parte superior y otro por la inferior a modo de "sandwich", y el resultado es un tweeter extraplano con una notable calidad de sonido y un alto rendimiento. Este tipo de membranas también son usadas en transductores de medios y graves en pantallas acústicas de "high end" domésticas, y son muy valoradas por los audiófilos más exigentes.

Ferrofluido

Algunos Tweeters tienen una pequeña y controlada cantidad de líquido insertado entre el imán y la bobina, llamado ferrofluido. El principal problema en un tweeter es la disipación de las altas temperaturas que afectan a los adhesivos, al domo y al fino hilo de la bobina. Con los transductores de frecuencias bajas suelen usarse soportes de bobina capaces de disipar el calor, además es habitual en ellos un orificio en la base del motor que actúa a modo de entrada y salida de aire durante el movimiento de la bobina móvil. Pero con los tweeters el problema no es tan fácil de solucionar, ya que el movimiento de la bobina es mínimo. Además el calor que se condensa en la bobina hace que aumente la resistencia de ésta, el resultado es una gran distorsión, pudiendo incluso perjudicar al resto del equipo, provocando averías o activando las protecciones de los crossovers y/o de los amplificadores. El efecto de añadir ese líquido es conseguir mayor disipación del calor de la bobina. Esto significa que el altavoz puede tener una bobina más ligera para mejor funcionamiento o una mayor capacidad de potencia para el mismo bobinado. Otro efecto del fluido es añadir amortiguamiento mecánico. La respuesta en frecuencia y en transitorios del altavoz mejorará. También el líquido ayuda a centrar la bobina y a mantener la suciedad fuera del hueco. Consiste en partículas de tamaño casi microscópico de material magnético suspendido en un aceite especial. Este líquido permanece en el hueco debido a la fuerte atracción magnética del imán.

El neodimio

Se trata de un tipo de material con gran poder magnético y con un peso y dimensiones muy reducidas. El éxito de los motores con imanes de neodimio está más que probado y actualmente son los más usados por los fabricantes. La reducción del tamaño del tweeter sin perder rendimiento en su funcionamiento hace que las bocinas coaxiales puedan incorporar muy buenos tweeters sin afectar demasiado la difusión del altavoz principal.

2.5 El Mid-range

El Mid-range es la bocina encargada de reproducir el intervalo de frecuencias comprendido entre 400 y 4000 hz aproximadamente. Por ser el rango donde el oído tiene su mayor sensibilidad, es muy importante la calidad de esta bocina porque cualquier pequeña distorsión es inmediatamente detectada.
Existen básicamente dos tipos de mid-range desde el punto de vista constructivo. Los que tienen forma de “cono” como si fueran un woofer de pequeño tamaño, y los que tienen forma de “domo” como si fueran un tweeter grande. A partir del momento en que la frecuencia aumenta, todos los transductores se tornan mas direccionales, a punto tal que las altas frecuencias tienden a formar un haz muy estrecho como su fuera el faro de un automóvil. En las frecuencias donde la longitud de onda es grande en comparación con la circunferencia del cono (cerca del triple del diámetro) la irradiación es esférica, esto es en todas direcciones. Cuando la frecuencia aumenta hasta el punto donde la longitud de onda es igual o menor que la circunferencia del cono, el lóbulo de irradiación se torna cada vez más estrecho. La longitud de onda esta dada por la relación entre la velocidad de propagación del sonido “C” y la frecuencia “f”, o sea C/f, de modo que 1 Khz posee una longitud de onda de 34.3 cm.
Los mid-range de forma cónica tienden a presentar un elevado pico en el extremo superior de la respuesta en frecuencia, siendo su localización determinada en parte por el ángulo de inclinación del cono. Comparando con los “domos”, la banda pasante es un poco mas grande. Los mid-range de “domo” tienden a producir una respuesta en frecuencia plana, y apenas un moderado pico en la respuesta en alta frecuencia, con una ligera reducción de la banda pasante, en comparación de los de cono. La respuesta en frecuencia de los domos puede ser modificada y controlada a través de su curvatura.

2.6 El Mid-bass o Woofer

El Mid-Bass reproduce la zona comprendida entre el medio-rango y los sub-graves. También se lo llama woofer (gruñido) y debido a las características de las frecuencias de esa zona, su aspecto constructivo es parecido al de un subwoofer pero de menor tamaño.

2.1 Definición

Una bocina es un dispositivo electroacústico que convierte energía eléctrica en acústica, conservando la forma de onda original, con una eficiencia promedio del 0.5 al 1.5%.

2.2 Principio de Funcionamiento

La mayoría de las bocinas están basadas en un cono o un domo que se pone en movimiento, debido a un campo electromagnético modulado en amplitud, actuando en conjunto con un imán permanente.
Son cuatro, las partes en que podemos dividir el estudio del funcionamiento de la bocina. La primera es el motor, compuesto por un imán y una bobina. La segunda es el diafragma, formado por un cono y un cubre polvo o un domo sólido. La tercera es la suspensión, que incluye la araña (spider) o centrador y el ala (surround); y la cuarta es la ¨ canasta ¨.

El motor es el responsable del movimiento de la bocina. El campo magnético producido por un imán permanente, es aplicado a un arrollamiento de alambre en forma de bobina. El otro elemento necesario en un motor es la corriente alterna (AC) aplicada a la bobina. Cuando se aplica corriente a la bobina móvil, un campo electromagnético es producido perpendicularmente al flujo de la corriente y al campo magnético del imán permanente. La fuerza mecánica resultante obliga al diafragma (cono) a desplazarse perpendicularmente al campo magnético en el entre-hierro, moviendo aire a ambos lados del cono. Si una corriente alterna senoidal, por ejemplo de frecuencia 60 hz, es aplicada a la bobina móvil, tendremos un flujo de corriente en un determinado sentido durante el semiciclo positivo, lo que desplazará el cono en una dirección. Cuando el flujo de corriente se invierte durante el semiciclo negativo, la polaridad del campo se invierte, obligando al cono a desplazarse en sentido opuesto, como consecuencia de las sucesivas atracciones y repulsiones de los dos campos. De forma tal de reproducir con precisión el movimiento impuesto por la onda senoidal, la bobina deberá moverse simétricamente en los dos sentidos, a través del entre-hierro. Para que esto ocurra es importante que el campo magnético sea lo más uniforme posible, de modo que fuerzas de la misma intensidad sean capaces de provocar desplazamientos de igual amplitud en los dos sentidos. Si esto no ocurre, la señal de entrada será reproducida con distorsión.

El cono es el elemento crítico en la calidad de sonido, pues es quien hace vibrar el aire para formar las ondas sonoras. Si la estructura del cono es demasiado blanda puede flexionarse, y si es muy pesada no tendrá un movimiento ágil y afectará la respuesta de las medias y altas frecuencias. En la vida real los conos no son infinitamente rígidos como un pistón y siempre se deforman de algún modo, dependiendo de las características del material con que fueron construidos. La deformación del cono ejerce un efecto crítico en la eficiencia de las altas frecuencias y en el nivel de presión sonora (SPL). Si bien diferentes materiales poseen diversos grados de rigidez y transmiten vibraciones internamente a diferentes velocidades, todos ellos tienden a sufrir los mismos tipos de deformación, denominados “modos “.

La suspensión es la responsable de mantener centrada la bobina dentro del imán y de limitar la excursión de la bocina. El propósito principal de la araña (spider) es ayudar al control del movimiento del cono y centrar la bobina. Pero también tiene la habilidad de manejar el excesivo calor que se genera en la bobina. El objetivo del ¨ ala ¨ (surround) es asistir en el control del movimiento del cono con la araña y proveer la necesaria excursión reduciendo algunas resonancias y dando linealidad al movimiento.

La canasta puede ser de acero o de aluminio y es la responsable de la estructura física de la bocina.

2.3 Potencia y Velocidad de Volumen.

Cuanto mas potencia tiene que manejar una bocina, mayor será la velocidad de volumen que necesita impulsar. La velocidad de volumen se mide en m3/seg. Supongamos una bocina en frecuencias bajas. Es muy común ¨ ver ¨ el movimiento del cono. ( No sucede lo mismo en altas frecuencias). También nos es familiar el hecho que a bajo volumen, es decir poca potencia, el desplazamiento del cono es menor que a alto volumen (mucha potencia).
Este hecho, relaciona directamente la potencia con la velocidad de volumen de aire en m3/seg. que la bocina debe desplazar. Para lograr potencia en bajas frecuencias, se necesitara un mayor desplazamiento de cono para obtener muchos m3/seg.
Por ejemplo un cono de 1,000 cm2 de superficie (aprox.15¨) se mueve 1 cm. En este movimiento desplazara un volumen igual a 1,000 cm2 x 1cm = 1,000 cm3 o sea un litro de aire. Si la frecuencia es 50 Hz se moverá, 50 veces por segundo, por lo que desplazara 50 litros/seg; y si la frecuencia es 1,000Hz, se moverá 1,000 veces por segundo, por lo que se desplazara 1,000 litros/seg y a 10khz serán 10,000 litros/seg.
Resumiendo, al aumentar la frecuencia no necesito un gran tamaño de cono ni tampoco un gran desplazamiento porque la bocina se mueve mucho mas rápido y en la misma cantidad de tiempo puede desplazar mayor cantidad de aire.

Es el estudio detallado de todos los conceptos necesarios para entender el comportamiento del sonido dentro del ambiente de un automóvil. El estudio de los conceptos de Acústica comprende solo el principio porque son muchos los temas que abarca el audio automotríz.
El interior de un automóvil, no es el ambiente más adecuado para la reproducción de sonido de alta calidad, pero ....puede serlo.
Son muchos obstáculos que hay que vencer. Comenzando por la ubicación de las bocinas que no es simétrica con las posiciones de los asientos; las superficies de montaje (generalmente partes plásticas o directamente la lámina) que no son superficies adecuadas por ser irregulares y susceptibles a transmitir vibraciones; el sistema eléctrico de alimentación del equipo de sonido, que generalmente es compartido con el sistema original del auto; el tendido de largos cables de señal que suelen correr paralelos a los cables originales del auto; el entorno ruidoso que representa el tránsito, el motor, el escape, el propio rodamiento del carro que produce pérdidas de baja frecuencia; etc
Todo esto hace que cada uno de los inconvenintes mencionados necesite de un profundo estudio para comprender primero el orígen del problema y luego analizar las posibles soluciones.

Por eso es que se necesita comenzar estudiando acústica y luego seguir avanzando con los siguientes temas. Las 5 entregas del MODULO 1, que preceden a este artículo cubren todos los conceptos que un instalador necesita conocer para avanzar a los siguientes. Así que ni hablar .... a ponerse a estudiar.

1.8 Respuesta en frecuencia

Se llama respuesta en frecuencia al comportamiento de un dispositivo de audio frente a las distintas frecuencias que componen el espectro de audio (20 a 20.000 Hz).
Todos los dispositivos de audio cumplen una función determinada, los micrófonos recogen vibraciones acústicas y las convierten en señales eléctricas, los altavoces convierten señales eléctricas en vibraciones acústicas. Todos los dispositivos manejan frecuencias de audio, pero no reaccionan igual ante todas las frecuencias. Estas variaciones de respuesta conforme varía la frecuencia se miden en dB (decibelios) y se pueden representar gráficamente. Este gráfico tiene escala logarítmica en el eje horizontal (frecuencia) y escala lineal en el vertical (decibeles). Si por ejemplo se representa la respuesta en frecuencia de un altavoz de graves, la gráfica podrá empezar en 20 Hz y no será necesario que se extienda a más 1.000 o 2.000 Hz. En el eje vertical están representadas las variaciones de nivel, que pueden estar en escalas de 3 o 6 dB generalmente.

Gráfica de respuesta en frecuencia.
A la vista de la gráfica se diría que este altavoz tiene una respuesta en frecuencia de 450 Hz a 4 KHz con una variación de +/- 3dB. Caídas de más de10 dB en la respuesta en frecuencia equivale a decir que el aparato no trabaja en esa frecuencia. De este altavoz conocemos a través de la gráfica de respuesta en frecuencia que si se le alimenta con dos señales de igual nivel, una por ejemplo de 800 Hz y otra de 3000 Hz, la segunda tendrá un nivel de presión sonora 6 dB menor que la señal de 800 Hz. Esto significa que reproduciendo música o cualquier otra señal, las frecuencias cercanas a 800 Hz se escucharán más que las cercanas a 3 KHz En un ideal la respuesta en frecuencia sería una línea recta que cubra todo el espectro. En este caso hablaríamos de respuesta en frecuencia plana. Como esto es imposible, se suele hablar de la "zona de respuesta plana", aunque realmente se trata de una aproximación.

1.9 Decibeles
Las perturbaciones creadas por las vibraciones sobre el estado de reposo inicial de las partículas de aire, se traducen en variaciones muy pequeñas de presión. Las partículas de aire se acercan y alejan con las vibraciones, se “comprimen” y "descomprimen". Esta variación de presión es lo que se mide. La unidad de medida es el PASCAL (Pa). Sin embargo esto obligaría a tratar con unidades muy pequeñas, por eso se usa otra medida relativa: el NIVEL DE PRESIÓN SONORA (SPL), que se mide en DECIBELIOS. El SPL en decibelios es el resultado de la siguiente operación matemática:

SPL (decibeles) = 20*Log (Presión/Pref )

Pref.= presión de referencia = 20 x10-6 Pa ( = 0,00002 Pa).
La presión de referencia es la mínima que puede detectar el oído humano medio. Con ella tenemos un Nivel de Presión Sonora SPL = 0 dB, y diremos que hay silencio. Valores medios en dB son los siguientes:
25 dB en un dormitorio urbano
57 dB en conversación normal
64 dB en conversación de tono elevado
85 dB durante un grito
115 dB en una discoteca
130 dB de umbral de dolor

2.0 Octavas
Cuando se requiere información más detallada sobre un sonido complejo, la gama de frecuencia de 20 Hz a 20 KHz se puede dividir en secciones o bandas.
Una octava es una banda de frecuencia donde la más alta es dos veces la frecuencia más baja. Este proceso de división de un sonido complejo se denomina análisis en bandas de frecuencia. Por ejemplo, la octava siguiente a 100 Hz es 200 Hz, y la octava anterior es 50 Hz.

Es común encontrar en muchos ecualizadores expresiones del tipo 1/2 octava o 1/3 de octava.

Difusión: Propiedad de las superficies que distribuyen el sonido en todas direcciones. Si la superficie es suficientemente irregular con respecto a la longitud de onda del sonido incidente, la energía se difundirá en los alrededores como si se tratase de una nueva fuente de sonido.

Resonancia: Una cuerda que vibra produce sonido. Pero debido a lo reducido de la superficie de esa cuerda el sonido carece de intensidad, por lo que es necesario reforzarlo con un resonador. Las cajas de madera de las guitarras, violines, instrumentos de cuerdas en general, hacen las veces de resonadores para reforzar la débil intensidad sonora de la cuerda. Más aún, la mayor parte de la energía de la cuerda no es sonora (ondas en el aire) sino mecánica (vibración). Las cajas de madera transforman esa vibración en un extremo de la cuerda (denominado “puente” en los instrumentos musicales), en ondas sonoras de intensidad suficiente para una buena audición. Con un diapasón podemos observar que haciendo vibrar en el aire, su sonido será débil, en cambio, si después de ponerlo en vibración lo apoyamos en un cuerpo más grande, el sonido se refuerza. El cuerpo de resonancia vibra por simpatía, es decir, las vibraciones del cuerpo sonoro primario contagian al cuerpo de resonancia. Como en todo contagio, ha de existir predisposición para ello, así que no todo cuerpo sirve de cuerpo de resonancia para cualquier clase de vibraciones. Los cuerpos de resonancia son distintos en el violín y en el contrabajo; en el primer caso se trata de reforzar sonidos agudos, y en el segundo, sonidos graves. El tamaño de la caja de resonancia varia según la frecuencia de las vibraciones que ha reforzar. El problema de la resonancia es bastante complicado; de ahí que la construcción de instrumentos sea un arte, porque cuanto mejor construido este tanto mas armónicos podrá captar y reforzar, y por consiguiente mayor será la riqueza del sonido, que se compone, como ya sabemos, de notas básicas y una amplia gama de armónicos.

Velocidad de Propagación: El sonido es una vibración, como tal, se puede dar en cualquier medio material, sólido, líquido o gaseoso como el aire. En cada medio, se propaga a una velocidad diferente, principalmente en función de la densidad. Cuanto más denso sea el medio, mayor será la velocidad de propagación del sonido. En el vacío, el sonido no se propaga, al no existir partículas que puedan vibrar. En el aire, el sonido se propaga a una velocidad aproximada de 343 m/s (metros por segundo). Esta velocidad puede variar con la densidad del aire, afectada por factores como la temperatura o la humedad relativa. En cualquier caso, para distancias de decenas de metros las variaciones son mínimas. En el agua, un valor típico de velocidad del sonido son 1500 m/s (el agua es más densa que el aire). En el agua, la densidad varía mucho en función de factores como la profundidad, la temperatura o la salinidad y sí hay que tenerlos en cuenta. La propagación del sonido en el agua, es el fundamento de los SISTEMAS DE SONAR utilizados en barcos y submarinos para detectar obstáculos u objetivos y envío de datos codificados. Para aplicaciones sonar las frecuencias que se utilizan corresponden a los ultrasonidos. En materiales metálicos, el sonido se propaga a velocidades superiores a las anteriores, por ejemplo, en el acero el sonido se propaga a una velocidad en torno a 5000 m/s. En materiales sólidos se utiliza el sonido y las propiedades de reflexión para detectar fallas estructurales y grietas, sin necesidad de tener acceso a toda la estructura. Por ejemplo en una viga, bastará con acceder a una de sus terminaciones para poder conocer su estado, empleando ultrasonidos y ecogramas.

En el aire a 0°c 331m/s
En el aire a 30°c 348 m/s
En el agua 1437 m/s
En madera de roble 1381 m/s
En hierro 5124 m/s
En vidrio 5195 m/s

1.6 Extinción del Sonido
La extinción se produce cuando la energía radiada durante la vibración no es restituida y por lo tanto absorbida por el medio. La amplitud del movimiento disminuye y finalmente se anula. Una onda acústica implica el movimiento de partículas, las cuales rozan entre sí. Este roce consume parte de la energía, que se convierte en calor, disminuyendo la energía acústica total. La pérdida de energía, o absorción, depende de cada frecuencia, siendo generalmente mayor a altas frecuencias que a bajas frecuencias. Cuando el frente de onda es esférico, en la mayoría de los casos, el nivel de presión cae 6 dB por cada vez que se duplica la distancia. Estas se llaman pérdidas por divergencia esférica. Si por ejemplo se mide el nivel de presión sonora SPL que produce una excavadora a cinco metros y este es de 100 dB, podremos decir que a 20 m el SPL será de 88 dB, y a 40 m serán 82 dB. Cuando el frente de onda es plano, no hay pérdidas por divergencia. Un ejemplo de este tipo de propagación se da en la propagación del sonido por el interior de una tubería.

1.7 Rango Audible

Los sonidos que el oído humano puede percibir se encuentran dentro del rango de 20 vibraciones por segundo (20Hz) del lado inferior de la escala, hasta las 20.000 vibraciones por segundo (20KHz) en el lado superior de la escala. La nota más grave de un piano coincide prácticamente con el límite inferior de nuestra capacidad discriminatoria, vibra 54 veces; y la más aguda, que señala el límite superior, vibra unas 8000 veces, sin tener en cuenta las vibraciones de los armónicos que, desde luego, son superiores. Pero existen sonidos que el oído humano no puede percibir y esto no quiere decir que ningún ser los oiga; hay animales cuya sensibilidad a algunas frecuencias es superior a la nuestra.

INFRASONIDOS Y ULTRASONIDOS: Por debajo de 20 Hz los sonidos se llaman “subsónicos” o “infrasónicos” y por encima, de 20 Khz “ultrasónicos”. El margen auditivo de las personas varía según la edad y otros factores. Los animales tienen un margen auditivo diferente, así, es muy conocido el hecho que los perros, ratas, murciélagos pueden sentir frecuencias mucho más altas, dentro del rango ultrasónico, y los elefantes perciben frecuencias mucho más bajas dentro del rango subsónico.

1.4 Producción del Sonido

Un sonido se compone de una producción, una propagación y, finalmente de una extinción.
La producción comienza por una trepidación de moléculas de aire debida a la aparición periódica de torbellinos; o es obtenida poniendo en vibración un cuerpo o elementos de un cuerpo material, apartados de su posición de equilibrio (sonidos de vibraciones). Una campana, un tambor o el cono de una bocina son ejemplos de esta forma de generación. Otra de las formas de generar sonido es produciendo una rápida variación de la presión sonora en el aire. Esto puede hacerse directamente sin la intervención de superficies vibrantes. Un ejemplo son los tubos de los órganos musicales que habitualmente encontramos en las iglesias. El aire comprimido penetra en el tubo y por medio de una abertura especial se produce un torbellino que hace entrar en resonancia la columna de aire encerrada en el tubo. Un ejemplo cotidiano de este mecanismo es el silbato. También los denominados instrumentos de viento emplean el mecanismo de hacer resonar una columna de aire. Esto puede lograrse mediante perforaciones en el tubo del instrumento (como en la flauta), o mediante lengüetas vibrátiles (clarinete), o aún con los propios labios del músico, como en el caso de la trompeta.
Una bocina es un ejemplo de superficie vibrante. Esta superficie denominada cono, se comporta como un pistón que bombea aire moviéndose muy rápidamente. Este movimiento crea en el aire ondas de COMPRESION (incremento de presión), y de RAREFACCION (disminución de la presión). Es interesante notar que si bien la compresión y la rarefacción son producto del movimiento de las moléculas de aire (o del medio por el cual se propagan), la velocidad de propagación de la onda es mucho mayor que la velocidad de las moléculas. Por este motivo se habla de Velocidad de Partícula y de Velocidad de Propagación.

1.5 Propagación del Sonido

Un foco sonoro origina una perturbación mecánica en el medio. Esta perturbación hace vibrar las moléculas existentes alrededor del foco. Éstas a su vez, hacen vibrar a sus vecinas, y así sucesivamente, hasta la atenuación total por absorción energética del medio transmisor. El sonido se difunde por el medio debido a esta vibración molecular que se transmite de molécula a molécula produciéndose un transporte de energía pero no de materia.

La propagación está ligada a diferentes fenómenos:
• La Transmisión: Paso de un cuerpo a otro
• La Reflexión: Incidencia sobre una superficie reflectante
• La Difracción: Encuentro con un obstáculo
• La Difusión: Incidencia sobre una superficie difusora
• La Resonancia: Aumento de la amplitud de las vibraciones, cuando las características del medio están ligadas a la frecuencia del sonido.
• Las Interferencias: Variaciones regulares de intensidad que se manifiestan en una superficie en la que interfieren dos o más ondas sonoras, producidas por dos o más fuentes favorablemente situadas.

Reflexión y Transmisión: Cuando una onda acústica incide sobre una superficie plana que separa dos medios, se producen dos ondas, una de reflexión y otra de transmisión. Cuando la inclinación de la onda incidente es superior a un cierto ángulo (ángulo crítico), sólo se produce onda reflejada. Cuánta energía pasa a formar parte de la onda reflejada y cuanta pasa ser parte de la onda transmitida, es función de la relación de impedancias acústicas entre el primer y el segundo medio. La impedancia es la oposición que hace el medio al avance de la onda, algo así como la "dureza" del medio. Cuando se pasa del medio aéreo al acuático, casi toda la energía se refleja, debido a que las impedancias son muy dispares. En cambio, entre una capa de aire frío y otra de aire caliente, casi toda la energía de la onda acústica pasa a formar la onda transmitida, ya que la impedancia acústica es parecida.

Difracción: El sonido se propaga en línea recta, como la luz, pero tiene la propiedad de bordear obstáculos mediante un fenómeno conocido como “difracción”. Este fenómeno permite crear una fuente sonora ficticia en el borde de un obstáculo. Por ejemplo un sonido generado al pie de una pared elevada puede ser oído del otro lado. Esto es debido a que al llegar al borde superior de la pared, una parte del sonido (que viaja en línea recta) se pierde en el aire, pero las variaciones de presión sonora en el borde superior de la pared también hacen las veces de una fuente sonora localizada en lo alto de la pared que irradia una fracción de la energía sonora en todas las direcciones (incluso hacia abajo). Gracias a este fenómeno (a menudo indeseable), el sonido puede llegar a oírse en recintos alejados entre sí y con “sombra” acustica. La sombra creada es distinta según la frecuencia de la que se trate. Si entre el oyente y una fuente sonora se sitúa un obstáculo, por ejemplo se levanta una pared de dos metros, el oyente percibirá una reducción de la intensidad del sonido total. Sin embargo, esta reducción será poca a las frecuencias próximas a 20 Hz (bajas frecuencias) y mucha a las frecuencias próximas a los 20 kHz (altas frecuencias), alrededor de 10 dB mayor. En este caso se podrá decir que las bajas frecuencias sufren más difracción que las altas, en otras palabras, su trayectoria se ha curvado más, rodeando el obstáculo.

Fase: La fase de una onda expresa su posición relativa con respecto a otra onda. La fase, representada por la letra griega Fi (φ), puede medirse como un tiempo, una distancia, o un ángulo (en grados 0º a 360º). Cuando esa distancia, tiempo o ángulo es cero, se dice que las ondas están en fase. Por el contrario, cuando las ondas no están en fase, se dice que están desfasadas. Es lo que se conoce como (Desfase) y puede producir distorsión en el sonido e, incluso, anularlo. Dos ondas idénticas desfasadas 180º (es decir, en contrafase) se cancelan.

Ondas en fase se suman y duplican su amplitud. Ondas fuera de fase 180° se suman y se cancelan.

Longitud de onda: indica el tamaño de una onda. Entendiendo por tamaño de la onda, la distancia entre el principio y el final de una onda completa (ciclo). Por ser una distancia se mide en “metros”, o en cualquiera de sus submúltiplos (centímetros o milímetros). Pero también se define como la separación espacial existente entre dos puntos cuyo estado de movimiento es idéntico. La longitud de onda se representa con la letra griega “λ” (lambda). Gráficamente, la longitud de onda puede representarse de tres modos, dependiendo del punto de origen que se eligiese:
• Cresta a cresta.
• Valle a valle.
• Punto de equilibrio a punto de equilibrio.
La longitud de onda es igual a la velocidad de propagación del sonido (en aire a 30°C es 348 m/s) dividida por su frecuencia.

En la representación de una onda senoidal de la figura, se puede apreciar la longitud de onda como la distancia entre dos crestas consecutivas.

1.3 El Sonido Musical

El Tono viene determinado por la frecuencia fundamental de las ondas sonoras y es lo que nos permite distinguir entre sonidos graves, agudos o medios.
Tonos graves (frecuencias bajas, de 100 a 400 Hz).
Tonos medios (frecuencias medias, de 400 a 4.000 Hz).
Tonos agudos (frecuencias altas, de 4.000 hasta 20.000 Hz).
La intensidad se refiere a la cantidad de energía (potencia acústica) del sonido. Depende de la amplitud de la onda, pues cuanto mayor sea la amplitud de la onda, mayor es la cantidad de energía (potencia acústica) que genera y, por tanto, mayor es la intensidad del sonido.
El Timbre es la cualidad que confieren al sonido los “armónicos” que acompañan a la frecuencia fundamental. Lo que da diferentes timbres a diferentes instrumentos es la amplitud y la ubicación de los “armónicos” y de los “parciales”.
Por ejemplo, si dos instrumentos diferentes ejecutaran la nota “do”, la onda fundamental de ambos poseería la misma frecuencia, pero sus timbres son diferentes porque cada uno produce una cantidad de armónicos diferentes. Tanto es así que sin ver los instrumentos, al oírlos por ejemplo por radio, se distinguen las diversas sonoridades y el timbre nos facilita su identificación.

¿A que se debe esto? El sonido musical no es una vibración simple, sino un complejo de vibraciones, de modo que además de una onda principal, se producen otras ondas llamadas “armónicas”, que vibran a la par de la principal, pero según sus propias frecuencias.
Definimos a un armónico como aquel sonido cuya frecuencia es un múltiplo entero (doble, triple, cuádruple, etc) del sonido fundamental: raros son los sonidos que se emiten sin armónicos.
Definimos a un parcial como aquel armónico cuya frecuencia no es múltiplo entero de la fundamental. Las campanas son los que poseen más parciales perceptibles que otros instrumentos.

Por ejemplo si tomamos como nota fundamental la vibración del diapasón (440 hz):

1er armónico 440 Hz (fundamental)
2do armónico 880 Hz (doble del fundamental)
3er armónico 1320 Hz (triple de la fundamental)
4to armónico 1760 Hz (cuádruplo de la fundamental...)

Formas de onda de un diapasón, un clarinete y una corneta, todas
con una frecuencia de 440 Hz y la misma intensidad.

Introducción

La acústica es la ciencia que estudia los diversos aspectos relativos al sonido, particularmente los fenómenos de generación, propagación y recepción de las ondas sonoras en diversos medios, así como su transducción, su percepción y sus variadas aplicaciones tecnológicas.

1.1 El Sonido

El sonido es la sensación que se produce, a través del oído, en el cerebro y la causa física que lo determina. Esta causa física son las vibraciones en un medio elástico (generalmente el aire) que se producen por el desplazamiento de las moléculas del aire debido a la acción de una presión externa. Analicemos el ejemplo de un largo tubo con un pistón en uno de sus extremos. En el estado inicial, (a), el aire se encuentra en equilibrio. La densidad y la presión son constantes en toda la extensión del tubo. En (b) el pistón empuja el aire circundante perturbando el equilibrio, pero debido a la inercia, no es posible mover instantáneamente toda la columna de aire, por lo cual el aire próximo al pistón se comprime. El aire comprimido ejerce mayor presión sobre el aire que lo rodea a menor presión, por lo que tiende a comprimirlo, a su vez descomprimiéndose. El resultado, ilustrado en (c), es que la perturbación se ha desplazado. Este proceso se repite en forma continua, como se muestra en (d) y (e). La perturbación se aleja, así, de la fuente (el pistón).

(a) El aire en reposo (moléculas repartidas uniformemente). (b) Ante una perturbación el aire se concentra cerca del pistón (aumenta la presión). (c), (d), (e) La perturbación se propaga alejándose de la fuente.

Cada molécula transmite la vibración a las que hay a su lado provocándose un movimiento en cadena que se transmite en forma de variaciones de presión sonora, y se representan como una onda.

1.2 Magnitudes Físicas del Sonido

Amplitud: La amplitud es el grado de movimiento de las moléculas de aire en una onda. Esta corresponde, en términos musicales, a aquello que llamamos “intensidad" .Cuanto más grande es la amplitud de la onda, más intensamente golpean las moléculas en el tímpano y más fuerte es el sonido percibido. Se mide en “decibeles”.
La amplitud mínima para que un sonido sea percibido por una persona se llama “umbral de audición” (0 db). Cuando la amplitud aumenta, llega un momento en que produce molestias en el tímpano, a eso se le llama “umbral del dolor” (120 db).

Frecuencia: La frecuencia es el número de oscilaciones completas que una onda efectúa en el intervalo de tiempo de 1 segundo. También llamada “ciclos por segundo”, se mide en “Hertz” (Hz), en honor al famoso físico austriaco. Cuanto mayor es la frecuencia, tanto mas agudo es el sonido. Si se producen muchas oscilaciones en un segundo estaremos hablando de altas frecuencias, si, por el contrario, son pocas, hablamos de bajas frecuencias.