domingo, 1 de julio de 2012

Interferencia de Ondas Sonoras en Habitaciones y Salas de Conciertos

Las ondas sonoras, como cualquier otra onda, interferirán entre ellas generando líneas de máxima amplitud (antinodales) y líneas de amplitud cero (nodales). Si son provocadas por dos parlantes que vibran en fase, esas líneas generan una especie de "peine" de sonido, como se ve en la siguiente imagen.
Imagen: Guitarristas.info; La comunidad de los guitarristas; Cómo colocar dos altavoces en el escenario
http://www.hispasonic.com/foros/como-colocar-dos-altavoces-bafles-escenario/373499
Las zonas negras indican la ubicación de dos parlantes emitiendo hacia la derecha; las líneas azules delgadas a la derecha con líneas nodales y las celestes líneas antinodales. Noten la intercalación de máximos y mínimos.

          Los ingenieros de sonido deben tomar todas las precauciones al colocar parlantes para que tales peines no afecten la calidad de la música percibida por el espectador. Por esta razón, los auditorios y las salas de concierto son diseñadas específicamente para reducir la interferencia destructiva, la cual es creada naturalmente por las reflexiones o reverberaciones de las ondas sonoras en las paredes y techos. Una medida es utilizar techos y paredes de textura rugosa para absorber el sonido y evitar la generación de interferencias destructivas.
            En determinados casos, como en los silenciadores de los automóviles, esa interferencia destructiva es deseable y se obtiene mediante numerosas láminas que reflejan las fuertes ondas sonoras provocadas por las explosiones en el motor, generando una interferencia fuertemente destructiva. Si en una moto no se utiliza un silenciador en el caño de escape -lo que se denomina "escape libre"- la polución sonora es enorme y sumamente molesta. También es deseable que en ciertas habitaciones el nivel sonoro sea bajo, lo que se consigue introduciendo señales sonoras desfasadas. Las dos ondas están presentes, pero el resultado es una habitación silenciosa.


Si se quiere reducir el efecto de peine al usar parlantes, algunos conocedores recomiendan colocarlos separados un ángulo igual a su cobertura horizontal, de forma que no ocurra superposición. De esa forma se logra cubrir un ángulo doble de la cobertura angular de cada parlante individual, aunque se pierde el efecto estéreo o tridimensional. Es un método usado en los teatros musicales para reproducir las voces.
            Si se desea un sonido estéreo con dos parlantes, la superposición de ondas siempre provoca líneas de interferencia destructiva, aunque el simple hecho de que los espectadores tengan dos oídos separados una determinada distancia reduce bastante el efecto, especialmente porque el cerebro cubre dicho efecto debido a la diferencia de tiempos y de nivel de cada oído  Sin embargo, si un observador se pasea yendo de un parlante a otro, con el oído formando 90º con la trayectoria, el "peine" es bastante notorio.
            Por supuesto, la forma de la sala puede influir fuertemente en la calidad del oído, y un coro cantando en un salón estrecho normalmente sonará muy mal comparado con ese mismo coro cantando en un anfiteatro. En habitaciones, las mejores calidades se obtienen cuando la forma es rectangular, surgiendo bastantes problemas cuando es cuadrada, dada la simetría de las reflexiones. El cubrir las paredes con materiales absorbentes de sonido, como el yeso, madera o paneles absorbentes, reduce las reflexiones indeseadas. Una buena medida es determinar un triángulo equilátero donde dos de sus vértices se hallan en los parlantes y el tercero en la ubicación del oyente. En los grandes auditorios esto es bastante difícil, pero al instalar un home theatre, no
            Es conveniente que los parlantes se coloquen a la altura del oído, usando pies adecuados, apuntados hacia la zona del auditorio. Cuanto más se acerquen los parlantes a las paredes, ocurrirá más interferencia constructiva de graves, a causa de las reflexiones. Lo ideal es una separación de entre 20 y 50cm entre parlantes y muros. La longitud de los cables entre el amplificador y los parlantes también influye, provocando diferencias de fase entre ellos, que se reducen cuando los conectores son de igual longitud.
            Por supuesto, para comprobar que una disposición es óptima, lo mejor es desplazarse por el escenario o la habitación, escuchando con cuidado y anotando la ubicación de nodos, especialmente en las frecuencias inferiores a 200Hz (l del orden de 2m) que serán las más afectadas por la ubicación de los parlantes. Existen CD de prueba que generan sonidos con frecuencias que van de 20 a 200Hz, pensados específicamente para este fin. También pueden utilizarse programas de computadora, como el Room o Listening Room (Sitting Duck Software), que permiten optimizar los sonidos mediante cálculo matemático.

Fuentes y ampliación:

Modesto Garrido; Cómo colocar los altavoces/ parlantes; 10 mayo 1997
Science Clarified; Interference- Real Life applications (en inglés)

Sound-Physics.com; 1996 (en inglés)
http://www.sound-physics.com/Sound/Interference/

Ondas en Dos Dimensiones

Existen ocasiones en que las ondas marinas pasan a través de aberturas entre las rocas, como las que vemos aquí.

Foto de Tom Holub; Flickr; Light Interference.

Podemos ver cómo las olas se superponen, produciéndose interferencia en la zona posterior.
Esquematicemos, pues, esa fotografía: existe una doble abertura con una separación d y sobre ella inciden desde la izquierda frentes de onda planos. Las ondas se superponen en un punto cualquiera, como P.

Los frentes de onda azules alcanzan la doble abertura y cada una de las aberturas puntuales se transformará en un generador de ondas circulares. Como ambas rendijas son alcanzadas simultáneamente por el frente de onda incidente, las ondas circulares elementales se emitirán en fase.
            En determinado instante, dichas ondas alcanzarán un punto cualquiera P donde se superpondrán. La distancia recorrida por dichas perturbaciones es diferente, existiendo una diferencia de caminos:

                                               DX = X1 – X2                          

            Aplicando la condición de interferencia constructiva, resulta que en el punto P existirá un máximo de interferencia si se cumple la siguiente ecuación:
                                               X1 – X2 = nl                           

                                               Con n = 0, 1, 2, 3….

            Por el contrario, habrá un mínimo si
                                               X1 – X2 = N l/2                      

                                               Con  N = 1, 3, 5, 7….  (siempre impar)

De la superposición de las ondas resultan unas líneas hiperbólicas nodales (cuando la interferencia es destructiva) y antinodales (cuando es constructiva), tales como las que apreciamos debajo.



En el Phet de la Universidad de Colorado se puede oir la interferencia de sonidos utilizando un simulador
http://phet.colorado.edu/en/simulation/sound

Las Cuerdas Vocales

Las cuerdas vocales, que se ubican en la zona de unión de la laringe con el esófago, no son cuerdas propiamente dichas sino láminas de membrana mucosa estiradas horizontalmente a través de la laringe. Cuando modulamos, vibran con el aire expelido desde los pulmones, durante el proceso denominado fonación. Las cuerdas se abren durante la inhalación y se cierran al retener la respiración, siendo controladas por el nervio Vago.
Las cuerdas vocales constituyen la fuente principal de sonido del ser humano, aunque no la única, ya que la laringe es quien provoca el flujo de aire en pequeños pulsos de ondas sonoras. La laringe determina la frecuencia fundamental del sonido, pero este valor es influido por la longitud, tamaño y tensión de las cuerdas vocales, que generan un sonido constituido por numerosos armónicos, generados por los contactos entre las láminas vibrantes, cuando se acercan para vibrar. Las falsas cuerdas vocales (cuerdas vestibulares y ventriculares) no intervienen en la fonación.
            La epiglotis se encarga de cerrar la tráquea durante la deglución y para dirigir el bolo alimenticio hacia el esófago.
            Las cuerdas vocales masculinas miden entre 17 y 25mm de longitud; las femeninas entre 12,5 y 17,5mm, con entre 3 y 5mm de espesor, aproximadamente. Estas diferencias son las que provocan los diferentes tonos en el habla.
            Las cuerdas vocales pueden verse afectadas por el sobreuso, traumas químicos, térmicos a mecánicos, el hábito de fumar, el cáncer de laringe, cirugías, pólipos, nódulos y edemas.

            En el diálogo habitual, un adulto masculino fona un sonido con una frecuencia fundamental de entre 85 y 180Hz y un adulto femenino entre 165 y 225Hz. En general, el rango de la voz se extiende desde 90 hasta 1100Hz, aunque han existido casos con límites superiores de hasta 14 kHz.
            El rango vocal determina los límites entre los que se hallan los sonidos que se pueden fonar. Esto es particularmente importante para el canto, por lo que se clasifican las voces en diferentes tipos clásicos

Cuerdas de Guitarra Española

Una guitarra acústica española tiene seis cuerdas de diferentes densidades lineales, tensas y sujetas entre dos extremos fijos llamados "puente" y "cejuela". La longitud de cada cuerda vale L = 65,0cm (25,5 pulgadas) y su densidad lineal depende del sonido que se quiera generar, según se indica en la Tabla inferior.
            Los anglosajones ordenan las cuerdas de menor a mayor frecuencia como E-A-D-G-B-E (La frase "Eddie Ate Dynamite; Good Bye Eddie!"  es una buena regla mnemotécnica para recordar ese orden). Los españoles y latinoamericanos ordenan y numeran las cuerdas de abajao hacia arriba, con lo que el orden resulta ser E-B-G-D-A-E.

La guitarra tiene sobre su mástil una serie de puntos de apoyo o "trastes" para variar la longitud de la cuerda vibrante. Esos trastes corresponden a los 12 diferentes semitonos de la escala cromática.
            Los diferentes trastes se ubican respecto al puente siguiendo esta relación:

                                                   Ln = L / (1,0595)n