Acústica III. Técnica Acústica. TECNOL.

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Tecnología

Vibraciones mecánicas y eléctricas. Existe una analogía formal entre las vibraciones mecánicas de los medios materiales y las vibraciones eléctricas. Esta analogía ha permitido el desarrollo de la rama científica llamada Electroacústica (v.), que nace con la invención del teléfono debida a A. G. Bell (v.). Es de gran importancia para la comprensión de lo que sigue tener presente la reversibilidad que presentan los fenómenos vibratorios electromecánicos. Es decir, que si A es el efecto de la causa B, B puede ser el efecto de la causa A.

Consideramos (fig. 1) una masa m suspendida de un resorte, que ejecuta un movimiento vibratorio armónico simple (v. MOVIMIENTO; ONDAs). Sea k la constante recuperadora del resorte, v la velocidad del movimiento y representemos por x los desplazamientos experimentados por m a partir de su posición inicial de equilibrio. Podemos caracterizar el movimiento del resorte por los valores de la energía potencial U=kx2/2 y de la energía cinética T=mv2/2. Durante el movimiento hay una conversión incesante de una en otra clase de energía, conservándose constante, despreciando las pérdidas caloríficas, la suma T+ U.

Un circuito eléctrico (v.) oscilante está formado por una autoinducción L, una capacidad C y una resistencia R (fig. 2). La energía electromagnética total almacenada en el circuito es en parte WE, debida al campo eléctrico E que existe entre las armaduras del condensador, y en parte WL, debida al campo magnético B que existe en ,en autoinducción. Hay una conversión incesante de una en otra, conservándose, despreciando pérdidas, constante su suma. Sus valores son, respectivamente,

WE=LI2/2 y %=Q2/2C, siendo I la corriente que recorre el circuito y Q la carga

almacenada en el condensador. Al comparar los fenómenos mecánico y eléctrico, se llega a la conclusión de que hay una correspondencia entre las magnitudes que intervienen en ellos, de forma que

Q se corresponde con x I """ v C """ 1/k

L """ m

es decir, que lo mismo que la masa m mide la inercia de los cuerpos materiales al variar su estado de reposo o de movimiento, la autoinducción L mide la inercia del campo magnético a cambiar de valor. Como el periodo del movimiento vibratorio armónico que ejecuta el resorte vale T=2a>,lm1k,

el de las vibraciones electromagnéticas es . T=2a~,ILC.

Una emisora de radio emite con una longitud de onda que vale x=cT, siendo c la velocidad de la luz en el vacío. Así, pues,

X(metros)=3 x 10$ (metros) x 2f x V C (faradios) x L (henrios). Gracias a ciertos artificios, llamados transductores electroacústicos, las ondas sonoras originan fenómenos mecánicos que pueden transformarse en vibraciones eléctricas. Debido a la propiedad de la reversibilidad, también puede conseguirse el fenómeno contrario.

Teléfono, micrófono, altavoz, tocadiscos y cinta magnetofónica. Todos estos artificios están basados en el fenómeno de la inducción electromagnética (v. ELECTROMAGNETISMO).

El teléfono (fig. 3) consiste, en esencia, en una lámina muy fina de hierro ligeramente apoyada sobre un imán NS, sobre el que va un arrollamiento recorrido por la corriente originada en un micrófono. La intensidad de esta corriente depende del sonido emitido frente al micrófono, y refuerza o debilita la fuerza de atracción del imán sobre la lámina, con lo que ésta ejecuta vibraciones que pasan al aire y producen el sonido. A su vez, el teléfono sirve de micrófono, pues al hablar delante de la lámina L, ésta vibra, acercándose y alejándose de los polos del imán, con lo que varía el flujo del campo magnético que atraviesa los arrollamientos dispuestos sobre aquél. De esta manera se produce una corriente inducida, cuya intensidad varía de acuerdo con los sonidos emitidos frente a la lámina, y que es capaz de excitar un teléfono, que reproduce los sonidos emitidos frente al primero.

Los teléfonos de uso corriente no son del tipo electromagnético descrito. Se utiliza el micrófono de granos de carbón. Su funcionamiento es muy sencillo. Consiste en una lámina muy delgada, generalmente de carbón, que se apoya, mediante una arandela de material aislante, sobre una cápsula que contiene granos de carbón. Al emitir un sonido delante de la lámina, las vibraciones que ejecuta hacen que los granos de carbón se aprieten más o menos . unos contra otros, variando la resistencia eléctrica del conjunto. Los cambios que, a su vez, experimenta la corriente eléctrica que recorre el circuito micrófonoteléfono, hacen vibrar la lámina metálica de este último, reproduciendo los sonidos emitidos frente al primero. Esta clase de micrófonos son baratos, aunque no muy fieles. La fidelidad del sonido se conserva mucho mejor utilizando los micrófonos llamados de banda o de cinta. Consisten (fig. 4) en una hoja metálica finísima, generalmente de aluminio, colocada entre los polos de un imán permanente muy intenso. Los pequeños movimientos que ejecuta la laminilla, al ser alcanzada por las ondas sonoras, originan corrientes inducidas que, convenientemente amplificadas, pueden servir para excitar un teléfono o un altavoz. Existen, además, otros tipos de micrófonos fundados en la piezoelectricidad (v. DIELÉCTRICOS) y en la magnetoestricción, que encuentran aplicación en fines muy especiales. Con respecto al dominio de frecuencias, los micrófonos de carbón pueden utilizarse hasta 5 Kc/seg., los electrodinámicos hasta 20 Kc/seg. y los de banda en todas las audiofrecuencias. Con respecto a los dos tipos mencionados y no descritos, su dominio de frecuencias más favorable se encuentra en la región de los ultrasonidos.

Los altavoces son teléfonos dotados de artificios apropiados para obtener grandes energías sonoras. Se logra haciendo entrar en vibración una gran masa de aire, lo que se consigue uniendo la lámina vibrante del teléfono a un cono, hecho generalmente de papel rígido, que se mueve con la misma frecuencia que ella. En los altavoces electromagnéticos, la corriente que proviene del micrófono, llamada corriente fónica, recorre un carrete cuyo núcleo de hierro está constituido por una lengüeta, situada entre los polos N y S de un potente imán en herradura. Según el sentido de esta corriente, se crea en la lengüeta un polo N o un polo S que es repelido por el correspondiente del mismo signo del imán y atraído por el de signo contrario. De los movimientos de la lengüeta participa el cono de papel, anteriormente mencionado, que pone en vibración.una gran masa de aire, reproduciendo así los sonidos emitidos frente al micrófono.

Los altavoces electrodinámicos utilizan un imán, llamado "de puchero" (fig. 5) que se excita mediante una corriente auxiliar, entre cuyos polos se sitúa el arrollamiento recorrido por la corriente fónica, solidario del cono móvil. Según el sentido de la corriente, el arrollamiento tiende a entrar o salir del polo S del electroimán, haciendo vibrar la correspondiente masa de aire en contacto con el cono de papel. Estos altavoces exigen un centrado perfecto del arrollamiento, pues el espacio anular que queda entre los polos N y S del electroimán es solamente de algunas décimas de milímetro, única manera de conseguir que el campo magnético entre las piezas polares sea muy intenso. Por tanto, estos altavoces reproducen bien los sonidos cuyas frecuencias están comprendidas entre 16 c/seg. y 20 Kc/seg.

El tocadiscos (fig. 6) no es más que un núcleo de hierro que vibra cuandb la aguja P recorre los surcos grabados en el disco. Los pequeños movimientos que ejecuta el núcleo de hierro, motivados por el perfil del surco, producen una corriente inducida en el arrollamiento que, convenientemente amplificada, alimenta un altavoz. Una reproducción más fiel del sonido, y también de las imágenes, se consigue con la cinta magnetofónica (fig. 7). Está fundada en el efecto Poulsen (1903) que consiste en hacer pasar una cinta de plástico, recubierta de una sustancia ferromagnética, totalmente desprovista de imanación, por entre las piezas polares de un electroimán, alimentado por una corriente apropiada. La imanación variable que experimenta la cinta es capaz, después, de inducir en un carrete una corriente eléctrica destinada a excitar un altavoz o el correspondiente circuito de una emisora de TV. La reproducción del sonido y de la imagen es tan perfecta que, cuando se transmite, es difícil distinguirla de una emisión en directo. Más del 90% de los programas emitidos por las emisoras de radio y televisión han sido previamente grabados de aquella manera.

Estereofonía y audición binaural. La reproducción monoaural del sonido está muy lejos de ser perfecta. Una orquesta, p. ej., raramente utiliza todos los instrumentos a la vez y el interés y la excitación de los oyentes radica fundamentalmente en el papel que juegan las combinaciones de los instrumentos. Ocurre que el interés central de los espectadores "se mueve" en el escenario. Los instrumentos que no toman parte en aquella combinación se limitan a suministrar un fondo musical agradable. Una reproducción monoaural es totalmente insatisfactoria a este respecto. El "fondo musical", cuya extensión es de 25X7 m. aproximadamente, se comprime en un túnel cuya boca tiene un diámetro que nunca supera los 40 cm. No hay posibilidad de identificar o de apreciar ni los instrumentos individualmente, ni tan siquiera las reacciones de la orquesta sobre la base de su distribución espacial. En las primeras películas sonoras, el sonido no "acompañaba" al actor en sus movimientos, toda la acción parecía tener lugar en un túnel con un micrófono colocado en el centro de la pantalla. Todo ello ha conducido a la reproducción estereofónica del sonido. Se trata de introducir una profundidad auditiva, análoga a la profundidad visual de que están dotadas las observaciones estereoscópicas.

El hombre, posee dos oídos, lo que le permite conocer el campo sonoro en dos puntos separados por la distancia entre aquéllos. Sucede entonces que el sonido que le llega emitido por un foco sonoro que no está situado en el plano frontal (fig. 8), lo percibe un oído, el derecho, p. ej., antes que el otro. Cuando el foco se encuentra en la prolongación de la línea que une ambos, la diferencia de tiempo es de 0,00063 seg. Sucede, además, que la intensidad es diferente en ambos oídos, debido, fundamentalmente, a la difracción que experimenta el sonido en la cabeza del auditor. Recuérdese que la intensidad del sonido es función de su frecuencia, resultando que el rango de frecuencias no es el mismo para los dos oídos. Ahora bien, la facultad de discernir la dirección en la que nos llega un sonido radica en la diferencia de fase con que las ondas llegan a nuestros oídos. Esta diferencia de fase puede aumentarse artificialmente haciendo mayor nuestra base acústica ID, de alrededor de 17 cm. para un oído normal, acoplando a cada uno de ellos un tubo de uno o dos metros de longitud. Interés especial presenta esta propiedad en los receptores acústicos destinados a detectar la presencia de aviones o submarinos. Son los llamados fonolocalizadores. Consisten en dos parejas AB y CD de grandes bocinas, situadas según dos ejes perpendiculares, alrededor de cada uno de los cuales pueden girar (fig. 9). Cada bocina de cada pareja está unida, mediante un tubo de goma de 2 m. de longitud, a los correspondientes oídos de dos observadores. La base acústica de cada uno de ellos aumenta entonces hasta dos metros. El par de bocinas AB, manejado por uno de los observadores, puede, girar alrededor de un eje horizontal y sirve, por tanto, para buscar el avión en altura. El par CD, manejado por el otro observador, puede girar alrededor de un eje vertical y sirve para buscar el avión en acimut.

Los observadores mueven lentamente su correspondiente pareja de bocinas hasta lograr que el sonido se perciba simultáneamente por ambos oídos. Cuando el aparato está "bien enfocado", el sonido parece estar localizado en el centro del cerebro, bastando un ligero giro de uno de los pares de bocinas para que el sonido parezca que "salta" de uno a otro oído.

Sistemas estereofónicos. Un procedimiento para reproducir estereofónicamente el sonido consiste en tomar dos "muestras" del campo sonoro y conducirlas a los remotos oídos del auditor mediante dos sistemas eléctricos totalmente separados y dos auriculares. El transmisor está formado por dos micrófonos, de gran calidad, dispuestos sobre una cabeza humana artificial, cuyo objeto es reproducir la distorsión que una cabeza humana produce en el campo sonoro (fig. 10). Los resultados son impresionantes, pero la incomodidad de los auriculares ha hecho abandonar el procedimiento. Los auriculares han sido sustituidos por altavoces convenientemente dispuestos. Como los acontecimientos que ocurren en el escenario de un teatro o en los estudios cinematográficos tienen lugar prácticamente al nivel del suelo, basta en general utilizar un conjunto de altavoces dispuestos a lo largo de una línea horizontal. Se comenzó por disponer solamente dos (fig. 11), pero posteriormente se utilizaron tres. Supongamos que quiere reproducirse un concierto en la misma sala en la que fue impresionado. Se disponen entonces las cosas tal y como se indica en la fig. 12, en la que los micrófonos se colocan de manera que a=b=c. Entonces, por razón de proporcionalidad, los micrófonos utilizados para captar el sonido original deberían ocupar las mismas posiciones que los altavoces. De esta manera, los sonidos parecen proceder de los puntos en los que fueron recogidos originalmente. El "movimiento" del sonido que acompaña a la imagen en una proyección cinemato= gráfica tiene el mismo fundamento anterior, ya que, de los tres altavoces dispuestos en el escenario, el sonido fundamental sólo lo emite el correspondiente al micrófono que actuó durante la filmación de la película.

V. t.: SONIDO 1; ONDAS.

L. BRÚ VILLASECA.

BIBL.: V. la de SONIDO I.