acústica

f
Física

Desplaçament d’un tren d’ones sonores en el si d’un èmbol

© fototeca.cat

Part de la física relativa al so.

L’acústica ha esdevingut síntesi de disciplines científiques molt diferents, per tal com, per exemple, hom pot estudiar la producció i propagació del so mitjançant un model fisicomatemàtic, mentre que la recepció del so, essent una sensació psicofisiològica provocada per un estímul físic, requereix una interpretació multidisciplinària. L’acústica té una importància decisiva en dominis molt diversos: fisiologia de l’oïda, música, fonètica acústica, arquitectura, electroacústica (aparells emissors, enregistradors i reproductors del so), bioacústica (senyals sonors dels animals), acústica submarina (determinació de la fondària dels oceans), contaminació sonora industrial i urbana, etc.

L’estudi del so es remunta als orígens de la ciència. Pitàgores (segle VI aC) realitzà ja experiències acústiques i estudià els sons produïts per les vibracions de cordes de budell de llargàries diferents. Sèneca atribuí la transmissió dels sons a l’elasticitat de l’aire. Al començament del segle XVII, Bacon i Galileu establiren les bases de l’acústica i, un segle més tard, B. Taylor, D. Bernoulli, Euler i D’Alembert feren l’estudi teòric de les cordes vibrants. Fou, però, Helmholtz qui, el segle XIX, combinà fisiologia i física per tal d’estudiar el so com a estímul inductor d’una sensació psicofísica i elaborà la primera teoria de l’audició. Més tard, Rayleigh establí una teoria bastant completa sobre la producció i propagació del so. El desenvolupament del fonògraf, telèfon i gramòfon impulsà definitivament la tecnologia acústica. D’altra banda, la psicoacústica es fonamenta en els treballs de Fechner (1860), Weber, Bray, els quals demostraren que la sensació del so era deguda a la transmissió d’un senyal elèctric pel nervi acústic.

El so és un fenomen vibratori consistent en la propagació d’una pertorbació en un medi material (de fet, és el cas més manifest de propagació d’ones longitudinals, anomenades així perquè la vibració es produeix en la direcció d’avançament de l’ona). El so que hom rep prové de la vibració d’un cos o font sonora en el si d’un medi elàstic (un gas, l’aigua, l’acer, etc.) que, generalment, és l’aire. La vibració de la font sonora origina desplaçaments oscil·latoris de les posicions d’equilibri de les partícules del medi que l’envolten. Com a conseqüència de l’elasticitat del medi, aquestes vibracions van transmetent-se progressivament en totes direccions i en resulta una variació oscil·latòria (generalment periòdica) de la densitat del medi en cada punt (o de les tensions internes si es tracta d’un medi rígid), fenomen que es manifesta en forma d’una ona de pressió. Aquesta ona es transmet tal com preveu la física del moviment ondulatori i, per tant, la propagació depèn dels paràmetres de l’ona i de les característiques del medi.

L’ona ve caracteritzada per la freqüència fonamental, per l’amplitud o elongació màxima de la vibració i el timbre (determinat pel nombre i intensitats relatives dels harmònics de la freqüència fonamental que hi són presents). Per a una certa ona, la natura i temperatura del medi determinen la velocitat de propagació. Així, a 20°C el so es propaga en l’aire a 344 m/s. Un augment de temperatura d’1°C fa augmentar la velocitat del so en 1 cm/s. En l’aigua a 8°C el so es propaga a 1.435 m/s. La intensitat del so és una mesura de l’energia transmesa per la propagació de l’ona. Ve donada pel flux d’energia que travessa per unitat de temps la unitat de superfície perpendicular a la direcció de propagació, i es mesura en W/cm2. En la pràctica, però, hom pren una escala comparativa de potències com a mesura de la intensitat: el nombre de decibels (dB) d’un so el dona l’expressió log10(I/Io), on I és la intensitat rebuda i Io la intensitat mínima necessària perquè el so en qüestió sigui audible. La dispersió del so a l’espai implica la pèrdua d’intensitat per l’expansió del front d’ona i per l’absorció dissipativa dels medis travessats.

La recepció del so per l’oïda és un procés biofísic complex, comportant la captació d’estímuls molt petits, com en dona idea el fet que la variació de pressió produïda en parlar és de l’ordre d’una milionèsima de la pressió atmosfèrica normal. L’ona sonora captada pel pavelló auricular i guiada pel conducte auditiu (orella externa) fa vibrar la membrana del timpà i, a través de la cadena articulada d’ossets (orella mitjana), on aquestes vibracions s’amplifiquen i es reforcen, el so es concentra sobre la finestra oval, i origina ones de pressió en els òrgans de l’orella interna que somouen les pestanyes de les cèl·lules sensorials auditives. Aquesta excitació desencadena un potencial d’acció que, a través del nervi coclear, es transmet als centres acústics del cervell (audició). L’audibilitat de l’oïda permet de classificar els sons en tres grups: els infrasons (freqüències inferiors a 20 Hz), la gamma audible (entre 15 i 15.000 Hz) i els ultrasons (per damunt de 20.000 Hz). Fora d’aquests tres grups, hom anomena macrosons els sons de molt alta intensitat (macrosò).