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Ficha de la asignatura - Universidad Pública de Navarra

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Universidad Pública de Navarra

domingo, 30 de agosto Año Académico: 2009/2010 | Otros años: 2008/2009 | 2007/2008 INGENIERÍA TÉCNICA DE TELECOMUNICACIÓN, ESPECIALIDAD EN SONIDO E IMAGEN

Código: 40107

Asignatura: FUNDAMENTOS DE ACUSTICA

Departamento: Física

Curso: 1

Área de Conocimiento: FISICA APLICADA

Duración: 2º C

Tipo: Troncal

Teóricos: 4.5

Créditos: 6.0

Prácticos: 1.5

Profesores ARANA BURGUI, MIGUEL NAGORE ESPARZA, IÑAKI SAN MARTIN ERVITI, M. LUISA EZCURRA GUISASOLA, M. AMAYA

Descriptores de la asignatura

Prerrequisitos y recomendaciones

Contextualización

Objetivos y competencias

Temario y contenidos

Metodología y plan d

Descriptores de la asignatura Fundamentos físicos del sonido y su medida, así como sus analogías electro-mecánicas. Aspectos más relevantes de algunas ramas de la acústica, tales como la ambiental, subacuática y musical.

Prerrequisitos y recomendaciones El principal prerrequisito para cursar esta asignatura con éxito es haber cursado con cierto aprovechamiento las asignaturas del primer cuatrimestre de Matemáticas (I y II) y Fundamentos Físicos de la Ingeniería.

Contextualización Se trata de una asignatura troncal básica, donde se introducirán los conceptos fundamentales de la acústica física por lo que debe considerarse como asignatura eminentemente teórica. Se pretende que el estudiante adquiera las bases teóricas suficientes para comprender los fundamentos físicos de la acústica, sus magnitudes, unidades de medida, fenómenos de reflexión y transmisión, así como comprender las analogías que existen entre los sistemas acústicos con los sistemas mecánicos y eléctricos. No obstante, se introducen también aspectos de acústica musical y subacuática, descriptores que aparecen en el plan de estudios y no se imparten en otras asignaturas de la titulación. Los contenidos de esta materia serán necesarios para otras asignaturas de la titulación, especialmente para Ruido y Vibraciones (40109), Electroacústica (40108), Laboratorio de Electroacústica y Sonorización (40310) y Laboratorio de Acústica Arquitectónica e Iluminación (40311).

Objetivos y competencias En “Fundamentos de Acústica” se pretende que los alumnos adquieran las siguientes competencias (conocimientos+habilidades):

- Que el alumno identifique claramente los elementos básicos de un oscilador armónico mecánico (masa, rigidez, resistencia, fuerza exterior) y relacione correctamente su influencia en los parámetros más relevantes del movimiento (amplitud, velocidad, pulsación, amortiguación, factor de calidad).

- Que el alumno identifique claramente los medios continuos (con masa y rigidez) como infinidad de osciladores armónicos acoplados.

- Que el alumno sepa sintetizar la solución de múltiples sistemas mecánicos ante perturbaciones exteriores mediante su solución como ecuación de ondas.

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- Que el alumno se familiarice con la solución más sencilla de ondas planas, identificando y conociendo las relaciones entre las variables: desplazamiento, velocidad, presión, impedancia, etc. También se familiarizará, al menos cualitativamente, con la solución a ondas esféricas.

- Que el alumno sepa relaciones las magnitudes acústicas fundamentales: presión, velocidad, intensidad y potencia.

- Que el alumno use con total destreza la medida del sonido en magnitudes de niveles (dB).

- Que el alumno conozca los mecanismos básicos de la audición (respuesta a los niveles y frecuencias) e identifique los mecanismos básicos del filtrado humano (dBA).

- Que el alumno conozca los mecanismos básicos de la reflexión y transmisión de ondas acústicas en los cambios de medio, utilizando con destreza los coeficientes que caracterizan tales mecanismos.

- Que el alumno reconozca las analogías existentes entre sistemas (sencillos) mecánicos, eléctricos y acústicos, identificando las variables análogas y sabiendo pasar rápidamente de uno a otro.

- Que el alumno sepa interpretar la propagación curvilínea de los rayos sonoros en el medio subacuático y adquiera destreza en algunos cálculos básicos, como detección subacuática y cálculo de canales sonoros.

- Que el alumno conozca los mecanismos de generación sonora en los instrumentos musicales y conozca la evolución histórica y fundamentos de la notación musical.

Temario y contenidos

TEMA 1.-

EL OSCILADOR ARMÓNICO. El oscilador armónico es un modelo físico, mecánico, que constituye una primera aproximación para la solución de numerosos problemas reales. La idealización del modelo limita su aplicabilidad; sin embargo, en muchas situaciones físicas (pequeñas oscilaciones, acústica lineal, etc.) predice perfectamente los resultados experimentales. Además, los conceptos introducidos son fundamentales para entender sistemas más complejos; puede decirse que un estudio profundo del oscilador armónico contiene la gran mayoría de las ideas importantes de los fenómenos vibratorios complejos. Se introducen, en este orden, el oscilador armónico libre no amortiguado, el oscilador libre amortiguado y el oscilador armónico forzado. Se plantean las ecuaciones diferenciales y su solución general. Se analizan tales soluciones, introduciendo los conceptos de impedancia mecánica, factor de amplificación y factor de calidad. Se discute la respuesta de un sistema de este tipo en función de los valores de la resistencia, inertancia y capacitancia para finalizar con la analogía entre este tipo de sistema físico (mecánico) con el circuito eléctrico R-C-L.

TEMA 2.-

ONDAS EN UNA DIMENSIÓN. VIBRACIONES EN CUERDAS Y TUBOS. En este capítulo estudiaremos diferentes sistemas físicos susceptibles de propagar perturbaciones que se generan en un determinado punto (o superficie) y se propagan a través de dicho sistema. El denominador común de los sistemas expuestos será que las magnitudes físicas que caracterizan la perturbación (desplazamiento, velocidad, presión,...) dependerán de una sola variable espacial, por ejemplo, la distancia x al origen. Por supuesto, también serán magnitudes variables en el tiempo. Que la perturbación generada en un punto del sistema se propague será una consecuencia de las propiedades elásticas del medio. Nuestro objetivo será, precisamente, describir la ecuación dinámica que rige el fenómeno. Posteriormente, nos preocuparemos de hallar la solución de tal ecuación. De alguna forma, se trata de escribir la segunda ley de Newton para este tipo de sistemas; sistemas que ahora no son puntos, sino sistemas continuos. En el proceso de encontrar la ecuación dinámica, descubriremos que aparece una constante característica del fenómeno, constante que posee dimensiones de velocidad. Quedará patente que tal constante es una característica del sistema, dependiente de sus propiedades mecánicas, pero independiente de la amplitud o frecuencia de la propia perturbación. Finalmente, la ecuación encontrada dará lugar a soluciones del tipo ondas planas debido a la limitación del sistema a una sola dimensión. En el siguiente capítulo estudiaremos el caso general de tres dimensiones.

TEMA 3.-

ECUACIÓN DE ONDA ACÚSTICA EN TRES DIMENSIONES.

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Se plantea en este capítulo la ecuación de onda en tres dimensiones, particularizando para ondas de presión. Se describen (más bien de forma heurística que con detallada formulación matemática) las ecuaciones de estado, continuidad y de Euler para desembocar el la ecuación de ondas linealizada en tres dimensiones. TEMA 4.-

SOLUCIONES SIMPLES: ONDAS ACÚSTICAS PLANAS Y ESFÉRICAS. Se resuelve la ecuación de ondas para los casos sencillos de ondas planas (presión acústica constante en el espacio) y ondas esféricas (presión acústica inversamente proporcional a la distancia a la fuente)

TEMA 5.-

DENSIDAD DE ENERGÍA, INTENSIDAD E IMPEDANCIA ACÚSTICAS. En este tema se define, fundamentalmente, el concepto de intensidad acústica (magnitud vectorial, a diferencia de la presión) y los dispositivos experimentales para su medida. Además se analiza el concepto de impedancia acústica y su diferente expresión para ondas planas y esféricas.

TEMA 6.-

SONIDO Y AUDICIÓN. MEDIDA DEL SONIDO. dB. dBA. Si bien estos conceptos son también tratados en otras dos asignaturas (Ruido y Vibraciones y Electroacústica) se introducen en este tema desde un punto de vista más fundamental, en base a las soluciones encontradas para las diferentes ecuaciones de onda analizadas.

TEMA 7.-

REFLEXIÓN, TRANSMISIÓN, DIFRACCIÓN Y ABSORCIÓN DE ONDAS ACÚSTICAS. Debido a múltiples efectos (viscosidad, conducción calorífica, etc.) se produce absorción de las ondas sonoras en su proceso de propagación a través de un medio. En general, este proceso es fuertemente dependiente de la frecuencia. Por otra parte, cuando las ondas sonoras encuentran un obstáculo, se difunden alrededor del mismo, fenómeno que se conoce como difracción. Finalmente, en los cambios de medio (tanto entre fluidos como entre fluido y sólido) parte de la energía sonora se refleja y parte se transmite. Se analiza con detalle el proceso de reflexión y transmisión de ondas planas incidiendo normalmente entre una frontera de separación de dos medios infinitos. Se introducen los coeficientes de reflexión y transmisión, tanto de amplitud de presión como de energía. Se resuelve también el problema de transmisión a través de una capa intermedia, cuestión fundamental en el tema de aislamiento acústico, desembocando en la importante Ley de Masas-Frecuencias para el aislamiento acústico.

TEMA 8.-

ANALOGIAS ELECTRO-MECANO-ACÚSTICAS. En el desarrollo conducente a la obtención de la ecuación de ondas en un fluido, introdujimos el concepto de partícula del fluido. Entendíamos por partícula del fluido no un átomo o molécula sino un pequeño volumen del fluido (conteniendo un gran número de átomos o moléculas) dentro del cual las variables acústicas, tales como presión o velocidad, poseían un único valor. Esto es equivalente a considerar las dimensiones de tal partícula muy inferiores a la longitud de onda que se propaga en el medio. Cuando el propio sistema acústico que se considera (no ya las partículas, sino el conjunto del sistema) es de dimensiones considerablemente inferiores a la longitud de onda, el análisis se simplifica notablemente. Cuando la longitud de onda es considerablemente mayor que todas las dimensiones del sistema, todo el sistema se comporta como una partícula del fluido. En tal caso, las variables acústicas son independientes de la distancia dentro del sistema siendo, únicamente, dependientes del tiempo. Esta situación es equivalente a la de un oscilador armónico con un grado de libertad, donde el elemento de masa se concentra en un punto. A los sistemas acústicos en este límite de longitud de onda larga, se les denomina elementos acústicos concentrados. Un ejemplo sencillo de estos elementos es el resonador de Helmholtz, el cual se resolverá totalmente (en proceso análogo al caso del oscilador armónico) y se finalizará comprobando la total analogía entre sistemas mecánicos, eléctricos y acústicos, bajo hipótesis simplificadoras.

TEMA 9.-

ACÚSTICA SUBACUÁTICA. Tanto este tema como el siguiente aparecen en los descriptores de la titulación y se estimó apropiado introducirlos en esta asignatura. El desarrollo de la acústica subacuática está ligado con la detección, seguimiento y clasificación de submarinos. De hecho, se denomina con el nombre de sonar (sound navigation and ranging) a esta fase de la acústica subacuática. El interés de los biólogos marinos por conocer las señales acústicas que delfines y ballenas utilizan para comunicarse y el interés en la detección y seguimiento de bancos de pesca, han propiciado el desarrollo de esta rama de la acústica. El desarrollo de transductores eficientes en el medio acuático (hidrófonos) y el estudio de fenómenos que afectan la transmisión del sonido en dicho medio (difusión, absorción, refracción, etc.) han sido necesarios para resolver los problemas del sonar. Se estudian en este tema las causas de la refracción del sonido en su propagación en el medio marino (debido, principalmente, tanto a los cambios de temperatura como a la variación de la presión con la profundidad) y los efectos que produce. Bajo hipótesis de gradiente de velocidad constante con la profundidad, se resuelve la curvatura de tal propagación y se discuten las condiciones para la existencia de canales sonoros.

TEMA 10.- ACÚSTICA MUSICAL. A partir de los resultados obtenidos en el Tema 2 para cuerdas tensadas y tubos sonoros, se plantea el diseño y construcción de escalas musicales, consistente en colocar diversas notas entre una nota dada, por ejemplo el Do, y su octava superior. Se analizan brevemente tres soluciones (escalas pitagórica, natural y temperada) bajo la óptica de su fundamento, ventajas e inconvenientes.

Metodología y plan de trabajo

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Se imparten tres horas semanales en el aula asignada. Aproximadamente, una tercera parte del tiempo se utiliza para resolver casos prácticos, distribuyendo hojas de problemas con varios días de antelación. Tanto los apuntes teóricos como las colecciones de problemas quedarán a disposición de los alumnos en fotocopiadora. Se potenciará el uso del Aulario Virtual de la asignatura para acceso a información, chats, links, etc. La cuarta parte de la asignatura consiste en la realización de prácticas en laboratorio, realizadas en grupos de tres alumnos. Los alumnos deben entregar un informe de cada práctica. Las prácticas que los alumnos deben realizar, así como entregar un informe de las mismas son: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

Conectores y cableado en audio. Sensibilidad del oído con la frecuencia. Audiometría. Ondas estacionarias en tubos. Coeficiente de absorción. Amplificador de audio. Características. Sensibilidad de micrófonos. Método de comparación. Respuesta de altavoces. Eficiencia. Sonómetros integradores. Medida y expresión del ruido ambiental. Registro físico: analógico y digital. Comparativa. Edición y grabación sonora. Manejo de Sound Forge.

Evaluación La evaluación consta de dos partes. Por una parte, la realización de un examen teórico (60% de la prueba) y práctico (40% de la prueba). La otra parte lo constituye la evaluación de los informes de las prácticas realizadas. La asistencia a prácticas (15 horas) será condición necesaria para optar a evaluación. La ponderación de ambas partes será la misma que el número de créditos asignados a las partes teórica y práctica de la asignatura, 75% y 25%, respectivamente.

Bibliografía y recursos Apuntes del Profesor L. E. KINSLER. Fundamentos de acústica. Ed. Limusa, 1998. M. RECUERO. Ingeniería acústica. Ed. Paraninfo, 1991. C.M. HARRIS. Manual de medidas acústicas y control del ruido. Ed. McGraw-Hill. 1998

Idioma Castellano

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