Cuando pensamos en el concepto de “sonido”… en muchas ocasiones… pensamos en ondas… inclusive quizás nos han sugerido pensar en las ondas en el agua… y entonces imaginamos el sonido como ondas en el aire…
Así que demos un paso atrás para clarificar esto…
Seguro que alguna vez has visto una bocina… quizás hasta la ha destapado alguna.
Esencialmente se trata de una bobina, un diafragma, un imán y un cono:
Como platicamos en este otro video, específicamente hablando de los descubrimientos de Faraday… cuando se pasa corriente por una bobina o solenoide se crea un campo magnético:
Ese campo magnético interactúa con el imán… bien sea mediante atracción o repulsión… el sentido de la corriente en el solenoide cambia la polaridad del campo y eso significa que controlando la dirección de la corriente, controlamos si el imán se aleja del a bobina o se “pega” a esta… si esto se hace varias veces en un segundo, provocaremos un golpeteo o vibración como respuesta en el imán. El imán está adherido al diafragma y le transmite esta vibración quien a su vez la transmite al cono con el propósito de que esta perturbación mueva más aire. El aire que tiene enfrente.
Si no hay aire u otro medio que contagiar de movimiento, no hay sonido…
Lo que me lleva un tema lateral…
¿Hay sonido en el espacio?
quizás ya hayas escuchado que en el espacio hay vacío… en realidad no es un vacío tan absolutamente perfecto pero las moléculas de gas y el polvo cósmico están muy alejados y para fines prácticos no forman un medio continuo y no propagan el sonido… con lo cual los disparos láser de star wars y las explosiones… sí… son fantasía…
El sonido y el medio
Regresando al sonido… el medio a través del cual se puede transmitir no sólo es el aire… en mis tiempos… era un experimento usual la construcción de un “teléfono” que se con un hilito tensado entre dos vasos desechables. Ese hilo funcionaba como el medio a través del cual la vibración entre las moléculas se iba “contagiando”… y esto quiere decir que mientras tengamos moléculas lo suficientemente cerca unas de otras, pueden transmitir vibraciones… esto puede ser en el aire, en agua, en otros fluidos o en sólidos.
Ahora, volviendo a la bocina, cuando se mueve el cono hacia adelante, impacta las moléculas de aire que tiene enfrente, empujándolas contra sus vecinas y provocando una “hoja comprimida” de moléculas que se mueven hacia adelante a la velocidad del sonido… cuando la bocina se mueve hacia atrás provoca una región de gas enrarecido justo detrás de la hoja de aire comprimido…
La bocina vibrará varias veces en un segundo repitiendo este ciclo… y estas vibraciones que se transmiten en un medio es lo que llamamos sonido… es como si fueran conchas concéntricas de presión en el aire y gas enrarecido que se expanden a partir de la fuente.
Este aumento de presión en el aire y el gas enrarecido se representan gráficamente como una onda…
Y las veces que se repite este ciclo en un segundo es lo que llamamos frecuencia… distintas notas musicales tienen distinta frecuencia… y volveré a esto un poco más adelante.
¿Qué opciones tenemos si queremos silenciar el sonido?
La primera ya la mencioné… es el hecho de que no hubiera moléculas de aire o un medio. En el otro extremo, tenemos la posibilidad de tener materiales muy densos, es decir…donde las moléculas están muy, muy cerca unas de otras… y ya dije que habia un experimento que hacíamos de niños transmitiendo el sonido con un hilo… pero imagina que delante de la bocina ponemos una enorme y pesada placa de acero, este es un material muuuy duro… de manera que cuando esta “concha” de aire presurizado y aire enrarecido choca contra este material, hay un choque “elástico” y el sonido rebota hacia la bocina…. ¿sabes en qué lugar de tu casa puedes comprobar esto? ¡en el baño de tu casa! el azulejo es muy duro y masivo comparado contra las moléculas de aire de manera que la mayor parte de la energía se regresa… y por eso cuando hablamos en el baño, escuchamos nuestro propio eco.
Claro que aún si pusiéramos un bloque grande de acero frente a la bocina, parte de la energía le atravesaría y las vibraciones aunque amortiguadas se replicarían detrás del acero también
Imagina ahora en lugar de un bloque de acero frente a la bocina, una cobija o un plástico porosito tipo foamy… cuando el aire presurizado choca con la superficie, la superficie se deforma y esto disipa energía en forma de fricción y un ligero movimiento en el material, esto permite que la vibración que se contagia sea menos intensa que el sonido inicial… por eso es que las cabinas de audio profesional tienen este tipo de material en las paredes.
Quizás tú has implementado “estrategias para cancelar el ruido” cuando no quieres escuchar algo y te tapas los oídos. De hecho hay tapones de oídos industriales que se usan para reducir varios decibeles el ruido, estas son en efecto maneras de “amortiguar el sonido”. Aunque seguro que esta no es la solución que esperabas cuando dije que hablaríamos de cancelación de ruido… así que prosigamos con otras posibilidades.
Ahora, es muy probable que alguna vez en la vida hayas visto representaciones en forma de onda del sonido…
Esto que te muestro en pantalla es cómo se representa en el osciloscopio esta nota “La” a 220 hertz… eso significa que esta onda completa aparece 220 veces en un segundo… ¿cómo se emite ese sonido? pues se emite cuando una cuerda vibra 220 veces en un segundo o regresando al tema de la bocina, cuando el cono vibra 220 veces en un segundo.
Y este otro también es “La” pero en la siguiente octava hacia arriba y su frecuencia es de 440 Hertz… o sea que la onda aparece el doble de veces que la anterior.
Esto que te estoy mostrando es un monocordio de Pitágoras… es un instrumento de una sola cuerda que permite modificar la distancia que se permite que la cuerda vibre… lo que Pitágoras encontró jugando con algo parecido a esto es que así como te acabo de mostrar que las ondas a 220 y 440 hertz, que son la misma nota La pero a una octava de diferencia. Si haces sonar una nota en el monocromio y luego seccionas la longitud a la mitad, obtienes también la misma nota, pero con una octava de distancia.
¿Y esto qué quiere decir?
Quiere decir que las ondas sonoras y la frecuencia del sonido y el tamaño físico de estas conchas de mayor presión en el aire y luego de gas enrarecido están todas relacionadas.
Ahora lo que quiero mostrarte es que si colocamos dos ondas idénticas, de 220 hz… las señales se suman… y eso se refleja en que el volumen del sonido aumenta…
Lo interesante es que si movemos las ondas de manera que en lugar de que coincidan las posiciones de la onda, estén completamente desfasadas…el sonido se cancela.
Está muy padre ver esto en una pantalla pero ¿cómo se logra esto físicamente?
Como Pitágoras demostró, hay distancias físicas que relacionan el tamaño de onda y la frecuencia de manera que si pones dos bocinas tocando exactamente la misma nota “La” y luego físicamente mueves una bocina hacia adelante encontrarás eventualmente dos posiciones interesantes: una donde las ondas se suman y el volumen es mayor y otra donde el sonido comienza a cancelarse…
¿Entonces la solución para eliminar un sonido es emitir un sonido idéntico en una posición específica?
Pues… podría ser una manera, pero no es nada práctica…
Otra manera de obtener el mismo efecto es… de nuevo con el ejemplo de dos bocinas, si pudieras invertir la polaridad de una de ellas, eso cambiaría la posición de las ondas porque cuando cambiamos la polaridad estamos cambiando el signo del solenoide y con eso invertimos las posiciones del imán y por lo tanto de la onda emitida.
Para hacer todavía más difícil el asunto… quiero mostrarte esto:
Este es otro osciloscopio, un osciloscopio virtual y notarán que reacciona a mi voz pero a diferencia de las notas musicales, aquí la señal se ve toda por ningún lado.
Estas ondas que viste podríamos decir que son combinaciones de notas distintas… en estas dos imágenes te muestro combinaciones de frecuencias distintas y espero que notes algunos parecidos entre esto y lo que viste con mi voz.
El mérito de la solución ingenieril a este problema es del Dr. Amar Bose, profesor del MIT quien en 1978 atormentado por el ruido de motor de un avión decidió dedicar años y miles de dólares para llegar a una solución. De hecho la marca de los audífonos de cancelación activa de ruido se llama “Bose” precisamente por su apellido.
Así que finalmente respondiendo la pregunta del video: lo que hacen los audífonos que cancelan el sonido de manera activa es tener micrófonos para captar el sonido y este sonido luego es reproducido en dirección a nuestros oídos con un desfase en las ondas para que se cancelen mutuamente. A esto se le llama “interferencia destructiva”. Volviendo a estas “conchas” de presión y gas enrarecido es como si llenáramos las zonas de gas enrarecido con otra onda de presión y las ondas de presión se acoplaran con gas enrarecido neutralizándose mutuamente.
Con toda esta explicación espero que sea lógica la razón por la cual son más eficientes con sonidos predecibles y repetitivos como el propio ruido de un motor de un avión.
Addendum
Quiero agregar un par de cosas a este video… la primera es que el tema de las posiciones de las bocinas al emitir sonido es parte del trabajo de los “ingenieros de sonido” que colocan estos enormes arreglos en los lugares donde hay conciertos masivos. En este tipo de lugares hay bocinas cerca de los artistas y quizás a algunos cientos de metros más bocinas y así sucesivamente. Si todas las bocinas emitieran el mismo sonido exactamente al mismo tiempo… el defecto más frecuentemente encontrado, sería que el sonido de la bocina más cercana al artista llegaría al auditorio ubicado quizás a 500 metros de esa posición con un retraso y escucharían la música como si tuviera un ligero eco… también podría suceder que al menos parcialmente parte de las ondas se cancelen mutuamente…
Ya para concluir la segunda cosa que te quiero comentar, es que para los que tenga mucha curiosidad sobre cómo se calcula el cambio de la velocidad de sonido en distintos materiales y temperaturas, tengo una videoclase con algunos cálculos del tipo al final aquí.
Referencias
Constructive and Destructive Interference (n.d.). Retrieved from https://www.phys.uconn.edu/~gibson/Notes/Section5_2/Sec5_2.htm
Brian Lee | Feb 8, 2. (2010, February 08). How Things Work: Noise-canceling headphones. Retrieved from https://thetartan.org/2010/2/8/scitech/noisecanceling
Math in Music – Exploring the connections. (n.d.). Retrieved from https://www.simplifyingtheory.com/math-in-music/
Monochord of Pythagoras. (n.d.). Retrieved from https://luthieros.com/product/monochord-of-pythagoras/
Note To Frequency Chart. (2018, March 25). Retrieved from https://www.doctormix.com/blog/note-to-frequency-chart
Tungul, J. (2020, December 20). How noise-cancelling headphones work. Retrieved from https://www.businessinsider.com/how-noise-cancelling-headphones-work-sound-soundwaves-2019-8?r=MX&IR=T
Zhang, J., Xia, R., Fu, Z., Li, J., & Yan, Y. (2012). A fast two-microphone noise reduction algorithm based on power level ratio for mobile phone. 2012 8th International Symposium on Chinese Spoken Language Processing. doi:10.1109/iscslp.2012.6423512
Imágenes con licencia CC utilizadas
By SUHAS V P – Own work, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=49881542
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Un comentario sobre “¿Cómo funcionan los audífonos que cancelan el ruido?”