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Abril de 2010 1 Proyecto Materia Electiva “Fundamentos de Acústica y Electroacústica” (6 to año) Carrera: Ingeniería Electrónica Según Reglamento de Materias Electivas Científico-Técnico Departamento de Ingeniería Electrónica Universidad Tecnológica Nacional (UTN) – Facultad Regional Córdoba (FRC) Objetivos Ingerencia del tema La Acústica es la ciencia que estudia la producción, transmisión y recepción del sonido. Actualmente es una ciencia en pleno crecimiento a nivel nacional e internacional. La Electroacústica es el área dedicada al estudio, análisis y diseño de transductores, procesadores de audio y sistemas de sonido utilizados en diversos sistemas de comunicaciones. Su estudio abarca conceptos físicos, eléctricos, mecánicos, acústicos y electrónicos. La asignatura esta organizada en dos partes. En la primera, se desarrollan conceptos básicos sobre física acústica, fisiología de la audición, percepción y acústica de recintos. En la segunda parte, se estudia en profundidad los componentes que intervienen en los sistemas electroacústicos, tales como micrófonos, amplificadores, fuente sonoras, entre otros, poniendo énfasis en el diseño e implementación electrónica. Se dan pautas para diseñar y calibrar sistemas electroacústicos para diferentes finalidades en entornos cerrados o abiertos. Finalmente, se introducen métodos y técnicas de medición en acústica, específicas al tema de la materia. Impacto en la formación del alumno El cursado de esta asignatura le permitirá al alumno adquirir nuevos conocimientos sobre Acústica e integrar aquellos que ya fueron vistos durante la carrera en varias materias afines. Estos conocimientos le permitirán por un lado, iniciarse profesionalmente como ingeniero electrónico con orientación en acústica y por el otro, podrá continuar sus estudios de posgrado en esta disciplina en diferentes universidades del país e insertarse en el Sistema de Ciencia y Técnica, realizando investigación y desarrollo tecnológico. Además de los tópicos específicos de la electroacústica, se abordan otros que están directamente relacionados con el oyente. No se puede ignorar que este es el último componente de un sistema electroacústico. A partir de este convencimiento se introduce al alumno en la fisiología, la percepción auditiva y la salud auditiva. Esta última es crucial, ya que se ha detectado en profesionales dedicados a esta actividad, pérdidas auditivas severas e irreversibles. Análisis de la oportunidad A nivel internacional la acústica es una ciencia en pleno crecimiento no solo en temas referidos a la ingeniería laboral, ambiental, control de ruido y vibraciones y acústica arquitectónica sino también en aquellos relacionados con la electroacústica, realidad acústica virtual, psicoacústica, bioacústica, ultrasonido, etc. En nuestro país actualmente existe una importante demanda de profesionales especializados en acústica para desempeñarse en diferentes áreas de la industria automotriz, metalmecánica, construcción, higiene y seguridad en el trabajo, medioambiente, audio y consultoras profesionales, etc., motivo por el cual universidades nacionales y privadas han agregado a su oferta academia carreras de grado como ingeniería de sonido (UNTREF) u de posgrado como especializaciones y maestrías en acústica (UTN.FRM). Con respecto a la electroacústica, actualmente existe en nuestro país Abril de 2010 2 una importante oferta académica a nivel universitario (UBA, UNTreF, UNR) y terciario (La METRO, TecSON, etc.). Correlatividades obligatorias y aconsejables Aprobadas: Electrónica Aplicada I (nº 19), Medidas Electrónicas I (nº 23), Teoría de Circuitos II (nº 24). Cursadas: Electrónica Aplicada II (nº 27), Técnicas Digitales III (nº 29), Medidas Electrónicas II (nº 30), Electrónica de Potencia (nº 34). Área del conocimiento: Comunicaciones, Acústica Programa Analítico Contenidos Resumidos PARTE I: Fundamentos de Acústica Unidad 1: La Ciencia Acústica Unidad 2: Física Acústica Unidad 3: Audición y Percepción del sonido Unidad 4: Acústica de Recintos PARTE II: Sistemas Electroacústicos Unidad 5: Electroacústica Unidad 6: Micrófonos Unidad 7: Fuentes Sonoras Artificiales y Naturales Unidad 8: Procesadores de Audio Unidad 9: Sistemas de Sonido para Espacios Cerrados y Abiertos Unidad 10: Métodos y Técnicas de Medición en Acústica Contenidos Desarrollados PARTE I: Fundamentos de Acústica Unidad 1: La Ciencia Acústica 1.1 ¿Qué es la acústica? Áreas de la acústica. 1.2 La interdisciplina. Definición y ejemplos. 1.3 Algunos hitos en la historia de la acústica. 1.4 La acústica como ciencia inherentemente interdisciplinaria. Rueda de Lindsay. BB: 1, 2, 21. PC: 1 ASC: 1, 2, 3. Unidad 2: Física Acústica 2.1 ¿Qué es el sonido?. Aspectos conmensurables del sonido: presión estática; presión sonora instantánea; presión sonora eficaz; velocidad de propagación en diferentes Abril de 2010 3 medios; velocidad instantánea de las partículas; impedancia acústica; impedancia característica; intensidad sonora; potencia sonora. 2.2 Concepto de onda. Tipos de onda. Parámetros de una onda. Amplitud. Periodo. Frecuencia. Longitud de onda. Envolvente. Ecuación de onda acústica. Ecuación de Helmholtz. Onda plana, cilíndrica y esférica. Frente de onda. Campos sonoros: campo cercano, lejano, directo y reverberante. 2.3 Factores que afectan la propagación del sonido. Dependencia de la temperatura, la humedad y el viento. Ley inversa de los cuadrados de la distancia. Efecto del terreno. 2.4 Aplicación del teorema de Fourier a señales acústicas. Definición de la transformada de Fourier. Concepto de la transformada rápida de Fourier (FFT). Ejemplo de análisis espectrales de señales acústicas: espectros armónicos, inarmónicos y continuos. 2.5 Clasificación de las señales acústicas en el dominio del tiempo y la frecuencia. Señales estacionarias. Señales determinísticas y aleatorias. Señales periódicas y cuasi- periódicas. Señales no estacionarias. Señales continuas y transitorias. 2.6 Fuente sonora. Características. Potencia de una fuente sonora. Directividad de una fuente sonora. 2.7 El decibel. Nivel de presión sonora. Nivel de intensidad sonora. Nivel de potencia sonora o potencia acústica. Nivel sonoro continúo equivalente. Suma y resta de niveles sonoros. BB: 1, 2, 7, 6, 8, 9, 12, 15, 19, 13, 22. BA: 1, 6 ASC: 1, 2, 3 Unidad 3: Audición y Percepción del sonido 3.1 Introducción. Anatomía descriptiva del oído. El oído externo. El oído medio. El oído interno. La cóclea, el órgano de Córti, el nervio auditivo y la corteza cerebral. 3.2 Física y fisiología de la audición. Sonidos audibles, infrasonidos y ultrasonidos. 3.3 La voz y el sistema de fonación humano. Características del mensaje oral. Directividad y espectro de la voz humana. Inteligibilidad de la palabra. 3.4 Percepción del sonido en función de la intensidad sonora o sonoridad. Mínimas diferencias perceptibles. Umbral de audibilidad. Percepción del sonido en función de la frecuencia. Altura tonal. Relación entre la altura y frecuencia. Curvas isofónicas de Fletcher & Munson. El Fon. Nivel de sonoridad. El Son. El Mel. Timbre. Bandas críticas. 3.5 Aspectos perceptuales de la audición binaural: localización de fuentes sonoras; Diferencias perceptuales entre reverberación y eco. Sensaciones de direccionalidad y espacialidad. 3.6 Otros fenómenos perceptuales complejos: efecto Doppler; efecto de precedencia (Hass) y efecto de enmascaramiento (enmascaramiento por tonos y por bandas de ruido). 3.7 Patologías básicas del sistema auditivo. Efectos clínicos auditivos y no auditivos. Efectos no clínicos. Efectos del ruido sobre el hombre. BB: 2, 5, 6, 8, 15, 10, 18, 17, 22 BA: 1, 10 ASC: 1, 2, 3 Unidad 4: Acústica de Recintos 4.1 Introducción a laacústica de recintos. Propagación del sonido en recintos cerrados. 4.2Teoría estadística. Reverberación. Tiempo de reverberación. Cálculo del tiempo de reverberación utilizando la ecuación de Sabine y de Norris-Eyring. Libre camino medio. Régimen de decrecimiento. Abril de 2010 4 4.3 Teoría geométrica. Reflexión especular y difusa. Reflexiones tempranas y tardías. Ecos. Eco flotante. Ecograma o reflectograma. 4.4Teoría ondulatoria. Modos normales de resonancia. Modos axiales, tangenciales y oblicuos. Cálculos de modos de resonancia en recintos rectangulares. Ecuación de Rayleigh. Criterios de distribución de modos de resonancia. 4.5 Relación entre los parámetros acústicos objetivos de una sala y su correlación con la calidad. Valoración de la reverberación. Cálculo de la inteligibilidad de la palabra. Tiempos de reverberación óptimos. Criterios de ruido de fondo. Curvas NC (Noise Criteria). 4.6 Aislamiento, absorción y difusión sonora. Ley de masas. Características físicas de materiales aislantes y absorbentes sonoros. Elementos acústicos: absorbedores, reflectores, resonadores y difusores sonoros. 4.7 Diseño acústico de recintos. Criterios generales de diseño para: auditorios, salas de concierto, estudios de grabación musical, salas de usos múltiples, salas de reproducción cinematográfica, oficinas y recintos industriales. 4.8 Auralización. Aplicación en el diseño acústico de recintos. Método por convolución de señales. Método por redes digitales de reverberación. BB: 7, 14, 11, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 15, 22 BA: 6, 7, 4, 3, 2 ASC: 2 PC: 6, 7 PARTE II: Sistemas Electroacústicos Unidad 5: Electroacústica 5.1 Introducción a la electroacústica. Características de señales y sistemas acústicos. Rango o margen dinámico. Nivel medio. Factor de cresta. Banda de frecuencias y espectros. Nivel espectral. 5.2 Ruidos e interferencias. Ruido blanco. Ruido rosa. Distorsión: lineal, no lineal y transitoria. Tolerancia para las distorsiones. Distorsión armónica total (THD). Distorsión por intermodulación (IMD). 5.3 Transductores: micrófonos y altavoces. Método de analogías electromecánicas. Sistemas mecánicos. Sistemas acústicos. BB: 5, 2, 3, 18, 19, 6, 22 Unidad 6: Micrófonos 6.1 Introducción. Sensibilidad estándar, respeto al campo acústico libre y al difuso. Impedancia. Respuesta en frecuencia. Descriptores de la directividad: diagrama de directividad, índice de directividad (DI). Nivel de ruidos de fondo. Distorsión. 6.2 Clasificación según principio de transformación electromecánica: Electrodinámicos: de bobina móvil y de cinta; Electroestáticos: de condensador y de electreto; Electromagnéticos: unilaterales y diferenciales; De cristal: piezoeléctricos; De tipo relé: de Carbón y a Transistores. 6.3 Características acústicas de los micrófonos: Receptor de presión. Receptor de gradiente de presión (simétrico y asimétrico). Receptor combinado o mixto. Receptores agrupados: lineales y tubulares. BB: 5, 4, 2, 1, 6, 10, 22 ASC: 2 Abril de 2010 5 Unidad 7: Fuentes Sonoras Artificiales y Naturales 7.1 Altavoces y Cajas Acústicas 7.1.1 Introducción. Impedancia de radiación. Clasificación según su respuesta en frecuencia. 7.1.2 Altavoces dinámicos de bobina móvil (radiación directa). Elementos constructivos. Circuito equivalente. Parámetros físicos del altavoz. Parámetros Thiele-Small. Rendimiento de potencia disponible de referencia. Presión sonora producida a la distancia r. Centro operativo de trabajo. Rendimiento de máxima potencia disponible (PAE). Sensibilidad. Impedancia de entrada. Frecuencia de resonancia. Comportamiento del diafragma. Unidad motriz de cono dividido y múltiple. Características direccionales. Respuesta transitoria. 7.1.3 Altavoces de radiación de bocina o excitadores de compresión. Elementos constructivos. Circuito equivalente. Rendimiento de potencia disponible de referencia. Respuesta en frecuencia. Frecuencia de resonancia. Guías de Onda (Bocinas). Descripción general. Bocinas exponenciales, cónicas, parabólicas e hiperbólicas. Codos en las bocinas. Materiales. 7.1.4 Altavoces planos. Altavoces electroestáticos de condensador y de electreto. Altavoz DML (Distributed Mode Loudspeaker). Altavoz de Cinta. Construcción. Funcionamiento. Respuesta en frecuencia. Aplicación. 7.1.5 Altavoz piezoeléctrico y neumático: Elementos constructivos. Funcionamiento. Respuesta en frecuencia. Aplicación. 7.1.6 Evolución histórica de las cajas acústicas. Sistema altavoz-recinto. Características generales del altoparlante sin y con sonodeflector. Clasificación: caja infinita, caja abierta caja cerrada, caja de radiador pasivo, sistema de paso banda, línea de transmisión acústica. Radiador simple y doble. Materiales utilizados. Absorción interna. Caja con bocina exponencial. Bocinas plegadas. 7.1.7 Cajas acústicas activas y pasivas. Filtro divisor de frecuencia pasivo y activo de 2,3 y 4 vías (crossover). Aplicación de DSP en cajas acústicas activas. 7.2 Auriculares 7.2.1 Auriculares. Definición. Sensibilidad. Eficiencia. Impedancia de entrada. Distorsión armónica. 7.2.2 Clasificación: electromagnéticos, electrodinámicos y electroestáticos. Auriculares normalizados para uso audiométrico. Auriculares de inserción. 7.3 Instrumentos Musicales 7.3.1 Instrumentos musicales acústicos. Instrumentos de cuerda. Instrumentos de viento. Instrumento de percusión. 7.3.2 Instrumentos musicales electrónicos. Osciladores. Moduladores. Control de envolventes. Sintetizadores. Controladores. Interconexión MIDI (Musical Instruments Digital Interface) BB: 5, 4, 2, 1, 6, 3, 10, 18, 19, 22 BA: 9, 8, 11 Unidad 8: Procesadores de Audio 8.1 Pre-amplificadores analógicos y digitales. Consola de mezcla analógica y digital. Funciones especificas. Diagrama de bloques. Conexiones de inserción, envíos, retornos. Abril de 2010 6 Conexión auxiliar (aux-send, aux-return). Equalizadores. Subgrupos. Fuente fantasma. Margen de sobre carga (headroom). 8.2 Procesadores dinámicos. Amplificadores de potencia. Clases utilizadas en audio. Ecualizadores gráficos, semi-paramétricos y paramétricos. Compresores y limitadores. Compuertas (Gate) y expansores. Procesadores dinámicos digitales basados en DSP. 8.3 Procesadores de efectos. Efectos en serie y paralelo. Retardos. Ecos. Reverberadores. Coro (Chorus). Flanger. Wah-wah. Phaser. Distorsionador. Resaltador (Enhacers). Transpositor de altura. 8.4 Formatos de grabación de audio analógico y digital. Cinta magnética. Discos analógicos. Discos compactos (Compact Disc). Otros formatos de discos compactos: HDCD, SACD, DVD-audio, Mini Disc. Cintas digitales: DAT, ADAT, DCC. 8.5 Grabación monofónica, estereofónica y multicanal. Sistemas Dolby. Sistemas DTS. BB: 5, 4, 2, 1, 6, 10, 20, 22 PC: 4 Unidad 9: Sistemas de Sonido para Espacios Cerrados y Abiertos 9.1 Sonorización. Refuerzo sonoro y megafonía. Características principales de sistemas de sonorización: Niveles máximo y mínimo del campo acústico. Inteligibilidad del mensaje sonoro. Criterio de la relación señal/ruido y de la fidelidad espectral de la reproducción de la fuente. Distancia acústica equivalente (EAD). Ganancia Acústica (AG). Potencia eléctrica necesaria. 9.2 Sistemas de refuerzo sonoro. Irregularidad de sonorización y de característica de frecuencia. Ruidos acústicos. Localización de la fuente sonora (coherencia audio vs. imagen). Métodos de recubrimiento: centralizado (concentrado), descentralizado (zonal) y distribuido. Alineación temporal y ecualización del sistema de sonido. Influencia de los factores climatológicos y condiciones atmosféricas en espacios abiertos. Influencia de la reverberación y eco en espacios cerrados. Control del campo sonoro utilizando técnicas electroacústicas. 9.3 Sistemas de refuerzo sonoro de alta fidelidad. Sistemas de altavoces de 2,3 y 4 vías. Sistemas de bocinas múltiples. Arreglos lineales de altavoces (line arrays). Interacción acústica entre sistemas. Efecto filtro peine (comb filter effect). Calibración de sistemas de múltiples vías. 9.4 Distribución de sonido en megafonía: distribución en baja impedancia, distribución en alta impedancia. BB: 4, 3, 5, 2, 1, 6, 10, 20, 22 BA: 6, 11 Unidad 10: Métodos y Técnicas de Medición en Acústica 10.1 Introducción a las mediciones acústicas. Mediciones de laboratorio y de campo. 10.2 Instrumentos utilizados en mediciones acústicas. Medidor de nivel de presión sonora. Calibrador acústico de referencia. Dosímetro. Analizador de espectro. Medidor de nivel de intensidad sonora (analizador de espectro de doble canal + zonda de intensidad). Medidor de Vibraciones. Acelerómetros. Oído artificial. Mastoide artificial. Cámara anecóica, semianecóica y reverberante. Estación meteorológica (termómetro, higrómetro, barómetro y anemómetro). Generador de funciones. Generador de ruido. Osciloscopio. 10.3 Medición del nivel de presión sonora (SPL). Filtros de ponderación A, B, C, y D. Medición de nivel sonoro continuo equivalente (Leq), Percentiles. Medición del nivel de intensidad sonora (IL). Medición de parámetros acústicos de salas según norma ISO 3382. Medición Abril de 2010 7 del aislamiento sonoro según norma ISO 140. Medición de la absorción sonora según norma ISO 354. Medición de parámetros de altavoces. Medición de parámetros Thiele- Small. BB: 5, 4, 3, 1, 2, 6, 8, 10, 12, 13, 14, 16, 22 BA: 5 PC: 2, 3, 5 Bibliografía Básica (BB) 1. Beranek, L. L., “Acústica”. MIT, USA, Edición en castellano Editorial Panamericana. 1961 2. Miyara F., “Acústica y Sistemas de Sonido”. Editorial UNR, Rosario. Argentina, 1999 3. Davis, Don & Caroline, “Ingeniería de Sistemas de Sonido”, editorial Marcombo, 1983 4. Ortega B., Romero M., “Electroacústica”, Pearson Education, Madrid, España 2003 5. M.A. Saposhkov, “Electroacústica”. Editorial Reverté. 1983. Moscú. 6. Olson Harry F, “Acoustical Engineering”. Van Nostrand Company, 1957. 7. Carrión Isbert, A., “Diseño Acústico de Espacios Arquitectónicos”, UPC, España, 2001 8. Everest F. A. “The Master Handbook Of Acoustics”, (4th Ed), McGraw-Hill, USA, 2001 9. Harris C. M., “Noise and Vibration Control Engineering”, McGraw-Hill, 3st Edition, USA. 1999 10. Olson Harry F. “Modern Sound Reproduction”. Van Nostrand Company,1972 11. Recuerdo López & C. G. González “Acústica Arquitectónica”, UPC España, 1997 12. Randall, R.B “Frequency Analisis”. Brüel & Kjaer. Tercera edición. Dinamarca. 1987 13. Brüel & Kjaer,“Ruido Ambiental”. Denmark. 2000 14. Kuttruf H., “Room Acoustics”, 1st Edition, Germany, 1973 15. Kinsler y Frey., “Fundamental of Acoustics”. John Wiley & Sons, Inc. 1962. 16. Brüel & Kjaer, “Measuring Sound”. Denmark. 1984 17. Philips. Inc. 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Ferreyra, S; Esquinas P; Orecchia, I., “Diseño y construcción de un amplificador de audio potencia de medición clase D con SMPS”. Asociación de Acústicos Argentinos (AdAA). Primeras Jornadas Regionales de Acústica - AdAA 2009. ISBN 978-987-22880-8-2. Editores: Rodríguez, Miyara, Acoolti, Cabanellas, Yanitelli, Pasch, Miechi. Editorial: Asociación de profesores de la FCEeI de la UNR. 19 y 20 de Noviembre de 2009, Rosario, Santa Fe, Argentina. 5. Ferreyra, S; Esquinas P; Orecchia I, Elías, M., “Diseño y construcción de una cadena de instrumentación electroacústica para la medición de la respuesta al impulso de recintos según norma ISO 3382”. Mecánica Computacional Volumen XXVIII, pp. 63-72.Editores: Cristian D. García Bauza, Pablo A. Lotito, Lisandro A. Parente, Marcelo J. Vénere. Asociación Argentina de Mecánica Computacional (AMCA). Acta del XXVIII Congreso sobre Métodos Numéricos y sus aplicaciones (ENIEF 2009). Editorial: AMCA (ISSN: 1666-6070). Ciudad de Tandil, Argentina. 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