Considere que tiene 50 Hz tanto de onda cuadrada, así como la onda sinusoidal poner en un mismo altavoz en diferentes momentos. ¿Qué señal es más audible y a qué se debe?
Sabemos que tomando la serie de Fourier de la onda cuadrada obtenemos múltiples ondas periódicas sinusoidales, cada una de las cuales tiene la frecuencia como múltiplo de la frecuencia fundamental. Entonces, ¿qué será más audible, una onda sinusoidal de frecuencia única o la onda cuadrada?
La onda cuadrada será más audible. 50 Hz es una frecuencia bastante baja y la mayoría de los altavoces no la reproducen muy bien. Dado que una onda sinusoidal sólo tendrá 50 Hz, es posible que no llegue tanto audio al oído humano, e incluso así el oído humano no responderá muy eficientemente a ella. Una onda cuadrada, en cambio, tendrá muchos armónicos que el altavoz reproducirá muy bien y las frecuencias armónicas se extenderán por toda la gama de frecuencias ideal para el oído humano (de 300 Hz a 3 kHz).
En el ejemplo concreto que has dado, la onda cuadrada es mucho más fuerte; sobre todo por razones fisiológicas.
1) En la misma carga, una onda cuadrada suministrará el doble de potencia que una onda sinusoidal de la misma tensión de pico. Esto equivale a decir que la onda cuadrada tiene una tensión eficaz igual a su valor de pico, mientras que una onda senoidal tiene un valor eficaz de 0,707 (en realidad, sqrt(2)/2) veces el valor de pico.
2) Y lo que es más importante, la sensibilidad del oído humano depende en gran medida de la frecuencia. El teléfono funciona entre 300 Hz y 3 kHz (más o menos). Ahí es donde está el contenido inteligible y es también donde el oído tiene una buena sensibilidad. El oído humano es muy insensible a 50 Hz. El mismo nivel de potencia a 500 Hz sería MUCHO más fuerte. Aunque la energía de la onda cuadrada en los armónicos (sólo los armónicos Impares; 3, 5, 7, 9..) no tiene más potencia que la fundamental, se percibirá como mucho más fuerte debido a la mayor sensibilidad del oído a las frecuencias más altas.
La norma internacional ISO-226 identifica el contorno de igual sonoridad aceptado para el oído humano en función de la frecuencia y del nivel absoluto de presión sonora. Los contornos de igual sonoridad suelen denominarse curvas "Fletcher-Munson", en honor a los primeros investigadores, pero estos estudios han sido sustituidos e incorporados a normas más recientes.
"Qué señal es más audible" es una respuesta más ambigua, pero las ondas sinusoidales son melodiosas por naturaleza, mientras que las cuadradas te taladrarán la membrana timpánica.
Sin embargo, si te interesan estos experimentos, te propongo una alternativa de código abierto " Audacity ". Instale este software y vaya a Generar menustrip -> Tono y elija la forma de onda de su elección introduciendo la amplitud y frecuencia deseadas.
Si se alimenta una carga resistiva con una onda cuadrada a una tensión determinada, se suministrará el doble de potencia que si se alimenta una carga resistiva con una onda sinusoidal de la misma tensión de pico. Un altavoz, sin embargo, no es una carga resistiva; la corriente necesaria para cambiar la posición de un altavoz rápidamente es mucho mayor que la necesaria para cambiar su posición lentamente. Para desplazar el aire con una onda cuadrada perfecta se necesitaría una cantidad infinita de potencia(*). En la práctica, intentar impulsar un altavoz con una onda cuadrada perfecta dará como resultado un movimiento del aire que no es una onda cuadrada perfecta. Aunque el comportamiento real observado variará en función del tipo de altavoz que se intente accionar, el accionamiento de un altavoz con una onda cuadrada de una determinada tensión de pico tardará un lote más potencia que conducirlo con una onda sinusoidal de la misma tensión y frecuencia y, en general, cuanto más se acerque el altavoz a una onda cuadrada perfecta, más potencia consumirá en el intento.
(*) Si el aire fuera un medio sin pérdidas, sería posible recuperar toda la energía que uno pusiera en el aire y que resonara de vuelta antes de que fuera eliminada por otra cosa; la energía que uno tendría que poner sería así igual a la energía que otras cosas sacaran. En la práctica, sin embargo, cuanto más nos acerquemos a una onda cuadrada, mayores serán las pérdidas. Mover el aire de forma instantánea requeriría moverlo con una fuerza infinita contra una distancia finita; un altavoz sería incapaz de recuperar gran parte de esa energía. De hecho, debido a la resistencia eléctrica del altavoz, parar el altavoz rápidamente probablemente requeriría empujar más energía hacia el altavoz, en lugar de recuperar pasivamente energía de él.
Si el objetivo es conseguir el máximo percibido con una tensión disponible dada, utilizar una onda cuadrada o diente de sierra sería una buena forma de conseguirlo. Si el objetivo es recibir la máxima sonoridad percibida para una determinada cantidad de potencia consumida, otras formas de onda pueden ser mejores (qué formas de onda son mejores depende de los diseños del altavoz y del circuito del excitador).
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