Bones y el Control Activo de Ruido

Ayer cené en casa con Leonard y otros amigos, y para ambientar un poco la situación como en muchos otros hogares, teníamos la tele puesta de fondo. Estaban emitiendo la serie Bones (capítulo Ciencia y física) que es posible que muchos de vosotros sigáis. No creo que lo que voy a contar desvele mucho de la trama, ya que no le presté demasiada atención hasta una parte que despertó mi interés. Sin embargo, por precaución levanto la bandera de aviso de Spoiler.

bones

Ciencia y física en Bones

En esa parte del capítulo la doctora Brennan (Huesos) y el agente Booth se encuentran atrapados en una cámara aislada. Dado que no le presté mucha atención hasta este momento no tengo nada claro qué hacían en aquella cámara ni para qué servía. Según me han contado posteriormente era una cámara en la que deshacían materiales mediante el uso de ondas sonoras. Lo importante, en cualquier caso, es que una vez encerrados comienza a sonar un ruido (sí, lo sé, también depende de cómo definamos ruido, pero eso es una historia aparte) muy molesto que la doctora Brennan intenta contrarrestar a su vez, emitiendo otro sonido (gritando, vaya). Esto, según para quién, puede parecer una medida un poco absurda pero, si bien es cierto que esta técnica existe y es conocida como Control Activo de Ruido (CAR), vamos a ver por qué no es posible utilizarla tal y como nos la presentan.

El sonido, como muchos recordareis, es una onda mecánica. Como todas las ondas tiene una amplitud máxima (o elongación) y una longitud de onda  que dan como resultado un conjunto de crestas y valles determinado.

Crestas y valles

Parámetros de una onda

Otro parámetro muy importante de las ondas es su fase, que es una medida del ángulo de la onda con relación a su propagación (aunque no es ese exactamente su significado). Este valor, por sí solo, no nos dice mucho. Sin embargo, su relación con la fase de otras ondas es lo que lo hace realmente importante. Veamos…

Cuando dos ondas se propagan por el mismo medio y coinciden en los mismos puntos del espacio se produce un fenómeno conocido como interferencia. La superposición de ondas da como resultado una zona con características muy concretas, resultantes de dicha superposición, pero finalmente cada onda prosigue transportando su energía, sin modificarse la una a la otra. Sólo se aprecian sus efectos en la zona de superposición.

Estas interferencias pueden ser constructivas o destructivas en función de su diferencia de fase.  Para ondas de la misma frecuencia, si la diferencia de fase de las ondas es nula entonces decimos que las ondas están en fase y se produce una interferencia constructiva. Las amplitudes se suman y la onda resultante será más energética que cada una de las dos componentes.

fase ondas2

Interferencias de ondas

Si la diferencia de fase es máxima (180º) entonces se produce una interferencia destructiva. De esta forma las amplitudes se restan y la onda resultante será menos energética que las dos componentes (o al menos menor que la máxima).

Para diferencias de fase intermedias la onda resultante será la suma o resta de las ondas en cada punto, dando un resultado intermedio.

fase ondas3

Interferencias de ondas

Bien, pues la técnica de Control Activo de Ruido (CAR) utiliza este fenómeno de interferencias para “eliminar” sonidos (ondas en general). Si tenemos un sonido de frecuencia 100 Hz y queremos eliminarlo, tan sólo deberemos generar una onda, igualmente de 100 Hz pero desfasada 180º con respecto a la anterior. Se denomina control activo porque debemos analizar el sonido existente y generar otro en función de ese. Los controles pasivos de ruido se basan en materiales absorbentes cuya eficacia variará en función de la frecuencia. Esto a bajas frecuencias puede ser un gran problema, pero como vemos puede solucionarse con un control activo.

De momento hemos visto como funciona para una frecuencia en concreto, sin embargo, dado que los sonidos naturales están formados en general por un conjunto de frecuencias las cosas se complican un poco más, aunque básicamente el proceso es el mismo. Se debe analizar la señal original (que será un conjunto de ondas de distintas frecuencias) y generar otro conjunto idéntico pero, como ya sabemos, desfasado 180º en cada caso.

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Esquema de dispositivo de Control Activo de Ruido

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Análisis espectral una vez aplicado el Control Activo de Ruido

Volviendo a nuestro caso, y ya que estas técnicas han resultado muy efectivas en cuanto al control de ruidos, ¿por qué digo que la doctora Brennan no podría haber eliminado el ruido que los atormentaba en la cámara en la que estaban encerrados? Pues muy simple, porque aunque el oído humano es un gran analizador de espectro, es imposible calcular de forma natural las amplitudes, frecuencias y fases de los sonidos que recibimos (no todas ellas de forma aislada, por supuesto, recordad como los músicos reconocen las frecuencias exactas de cada nota, o como afinan de oído, por ejemplo). En último caso, si bien podría ser posible reconocer algunas frecuencias concretas, o incluso su amplitud, nos sería imposible calcular su fase, lo que imposibilitaría no sólo el análisis de la onda que recibimos, sino también la transmisión de la onda que debiera anularla.

Otra cosa muy importante es que el rango de frecuencias de la voz humana oscila entre 80 Hz y 10.000 Hz, aunque la mayor parte de nuestro espectro bucal se encuentra comprendido entre los 300 Hz y los 4.000 Hz. Esto significa que si el sonido que querían contrarrestar era de frecuencia superior a 10 KHz, cosa que es muy posible ya que aunque hablo de memoria lo recuerdo bastante agudo, los pobres Brennan o Booth no tendrían posibilidad de emitirlo.

Como curiosidad os diré también que uno de los records Guinness vocales lo tiene la brasileña Georgia Brown por poseer el registro vocal más amplio (nada más y nada menos que 8 octavas!) . ¡Sus tonos más altos se encuentran fuera del rango del oído humano!

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Altavoces con Control Activo de Ruido

Otra cosa que no puedo evitar mencionar es que es extraño que utilizasen ondas de frecuencia dentro del rango audible para romper materiales, ya que no tienen energía suficiente. Para ese tipo de aplicaciones se suelen utilizar ultrasonidos, que son ondas de alta frecuencia (mayor energía) fuera del rango audible por nosotros los humanos. Dado que los pobres incautos eran capaces de oír la señal (al igual que nosotros) eliminamos la posibilidad de que fueran ultrasonidos. También es cierto que podría tratarse de algún tipo de prueba nueva y desconocida ya que parecía tratarse de un laboratorio experimental.

Como ejemplos prácticos de esta tecnología podemos encontrar los cascos de los pilotos de cazas, que utilizan este método para eliminar la mayor parte del ruido del avión, auriculres para iPod, o incluso coches que ya se están comercializando, como el Toyota Crown Hybrid.

Actualización (16/10/2009):

Tras pensarlo un poco (mientras respondia uno de los comentarios más abajo) me he dado cuenta de algo que también dificultaría enormemente las posibilidades de Brennan para contrarrestar ese doloroso ruido. Y es que todos sabemos que no percibimos nuestra voz como realmente es. Cuando escuchamos alguna grabación de nuestra voz es común preguntarnos:  ¿es esa realmente mi voz? Esto es debido a que nuestra voz la recibimos tanto por vía aérea (a través de nuestros oídos, como cualquier sonido exterior) como por vía interna, transmitiéndose por huesos y demás hasta nuestro oído interno.

Por esta razón, aunque la doctora Brennan fuese capaz de analizar correctamente el sonido y emitir uno idéntico pero desfasado 180º, ocurriría que el sonido que ella emite no es exactamente como ella lo percibe, por lo que no sería igual al original y no serviría para cancelarlo. Como mucho tendrían que ayudarse mutuamente Brennan a Booth y viceversa para poder “afinar” y conseguir su  objetivo.

Además, hablándolo con Leonard me comentó que incluso si todo lo anterior pudiera obviarse existiría otro problema adicional. Y es que intentan contrarrestar el sonido los dos a la vez. Esto signfica que o bien la suma de la señal de Brennan y Booth es igual a la señal original, o bien, si cada uno emite por su cuenta una señal igual a la original… el resultado final sería de nuevo una señal igual a la original! aunque, eso sí, desfasada 180º. ¡El problema persistiría!

Para terminar, una última observación que no deja de ser, por lo menos, sobrecogedora. Es importante tener en cuenta que para poder cancelar dicha señal es necesario poseer la capacidad de crear dicha señal (aunque de fase contraria). Dicho de otro modo, si fuesen capaces de cancelar ese horrible ruido, Brennan y Booth podrían ser capaces de reproducirlo en cualquier momento y “licuar” (como dicen en la serie) el cerebro de cualquier persona.

5 Comments

  • Bones y el Control Activo de Ruido « Átomos y Bits dice:

    […] Bones y el Control Activo de Ruido « Átomos y Bitswww.atomosybits.com/2009/10/15/bones-y-el-control-activo-de-… por tedmosby34 hace pocos segundos […]

  • Molly dice:

    Cuando lo vi pensé exactamente lo mismo.
    Me pareció que tenía sentido, pero pensé “no puede ser que esta mujer, por más inteligente que sea, sea capaz de darse cuenta, no sólo de cómo es la onda, sino también calcular cómo realizar el desfasaje destructivo”.
    Además no entendí la razón de usar ondas sonoras cuando está más que demostrado que fuera del expectro audible es mucho más efectivo sin que implique un aporte de energía mucho mayor (por ejemplo ultrasonido para romper cálculos renales). Pero bueno, todos sabemos cómo son los laboratorios experimentales (?)

    Buen post y lindas trivias.

    Saludos con ruidito, Molly

  • Sheldon dice:

    Buenas de nuevo, nos alegra saber que sigues con nosotros. Pues sí, la verdad es que resultó una situación curiosa. Los dos pobres ahí “desgañitándose” para contrarrestar el ruido en una sinfonía de gritos.

    Una cosa interesante que se me acaba de ocurrir es que, además, como todos sabemos, no percibimos nuestra propia voz como suena realmente (basta con escuchar una grabación nuestra para darse cuenta). Por lo tanto, imaginando que la doctora Brennan pudiera reconocer la frecuencia, amplitud (de cada componente!) y su desfase… el sonido emitido por ella misma no sería el necesario para la cancelación ya que ella no percibe el sonido que ella misma emite como realmente es. Por lo tanto tendrían que ayudarse entre ellos, Brennan a Booth y Booth a Brennan para poder “entonar” y cancelar el ruido.

    Un saludo.

  • luis dice:

    Eso sin contar con la amplitud, para que dos ondas se anulen por suma, las dos deben tener la misma amplitud (volumen) o sea que la doctora debe emitir a capella con el mismo volumen (además de ajustar la fecuencia compuesta, la fase, etc, etc) que el trasductor de la sala. Muy buen pecho debe tener …

  • cioran dice:

    muy observadores, da gusto

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