Sonido

El sonido es una sensación, en el órgano del oído, producida por el movimiento ondulatorio en un medio elástico (normalmente el aire), debido a cambios rápidos de presión, generados por el movimiento vibratorio de un cuerpo sonoro.

Naturaleza del sonido

El sonido es la sensación producida en el oído por la vibración de las partículas que se desplazan a través de un medio elástico (sólido, líquido o gaseoso) que las propaga.

Por ello, deben existir dos factores para que exista el sonido:

* Una fuente de vibración mecánica.

* Un medio elástico a través del cual se propague la perturbación.

Como hablamos de variaciones (perturbaciones, vibraciones, etc.), está claro que debe haber un valor estático, a partir del cual se producen estas variaciones. En el caso del aire, el valor estático nos lo da la presión atmosférica.

Desde un punto de vista físico, el sonido es ondas, por lo que comparte todas las propiedades características del movimiento ondulatorio, y puede ser descrito utilizando la terminología propia de la mecánica ondulatoria.

Modo de propagación

El sonido (las ondas sonoras) son ondas mecánicas elásticas longitudinales u ondas de compresión. Eso significa que:

Para propagarse precisan de un medio (aire, agua, cuerpo sólido) que trasmita la perturbación (viaja más rápido en los sólidos, luego en los líquidos, aun más lento en el aire, y en el vacío no se propaga). Es el propio medio el que produce y propicia la propagación de estas ondas con su compresión y expansión. Para que pueda comprimirse y expandirse es imprescindible que éste sea un medio elástico, ya que un cuerpo totalmente rígido no permite que las vibraciones se transmitan. Así pues, sin medio elástico no habría sonido, ya que las ondas sonoras no se propagan en el vacío

CARACTERÍSTICAS DEL SONIDO

Cualquier sonido sencillo, como una nota musical, puede describirse en su totalidad especificando tres características de su percepción: el tono, la intensidad y el timbre. Estas características corresponden exactamente a tres características físicas: la frecuencia, la amplitud y la composición armónica o forma de onda.

Intensidad (Depende de la amplitud): Distingue un sonido fuerte de uno débil.

Tono (Depende de la frecuencia): Distingue a un sonido agudo (tono alto) de un sonido grave (tono bajo).

Timbre (Depende de la forma de onda): Distingue dos sonidos de la misma intensidad y tono, pero producido por distintas fuentes.

INTENSIDAD O VOLÚMEN: La distancia a la que se puede oír un sonido depende de su intensidad, que es el flujo medio de energía por unidad de área perpendicular a la dirección de propagación. En el caso de ondas esféricas que se propagan desde una fuente puntual, la intensidad es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia, suponiendo que no se produzca ninguna pérdida de energía debido a la viscosidad, la conducción térmica u otros efectos de absorción. Por ejemplo, en un medio perfectamente homogéneo, un sonido será nueve veces más intenso a una distancia de 100 metros que a una distancia de 300 metros. En la propagación real del sonido en la atmósfera, los cambios de propiedades físicas del aire como la temperatura, presión o humedad producen la amortiguación y dispersión de las ondas sonoras, por lo que generalmente la ley del inverso del cuadrado no se puede aplicar a las medidas directas de la intensidad del sonido.

El decibelio es la principal unidad de medida utilizada para el nivel de potencia o nivel de intensidad del sonido. En esta aplicación la escala termina hacia los 140 dB, donde se llega al umbral de dolor

ALTURA O TONO: Cada sonido se caracteriza por su velocidad específica de vibración, que impresiona de manera peculiar al sentido auditivo. Esta propiedad recibe el nombre de tono.

Los sonidos de mayor o menor frecuencia se denominan respectivamente, agudos o graves; términos relativos, ya que entre los tonos diferentes un de ellos será siempre más agudo que el otro y a la inversa.

Introdujimos el concepto de propagación de las ondas mediante una única perturbación en un medio. En realidad, la mayoría de las ondas son el resultado de muchas perturbaciones sucesivas del medio, y no sólo una. Cuando dichas perturbaciones se producen a intervalos regulares y son todas de la misma forma, estamos en presencia de una onda periódica, y el número de perturbaciones por segundo se denomina frecuencia de la onda. Se expresa en Hertz (Hz), es decir ciclos por segundo (un ciclo es todo lo que sucede durante una perturbación completa). En el caso de las ondas sonoras la frecuencia está entre 20 Hz y 20 000 Hz. Las ondas acústicas de menos de 20 Hz se denominan infrasonidos, y los de más de 20 000 Hz se llaman ultrasonidos. Por lo general, ni unos ni otros son audibles por el ser humano. Algunos animales (por ejemplo el perro) pueden escuchar sonidos de muy baja frecuencia, tales como los creados por las ondas sísmicas durante un terremoto. Por esta razón los animales se muestran inquietos en los instantes previos a los terremotos: pueden escuchar la señal de advertencia que resulta inaudible para el ser humano. En forma similar, algunos animales escuchan ultrasonidos. El murciélago es un caso notable, ya que escucha sonidos de más de 100 000 Hz, que le permite orientarse por medio de señales acústicas según el principio del sonar (semejante al conocido radar).

Aún cuando muchos sonidos son aproximadamente periódicos, como los sonidos producidos por los instrumentos musicales de altura determinada (guitarra, flauta, piano), la vasta mayoría de los sonidos naturales son aperiódicos, es decir que las sucesivas perturbaciones no se producen a intervalos regulares y no mantienen constante su forma de onda. Esto es lo que técnicamente se denomina ruido. Las ondas aperiódicas en general no producen sensación de altura. Algunos ejemplos son el ruido urbano, las consonantes, el ruido del mar y el sonido de muchos instrumentos de percusión tales como los tambores o los platillos.

TIMBRE: Si se toca el situado sobre el do central en un violín, un piano y un diapasón, con la misma intensidad en los tres casos, los sonidos son idénticos en frecuencia y amplitud, pero muy diferentes en timbre. De las tres fuentes, el diapasón es el que produce el tono más sencillo, que en este caso está formado casi exclusivamente por vibraciones con frecuencias de 440 hz. Debido a las propiedades acústicas del oído y las propiedades de resonancia de su membrana vibrante, es dudoso que un tono puro llegue al mecanismo interno del oído sin sufrir cambios. La componente principal de la nota producida por el piano o el violín también tiene una frecuencia de 440 hz. Sin embargo, esas notas también contienen componentes con frecuencias que son múltiplos exactos de 440 hz, los llamados tonos secundarios, como 880, 1.320 o 1.760 hz. Las intensidades concretas de esas otras componentes, los llamados armónicos, determinan el timbre de la nota.

VELOCIDAD DEL SONIDO

Casi todos los sonidos que escuchamos se transmiten a través del aire. Pero el sonido se transmite con más intensidad y más aprisa en el metal que en el aire.

El sonido no se propaga en el vacío, siempre debe existir un medio. Éste se transmite con más velocidad en los líquidos que en los gases, y todavía más aprisa en los sólidos.

La velocidad del sonido en aire seco a 0°C es de aproximadamente 330 metros por segundo, o 1200 Km/h. Pero esta velocidad es ligeramente mayor cuando el aire contiene vapor de agua y aumenta también con la temperatura, pues las moléculas de aire caliente, que se mueven más aprisa, chocan unas con otras más a menudo y por tanto transmiten un impulso en menos tiempo. Por cada grado de incremento en la temperatura del aire arriba de 0ºC, la velocidad del sonido aumenta en 0.60 m/s. así pues, en el aire a la temperatura normal de20ºC el sonido se propaga a unos 340 m/s.

La velocidad del sonido en un material específico no depende de la densidad del material, sino de su elasticidad, que es la capacidad de un material para cambiar de forma en respuesta a una fuerza aplicada y recuperar su forma original una vez que la fuerza desaparece.

En los materiales elásticos los átomos están relativamente juntos y responden con prontitud a los movimientos de los demás, por lo cual transmiten la energía con pocas pérdidas. El sonido se propaga con una velocidad alrededor de 15 veces mayor en el acero (el acero es muy elástico) que en el aire, y unas cuatro veces más aprisa en el agua que en el aire.

COMPRESIÓN Y RAREFACCIÓN

Las regiones densas en las que gran número de moléculas se agrupan acercándose mucho entre sí se llaman compresiones. Una compresión corresponde a una región de alta presión. Las regiones que tienen relativamente pocas moléculas se conocen como rarefacciones y corresponden a zonas de baja presión. Las compresiones y rarefacciones se alternan a través del medio en la misma forma que las partículas de aire individuales oscilan de un lado a otro en la dirección de la propagación de la onda.

REFLEXIÓN Y ECO

REFLEXIÓN: Se da cuando una onda retorna al propio medio de propagación tras incidir sobre una superficie. Cuando una forma de energía, como la luz o el sonido, se transmite por un medio y llega a un medio diferente, lo normal es que parte de la energía penetre en el segundo medio y parte sea reflejada.

Las superficies rugosas reflejan en muchas direcciones, y en este caso se habla de reflexión difusa. Para reflejar un tren de ondas, la superficie reflectante debe ser más ancha que media longitud de onda de las ondas incidentes.

ECO: Es una repetición del sonido, producido por la reflexión del sonido en un objeto, por lo tanto un eco es una onda sonora reflejada.

El intervalo de tiempo entre la emisión y la repetición del sonido corresponde al tiempo que tardan las ondas en llegar al obstáculo y volver. Generalmente el eco es de representación débil porque no todas las ondas del sonido original se reflejan.

Los ecos escuchados en las montañas se producen cuando las ondas sonoras rebotan en grandes superficies alejadas más de 30 m de la fuente

REFRACCIÓN

Es el cambio de dirección de una onda cuando cruza el límite entre dos medios en los cuales la onda viaja con diferente rapidez.

El fenómeno de la refracción supone un cambio en la velocidad de propagación de la onda, cambio asociado al paso de un medio a otro de diferente naturaleza o de diferentes propiedades. Este cambio de velocidad da lugar a un cambio en la dirección del movimiento ondulatorio. Como consecuencia, la onda refractada se desvía un cierto ángulo respecto de la incidente.

La refracción se presenta con cierta frecuencia debido a que los medios no son perfectamente homogéneos, sino que sus propiedades y, por lo tanto, la velocidad de propagación de las ondas en ellos, cambian de un punto a otro. La propagación del sonido en el aire sufre refracciones, dado que su temperatura no es uniforme. En un día soleado las capas de aire próximas a la superficie terrestre están más calientes que las altas y la velocidad del sonido, que aumenta con la temperatura, es mayor en las capas bajas que en las altas. Ello da lugar a que el sonido, como consecuencia de la refracción, se desvía hacia arriba. En esta situación la comunicación entre dos personas suficientemente separadas se vería dificultada. El fenómeno contrario ocurre durante las noches, ya que la Tierra se enfría más rápidamente que el aire.

Cuando una onda sonora que se propaga en un medio en reposo (como el aire en un día sin viento), cruza la superficie de separación con otro medio, se refracta, es decir, cambia la dirección de propagación porque varía su velocidad.
Las ondas sonoras también se refractan si las capas de aire están a distintas temperaturas.

Ahora bien, en el verano, las capas de aire más cercanas a la superficie de la tierra están a mayor temperatura y son menos densas que las capas de aire superiores. El sonido se propaga con mayor velocidad en las capas de aire menos densas y, en consecuencia, al llegar a una capa de aire de menor temperatura y mayor densidad se refracta: la dirección de propagación se curva hacia arriba. Esta refracción no es brusca, sino progresiva, como se ve en la figura.

Pero en invierno, las capas de aire más cercanas al suelo están a menor temperatura que las capas de aire superiores; la velocidad del sonido cerca del suelo es menor respecto de la velocidad del sonido en las capas superiores y, en consecuencia, la dirección de propagación del sonido se curva hacia el suelo.

ONDAS DE RADIO

¿Se escuchan a ondas de radio? No, no pueden escucharse ya que las ondas de radio no son ondas sonoras sino electromagnéticas. Y es bueno que así sea, pues miles de ondas de radio atraviesan a cada instante el lugar en que se encuentra cada oyente. Muchísimas emisoras (de radio o televisión) las emiten continuamente, pero el oído humano no puede captarlas, sin hacer uso de un receptor.

Las ondas de radio viajan portando el mensaje desde la emisora hasta el receptor. En forma simplificada se puede describir el proceso de escuchar radio de la siguiente manera:

APLICACIONES DE LA REFLEXIÓN DE LAS ONDAS SONORAS

ECOGRAF lAS

Seguramente has oído hablar de la ecografía.

Mujeres embarazadas se someten varias veces a esta rutina médica. La base de la ecografía es, justamente, la reflexión de la onda sonora.

Ondas ultrasónicas son enviadas, a través de la mamá, al líquido amniótico que asegura la vida del bebé. Las ondas reflejadas en el bebé son captadas con el instrumento adecuado que las “traduce” para que puedan ser vistas en un monitor o en fotografías. De este modo, el médico controla el estado del feto y, si el embarazo está algo avanzado, se puede conocer con bastante seguridad el sexo del bebé por nacer

SONAR

El sonar (Sound Navegation and Ranging) es un instrumento que se utiliza para la localización de objetos. Consiste, básicamente, en un emisor y un receptor. El emisor “emite” una señal y el receptor la capta una vez que ha sido reflejada por algún objeto. Se registra el tiempo de viaje de la onda (ida y vuelta) y, conociendo la velocidad de propagación de la misma, se puede calcular la distancia entre la fuente emisora y el objeto.

El sonar utiliza generalmente ondas ultrasónicas para ubicar submarinos, cardúmenes, barcos hundidos, para estudiar grietas, etc. La razón de la elección de esta frecuencia de onda sonora se debe a que la onda ultrasónica puede viajar a mayor distancia en un medio acuoso.

No se podrían utilizar ondas electromagnéticas (luz, radio, etc.) como ondas emisoras, porque el agua actúa como filtro para ellas y no deja que se propaguen a gran distancia

RADAR

Existe otro instrumento análogo al sonar que se denomina RADAR (Radio Aircraf Detecting And Ranging), que utiliza ondas electromagnéticas (de radio) para localizar objetos tales como aviones, barcos, proyectiles, etc. La utilización de este tipo de ondas es posible, en estos casos, pues el aire es un medio propicio para que se propaguen a grandes distancias.

OÍDO

Oído, órgano responsable de la audición y el equilibrio. Se divide en tres zonas: externa, media e interna. La mayor parte del oído interno está rodeada por el hueso temporal.

Estructura

El oído externo es la parte del aparato auditivo que se encuentra en posición lateral al tímpano o membrana timpánica. Comprende la oreja o pabellón auricular o auditivo (lóbulo externo del oído) y el conducto auditivo externo, que mide tres centímetros de longitud.

El oído medio se encuentra situado en la cavidad timpánica llamada caja del tímpano, cuya cara externa está formada por la membrana timpánica, o tímpano, que lo separa del oído externo. Incluye el mecanismo responsable de la conducción de las ondas sonoras hacia el oído interno. Es un conducto estrecho, o fisura, que se extiende unos quince milímetros en un recorrido vertical y otros quince en recorrido horizontal. El oído medio está en comunicación directa con la nariz y la garganta a través de la trompa de Eustaquio, que permite la entrada y la salida de aire del oído medio para equilibrar las diferencias de presión entre éste y el exterior. Hay una cadena formada por tres huesos pequeños y móviles (huesecillos) que atraviesa el oído medio. Estos tres huesos reciben los nombres de martillo, yunque y estribo. Los tres conectan acústicamente el tímpano con el oído interno, que contiene un líquido.

El oído interno, o laberinto, se encuentra en el interior del hueso temporal que contiene los órganos auditivos y del equilibrio, que están inervados por los filamentos del nervio auditivo (véase Sistema nervioso). Está separado del oído medio por la fenestra ovalis, o ventana oval. El oído interno consiste en una serie de canales membranosos alojados en una parte densa del hueso temporal, y está dividido en: cóclea (en griego, 'caracol óseo'), vestíbulo y tres canales semicirculares. Estos tres canales se comunican entre sí y contienen un fluido gelatinoso denominado endolinfa.