El Sonido

El sonido es la sensación percibida por el sentido del oído como resultado de la energía mecánica transportada por ondas longitudinales de presión en un medio material como el aire, el agua, metales, etc.

La acústica es la parte de la física que estudia la producción, transmisión y efectos de las ondas que se propagan en medios materiales, sólidos, líquidos o gaseosos, como ondas de presión longitudinales, es decir, el campo de presión se manifiesta en la misma dirección de propagación de la onda, a diferencia de las ondas electromagnéticas, cuyos campos eléctrico y magnético son transversales (perpendiculares) a la dirección de propagación. Las ondas acústicas son ondas mecánicas, no electromagnéticas, cuya frecuencia puede extenderse hasta el rango de gigahertz. Al hablar de ondas sonoras, nos referimos a las ondas acústicas en el rango audible o cercano a éste, para el que una clasificación generalmente admitida es la siguiente:

Infrasonidos: Son sonidos de frecuencia inferior a unos 15 Hz y no suelen ser percibidos por el oído humano, aunque eventualmente es posible percibir las vibraciones en los tejidos blandos del cuerpo.

Sonido Audible: Se consideran como tales los sonidos de frecuencia comprendida entre unos 15 Hz y 20000 Hz. La máxima frecuencia sonora que es capaz de percibir el oído humano depende de diversos factores, entre ellos la edad y, en tanto que un niño puede percibir frecuencias cercanas a los 20 KHz, una persona de más de 60 años sólo percibe frecuencias hasta unos 10 o 12 KHz.

Ultrasonidos: Son sonidos de frecuencia superior a unos 20 KHz y pueden ser percibidos por algunos animales como los perros No hay realmente un límite superior de frecuencia para lo que se designa como ultrasonido; así por ejemplo, la diatermia ultrasónica emplea ondas acústicas de alta frecuencia, en el rango de 700 KHz a 1 MHz para tratamientos de termoterapia, en que la energía mecánica de la onda acústica se convierte en energía térmica que calienta el tejido vivo sobre el que incide la onda. En otras aplicaciones médicas como la ecografía, se utilizan ondas ultrasónicas a frecuencias en un rango del orden de 2 a 13 MHz o superiores.

Características del sonido

El sonido es un disturbio que se propaga en un medio material, ya sea sólido, líquido o gaseoso, en forma de ondas mecánicas de presión. Dichas ondas son longitudinales, es decir, la propagación es en la misma dirección que la presión, a diferencia de las ondas electromagnéticas que son transversales y se propagan en dirección perpendicular a los campos eléctrico y magnético.

El tratamiento matemático de las ondas sonoras es muy similar al de las ondas electromagnéticas . En tanto que éstas no requieren de un medio material y pueden propagarse en el vacío, las ondas sonoras necesitan un medio material y pueden considerarse como causadas por la compresión y rarefacción de las moléculas del medio. Aquí nos limitaremos al sonido que se propaga en el gas atmosférico (aire), en que las moléculas oscilan, moviéndose hacia adelante y hacia atrás en la dirección del movimiento ondulatorio. En promedio, no hay movimiento neto de las partículas del aire, de modo que no debe pensarse que el sonido produce viento, ya que el aire se comprime y rarifica alternativamente. Así, lo que se propaga es el ciclo de compresión-rarefacción. Esto se ilustra en la figura 2.2.

Velocidad de propagación del sonido en el aire. En un medio material cualquiera, ya sea sólido líquido o gaseoso, la velocidad del sonido depende principalmente de la densidad del medio y de su temperatura. A una temperatura ambiente de 22ºC y una presión atmosférica de 751 mm de Hg, la densidad del aire es ρ0 = 1.18 kg/m3. Así, la velocidad del sonido en el aire a una temperatura ambiente de 22ºC, es de 344.75 m/s.

En la tabla se dan los valores algunas velocidades del sonido en diferentes medios. En dicha tabla se aprecia que la velocidad de propagación del sonido es mucho mayor en las estructuras sólidas que en el aire, de modo que en un recinto la energía sonora transmitida por una estructura sólida puede llegar al oyente o a un micrófono, antes que por la trayectoria directa a través del aire, produciendo un pre-eco que, aunque débil, puede resultar molesto.

 En el aire, la velocidad del sonido no depende significativamente de la presión atmosférica ambiente. La humedad relativa, por otra parte, tiene efecto sobre la densidad del aire, lo que afecta en pequeña medida a la velocidad del sonido. Este efecto sobre la velocidad es por lo general inferior al 5% y usualmente se ignora en la práctica.

Características físicas del sonido

 Cualquier sonido puede describirse mediante tres características percepturales: intensidad, tono y timbre. Estas características corresponden a tres magnitudes físicas: amplitud, frecuencia y contenido armónico o forma de onda. El ruido, que puede definirse como un sonido indeseable o ajeno a los sonidos de interés, es un sonido complejo en que se mezclan diferentes frecuencias o notas sin ninguna relación armónica. Los sonidos de una sola frecuencia se designan como tonos puros.

La intensidad del sonido está asociada con el nivel de presión en el medio acústico y suele expresarse en dB referidos a 0.0002 µbar (20 µPa). Sin embargo, el oído no percibe por igual las variaciones de presión a diferentes frecuencias. Así, la intensidad sonora, como la percibe un oyente promedio, es en realidad una intensidad aparente. En esas condiciones se habla de volumen8 o sonoridad, como una magnitud de carácter subjetivo que se expresa en fonos y no es proporcional a la presión sonora. El nivel de volumen, expresado en fonos, es numéricamente igual al nivel de presión sonora en dB, de un tono de referencia de 1000 Hz, que a juicio de un oyente promedio9 parece de la misma intensidad que el sonido que se evalúa. En la figura 2.5 se muestran los niveles de presión sonora, para diversos sonidos habituales.

La frecuencia, expresada en Hz, permite identificar el tono del sonido. Los tonos agudos son de alta frecuencia, en tanto que las bajas frecuencias corresponden a tonos graves o bajos. El término tono, por lo general corresponde a una señal senoidal pura, es decir, de frecuencia única y se utiliza, tanto referido a señales sonoras, como a señales de cualquier otra frecuencia, bien sean éstas de naturaleza acústica o eléctrica. En la terminología de sonido, se designa como octava a un tono del doble de frecuencia de la fundamental, o también de la mitad de la frecuencia. En el primer caso se dice que la octava está por encima; en el segundo, por debajo.

Timbre: Es la característica del sonido que permite al oyente identificar las características de la fuente, por ejemplo la voz de una cierta persona o de un determinado instrumento musical. Tiene que ver con la frecuencia fundamental de la fuente, pero también con los armónicos de ésta.

Mecanismos de propagación del sonido

El sonido viaja en línea recta cuando se desplaza en un medio de densidad uniforme. Sin embargo, al igual que la luz, las ondas sonoras pueden sufrir refracción, es decir, desviarse de su trayectoria original, cuando penetran en un medio de densidad diferente; así por ejemplo, en las regiones polares, donde el aire situado cerca del suelo es más frío que el de las capas más altas, una onda de sonido ascendente que entra en la región más caliente, donde el sonido avanza a más velocidad, se desvía hacia abajo por la refracción.

De manera similar al caso de la luz, el sonido también sufre reflexiones cuando las ondas sonoras inciden sobre medios de diferente densidad, cumpliendo también la ley de Snell que expresa que el ángulo de incidencia y el ángulo de reflexión son iguales. El ejemplo más claro de la reflexión sonora es el eco y una aplicación importante el sonar10, un dispositivo para localizar objetos, particularmente bajo el agua, mediante ondas sonoras que son transmitidas para ser reflejadas por los objetos.

Si el sonido de una única fuente llega a un oyente por dos trayectorias diferentes, por ejemplo, una directa y otra reflejada, los dos sonidos pueden reforzarse si tienen la misma fase cuando llegan al oyente; sin embargo, si sus fases son opuestas, pueden interferirse de forma destructiva, tal que el sonido resultante es menos intenso que el sonido directo sin reflexión. Las trayectorias de interferencia son distintas para sonidos de diferentes frecuencias, con lo que la interferencia produce distorsión en sonidos complejos. Dos sonidos de distintas frecuencias pueden combinarse para producir un tercer sonido cuya frecuencia es igual a la suma o diferencia de las dos frecuencias originales.

Finalmente, la energía sonora es absorbida no sólo en las fronteras entre diferentes materiales, sino también en el propio aire. En recintos pequeños en que el número de reflexiones en las paredes es elevado y el tiempo entre reflexiones en que se mantiene la onda en el aire es pequeño, de modo que puede ignorarse la absorción en el aire. Sin embargo en recintos grandes en que el tiempo que la onda se mantiene en el aire es elevado, es necesario tener en cuenta la absorción.

Estos aspectos revisten gran importancia en la rama de la acústica designada como acústica arquitectónica, que tiene que ver con el diseño del acondicionamiento acústico de recintos destinados a fines específicos. Por ejemplo, en el diseño de salas de conciertos, auditorios y, en el caso de televisión, con el adecuado diseño acústico de los estudios de producción.

http://personales.unican.es/perezvr/pdf/Sonido%20y%20Audicion.pdf