Ondas Sonoras. Introducción
Considerando un globo de caucho,
conectado con un cilindro y un émbolo. Al mover el émbolo hacia abajo, se hace
que el globo se dilate de forma que las paredes se mueven hacia afuera,
comprimiendo el aire circundante. Entonces las moléculas de aire son empujadas
hacia afuera, y empujan a las vecinas. Estas, a su vez, son aceleradas y
avanzan en pulsos de compresión hacia afuera. Si se eleva el émbolo, se hace
que el globo se contraiga. El aire circundante se precipita hacia adentro,
formando una rarefacción. Entonces la perturbación avanza alejándose del globo
lo mismo que lo hizo la compresión. Si se mueve el émbolo para arriba y para
abajo, el globo se dilata y se contrae periódicamente, de modo que se establece
un tren de compresiones y rarefacciones alternadas. La longitud de onda es la
distancia entre dos puntos consecutivos de máxima compresión. La frecuencia de
las ondas de compresión así producidas, es demasiado baja para que nuestros
oídos la perciban. Sin embargo, son de la misma naturaleza que las ondas
sonoras y tienen la misma velocidad.
Sonido
Fenómeno físico que
estimula el sentido del oído. En los seres humanos, esto ocurre siempre que una
vibración con frecuencia comprendida entre unos 15 y 20.000 hercios llega al
oído interno. El hercio (Hz) es una unidad de frecuencia que corresponde a un
ciclo por segundo. Estas vibraciones llegan al oído interno transmitidas a
través del aire, y a veces se restringe el término ‘sonido’ a la transmisión en
este medio. Sin embargo, en la física moderna se suele extender el término a
vibraciones similares en medios líquidos o sólidos. Los sonidos con frecuencias
superiores a unos 20.000 Hz se denominan ultrasonidos.
Este artículo se ocupa de
este campo de la física en líneas generales. Para lo relativo a la ciencia
arquitectónica del diseño de estancias y edificios con propiedades adecuadas de
propagación y recepción del sonido. Para lo relativo a la naturaleza del
proceso fisiológico de la audición de sonidos y la anatomía del mecanismo de
audición en personas y animales. En cuanto a las propiedades generales de la
producción y propagación de ondas vibracionales, entre ellas las ondas de
sonido.
En general, las ondas pueden
propagarse de forma transversal o longitudinal. En ambos casos, sólo la energía
y la cantidad de movimiento del movimiento ondulatorio se propagan en el medio;
ninguna parte del propio medio se mueve físicamente a una gran distancia. Por
ejemplo, imaginemos que atamos firmemente una cuerda a un poste por un extremo,
la estiramos sin tensarla del todo y sacudimos el otro extremo. Una onda se
desplazará por la cuerda hacia el poste, donde se reflejará y volverá hacia la
mano. En realidad, ninguna parte de la cuerda se mueve longitudinalmente hacia
el poste, pero todas las partes de la cuerda se mueven transversalmente. Este
tipo de movimiento ondulatorio se denomina onda transversal. Del mismo modo, si
tiramos una piedra a un estanque, una serie de ondas transversales se propaga
desde el punto de impacto. Un corcho que flote cerca de dicho punto se moverá
hacia arriba y hacia abajo, es decir, de forma transversal a la dirección del
movimiento ondulatorio, pero apenas mostrará movimiento longitudinal. En
cambio, una onda de sonido es una onda longitudinal. A medida que la energía
del movimiento ondulatorio se propaga alejándose del centro de la perturbación,
las moléculas de aire individuales que transmiten el sonido se mueven hacia
delante y hacia atrás, de forma paralela a la dirección del movimiento
ondulatorio. Por tanto, una onda de sonido es una serie de compresiones y
enrarecimientos sucesivos del aire. Cada molécula individual transmite la
energía a las moléculas vecinas, pero una vez que pasa la onda de sonido, las
moléculas permanecen más o menos en la misma posición.
Características físicas
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. El ruido es
un sonido complejo, una mezcla de diferentes frecuencias o notas sin relación
armónica.
Frecuencia
Existen distintos métodos
para producir sonido de una frecuencia deseada. Por ejemplo, un sonido de
440 Hz puede crearse alimentando un altavoz con un oscilador sintonizado a
esa frecuencia. También puede interrumpirse un chorro de aire mediante una
rueda dentada con 44 dientes que gire a 10 revoluciones por segundo; este
método se emplea en las sirenas. Los sonidos de un altavoz y una sirena de la
misma frecuencia tendrán un timbre muy diferente, pero su tono será el mismo,
equivalente al la situado sobre el do central en un piano. El siguiente la del
piano, la nota situada una octava por encima, tiene una frecuencia de
880 Hz. Las notas situadas una y dos octavas por debajo tienen frecuencias
de 220 y 110 Hz respectivamente. Por definición, una octava es el
intervalo entre dos notas cuyas frecuencias tienen una relación de uno a dos.
Una ley fundamental de la
armonía afirma que dos notas separadas por una octava producen una combinación
eufónica cuando suenan simultáneamente. Cuando el intervalo es de una quinta o
de una tercera mayor, la combinación es progresivamente menos eufónica. En
física, un intervalo de una quinta implica que la relación de las frecuencias
de ambas notas es de tres a dos; en una tercera mayor, la relación es de cinco
a cuatro. La ley de la armonía afirma que dos o más notas producen un sonido
eufónico al sonar de forma simultánea si la relación entre sus frecuencias
corresponde a números enteros pequeños; si las frecuencias no presentan dichas
relaciones, se produce una disonancia. En un instrumento de tonos fijos, como
un piano, no es posible establecer las notas de forma que todas estas
relaciones sean exactas, por lo que al afinarlo es necesario un cierto
compromiso de acuerdo con el sistema de tonos medios o escala temperada.
Amplitud
La amplitud de una onda de
sonido es el grado de movimiento de las moléculas de aire en la onda, que
corresponde a la intensidad del enrarecimiento y compresión que la acompañan.
Cuanto mayor es la amplitud de la onda, más intensamente golpean las moléculas
el tímpano y más fuerte es el sonido percibido. La amplitud de una onda de
sonido puede expresarse en unidades absolutas midiendo la distancia de
desplazamiento de las moléculas del aire, o la diferencia de presiones entre la
compresión y el enrarecimiento, o la energía transportada. Por ejemplo, la voz
normal presenta una potencia de sonido de aproximadamente una cienmilésima de
vatio. Sin embargo, todas esas medidas son muy difíciles de realizar, y la
intensidad de los sonidos suele expresarse comparándolos con un sonido patrón;
en ese caso, la intensidad se expresa en decibelios.
Intensidad
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.
Timbre
Si se toca el la 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
La frecuencia de una onda de
sonido es una medida del número de vibraciones por segundo de un punto
determinado. La distancia entre dos compresiones o dos enrarecimientos
sucesivos de la onda se denomina longitud de onda. El producto de la longitud
de onda y la frecuencia es igual a la velocidad de propagación de la onda, que
es la misma para sonidos de cualquier frecuencia (cuando el sonido se propaga
por el mismo medio a la misma temperatura). Por ejemplo, la longitud de onda
del la situado sobre el do central es de unos 78,2 cm, y la del la situado
por debajo del do central es de unos 156,4 centímetros.
La velocidad de propagación
del sonido en aire seco a una temperatura de 0 °C es de 331,6 m/s. Al
aumentar la temperatura aumenta la velocidad del sonido; por ejemplo, a
20 °C, la velocidad es de 344 m/s. Los cambios de presión a densidad
constante no tienen prácticamente ningún efecto sobre la velocidad del sonido.
En muchos otros gases, la velocidad sólo depende de su densidad. Si las
moléculas son pesadas, se mueven con más dificultad, y el sonido avanza más
despacio por el medio. Por ejemplo, el sonido avanza ligeramente más deprisa en
aire húmedo que en aire seco, porque el primero contiene un número mayor de
moléculas más ligeras. En la mayoría de los gases, la velocidad del sonido
también depende de otro factor, el calor específico, que afecta a la
propagación de las ondas de sonido.
Generalmente, el sonido se
mueve a mayor velocidad en líquidos y sólidos que en gases. Tanto en los
líquidos como en los sólidos, la densidad tiene el mismo efecto que en los
gases; la velocidad del sonido varía de forma inversamente proporcional a la
raíz cuadrada de la densidad. La velocidad también varía de forma proporcional
a la raíz cuadrada de la elasticidad. Por ejemplo, la velocidad del sonido en
agua es de unos 1.500 m/s a temperaturas ordinarias, pero aumenta mucho
cuando sube la temperatura. La velocidad del sonido en el cobre es de unos
3.500 m/s a temperaturas normales y decrece a medida que aumenta la
temperatura (debido a la disminución de la elasticidad). En el acero, más
elástico, el sonido se desplaza a unos 5.000 m/s; su propagación es muy
eficiente.
Refracción, reflexión e interferencias
El sonido avanza en línea
recta cuando se desplaza en un medio de densidad uniforme. Sin embargo, igual
que la luz, el sonido está sometido a la refracción, es decir, la desviación de
las ondas de sonido de su trayectoria original. En las regiones polares, por
ejemplo, 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. La excelente recepción del sonido a favor del viento y la mala
recepción en contra del viento también se deben a la refracción. La velocidad
del aire suele ser mayor en las alturas que cerca del suelo; una onda de sonido
ascendente que avanza a favor del viento se desvía hacia el suelo, mientras que
una onda similar que se mueve en contra del viento se desvía hacia arriba, por
encima de la persona que escucha.
El sonido también se ve
afectado por la reflexión, y cumple la ley fundamental de que el ángulo de
incidencia es igual al ángulo de reflexión. Un eco es el resultado de la
reflexión del sonido. El sonar se basa en la reflexión de los sonidos
propagados en agua. Una bocina es un tubo cónico que forma un haz de ondas de
sonido reflejando algunos de los rayos divergentes en los lados del tubo. Un
tubo similar puede recoger ondas de sonido si se dirige el extremo ancho hacia
la fuente de sonido.
El sonido también experimenta
difracción e interferencia. 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; sin embargo, si no están en fase pueden
interferir de forma que el sonido resultante sea 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.
Sensaciones de tono
Si se practica una
audimetría a una persona joven normal, se comprueba que su oído es sensible a
todos los sonidos entre 15-20 hercios y 15.000-20.000 hercios. El oído de las
personas mayores es menos agudo, sobre todo en las frecuencias más elevadas. El
oído es especialmente sensible en la gama que va desde el la situado por encima
del do central hasta el la que está cuatro octavas por encima; en esa zona, una
persona puede percibir un sonido cientos de veces más débil que una octava por
encima o dos octavas por debajo. El grado en que un oído sensible puede
distinguir entre dos notas puras que difieran ligeramente en intensidad o
frecuencia varía en los diferentes rangos de intensidad y frecuencia de los
tonos. En sonidos de intensidad moderada situados en el rango de frecuencia
para el que el oído es más sensible (entre 1.000 y 2.000 Hz
aproximadamente), es posible distinguir una diferencia de intensidad de un 20%
(1 decibelio, o dB) y una diferencia en frecuencia de un 0,33% (alrededor de
una vigésima de nota). En este mismo rango, la diferencia entre el sonido más
tenue que puede oírse y el sonido más fuerte que puede distinguirse como tal
sonido (los sonidos más fuertes se ‘sienten’, o perciben, como estímulos
dolorosos) es de unos 120 decibelios: una diferencia de intensidad de
aproximadamente un billón de veces.
Todas estas pruebas de
sensibilidad se refieren a tonos puros, como los producidos por un oscilador
electrónico. Incluso para esos tonos puros, el oído es imperfecto. Dos notas
con frecuencia idéntica pero una gran diferencia de intensidad pueden aparentar
una ligera diferencia de tono. Más importante resulta la diferencia en las
intensidades relativas aparentes en las distintas frecuencias. A intensidades
altas, el oído es aproximadamente igual de sensible a la mayoría de las
frecuencias, pero a bajas intensidades el oído es mucho más sensible a las
frecuencias medias que a las extremas. Por tanto, un equipo de reproducción de
sonido que funciona perfectamente parecerá no reproducir las notas más graves y
agudas si se reduce mucho la intensidad.
Tres tipos de sonido importantes
En la voz, la música y el
ruido, es raro escuchar un tono puro. Una nota musical contiene, además de la
frecuencia fundamental, tonos más agudos que son armónicos de la misma. La voz
contiene una mezcla compleja de sonidos, de los que algunos (pero no todos)
guardan una relación armónica entre sí. El ruido está formado por una mezcla de
muchas frecuencias diferentes dentro de un determinado rango; por tanto, puede
compararse con la luz blanca, que se compone de una mezcla de luces de los
distintos colores. Los distintos ruidos se distinguen por sus diferentes
distribuciones de energía en los distintos rangos de frecuencias.
Cuando se transmite al oído
un tono musical que contiene determinados armónicos del tono fundamental, pero
carece de otros armónicos o del propio tono fundamental, el oído forma
diferentes ‘batidos’ o pulsaciones cuya frecuencia es la suma o la diferencia
de los sonidos originales, con lo que producen los armónicos que faltan o el
tono fundamental que no figura en el sonido original. Estas notas también son
armónicos de la nota fundamental original. Esta respuesta incorrecta del oído
puede resultar útil. Por ejemplo, un equipo reproductor de sonido sin un
altavoz grande no puede producir sonidos de tono más grave que el do situado
dos octavas por debajo del do central; sin embargo, el oído de una persona que
escuche ese equipo puede proporcionar la nota fundamental a partir de las
frecuencias de batido de sus armónicos. Otra imperfección del oído ante los
sonidos ordinarios es la incapacidad de oír notas de alta frecuencia cuando
existen sonidos de baja frecuencia de intensidad considerable. Este fenómeno se
denomina enmascaramiento.
En general, para que se
entienda el habla y se comprenda satisfactoriamente un tema musical basta
reproducir las frecuencias entre 250 y 3.000 Hz (el rango de frecuencias
de un teléfono normal), aunque algunos sonidos —como la zeta— requieren frecuencias
de hasta 6.000 Hz. Sin embargo, para que el efecto sea natural hay que
reproducir el rango que va aproximadamente de 100 a 10.000 Hz. Los sonidos
generados por unos pocos instrumentos musicales sólo pueden reproducirse con
naturalidad con frecuencias algo más bajas, y algunos ruidos necesitan
frecuencias más altas.
En cuanto a la conversión de
ondas de sonido en ondas eléctricas y viceversa.
Efecto
Doppler
La
frecuencia de una onda, que es ordinariamente igual a la de fuente, se puede
cambiar al moverse de fuente, el observador, o ambos. Cuando el observador se
dirige hacia la fuente sonora, entran a su oído más ondas por segundo, y la
frecuencia se eleva. Cuando se mueve alejándose de la fuente, le llegan menos
ondas por segundo, y la frecuencia disminuye. Este fenómeno se denomina efecto
Doppler y es válido para todas las ondas, pero nosotros nos
ocuparemos de tal en el sonido.
Cuando una
persona viaja en automóvil y pasa a otro, cuya bocina está sonando, se puede
notar una reducción pronunciada en la frecuencia del sonido. Antes de pasar
otro auto, la frecuencia era superior a la normal. Después, se hizo inferior a
la normal –de ahí proviene la reducción repentina de la frecuencia en el
instante de pasar. Si ambos autos estuvieran en reposo, la frecuencia del
sonido que se escucha estaría dada por una fórmula:
velocidad
de la onda
f=
longitud de
onda
Si uno se dirige hacia la
fuente sonora con una velocidad v’, la velocidad aparente de la onda es v + v’;
por consiguiente, la frecuencia está dada por:
v + v’
f’ =
longitud de onda
Dividiendo las ecuaciones
anteriores miembro a miembro:
f’ =
v + v’
f v
Si se aleja de la fuente:
f’ = v
- v’
f v
Cuando el obsevador está en reposo y la fuente se
mueve con una velocidad v’:
f’ = v
f v (+-) v’
Resumen:
El
sonido es un tren de ondas de compresión que se puede oír. La velocidad del
sonido en un lugar es independiente de la presión, y es directamente
proporcional a la raíz cuadrada de la temperatura Kelvin.
Los
sonidos emitidos por un tubo cerrado en un extremo son las armónicas impares
cuyas frecuencias son 1, 3, 5....veces la frecuencia del tono fundamental o
primera armónica. Los sonidos emitidos por un tubo abierto en ambos extremos
tiene frecuencia 1, 2, 3, 4, 5.....veces la fundamental.
Dos
fuentes sonoras de frecuencia diferente hacen que un sonido, cuya intensidad
aumenta o disminuye, produzca pulsaciones. El número de pulsaciones por unidad
de tiempo está dado por: f = f2
- f1
Cuando un observador se mueve hacia una fuente sonora
o se aleja de la misma con una velocidad v’, la frecuencia f’ del sonido que
percibe está dada por:
f’
= v (+-) v’
f v
Las
características psicológicas de los sonidos musicales son intensidad, timbre y
altura. La intensidad depende de la amplitud de las vibraciones sonoras y de la
sensibilidad del oído, la altura de la frecuencia, y el timbre de la
compbinación de frecuencias que existen.
Instrumentos de viento
Se basan
en el principio del tubo de órgano. Los hay de frecuencia variable eb forma
continua (trombón, trompeta) y de frecuencias fijas (órgano, flauta). En todos
ellos se excitan vibraciones estacionarias de una columna de aire, las cuales,
a su vez, excitan ondas sonoras en el medio ambiente. La única forma de modificar
la frecuencia de un tono en un instrumento de viento es variando la longitud de
la columna de aire vibrante. Al ser muy grandes las longitudes para las
frecuencias bajas, los instrumentos de viento de tonos graves (tuba) tienen
dimensiones grandes. Para afinar los instrumentos de viento, por ejemplo un
órgano, es necesario modificar la longitud de los tubos (habiendo en cada tubo
dispositivos para ello). En un órgano, hay tubo tapados y abierto. Los tapados
suenan una octava más abajo que los abiertos. Para afinar los instrumentos
según la escala armónica, se recurre a un elemento con frecuencia patrón
(diapasón), se afina una nota, haciéndola sonar simultáneamente y prestando
atención a las variaciones periódicas de intensidad (batido). En caso de que
aparezcan, se modifica la frecuencia de la nota en el sentido de hacer decrecer
la frecuencia de batido. una vez afinada la nota do3 se procede a
afinar las otras octavas en base a ella. Para afinar un instrumento de viento
según la escala armónica, no es necesario tener oído educado musicalmente (sí
es necesario para el resto de las notas).
Los instrumentos de viento hacen uso o aprovechan las
resonancias que producen las ondas sonoras en cavidades (ej: tubos). Estos
instrumentos “suenan” debido a que se producen ondas estacionarias dentro de
ellos, forzadas por el soplido que se
ejecuta. Estas ondas son análogas a, por ejemplo, las que se producen en una
cuerda con un extremo forzado, con la diferencia de que en esta última las
ondas son transversales. Las diferentes notas musicales se consiguen cambiando
la configuración de la cavidad resonante (por ejemplo, en las flautas se tapan
diferentes orificios con los dedos). Finalmente, hay que destacar que la
resonancia es forzada por un elemento vibrante controlado por la boca del
ejecutor (en un saxofón el elemento vibrante es la caña o lengüeta, que no
vibraría si no fuera por la fuerza que ejerce el músico sobre ella; en otros
instrumentos de viento, como la trompeta, el trombón y la tuba, el elemento vibrante
es el labio del propio ejecutor).
Instrumentos de percusión
Los
instrumentos de percusión hacen uso directo de las vibraciones que producen
ciertos elementos al recibir un impacto. Este último puede realizarse
directamente a través de la mano o con algún objeto intermediario. Las
vibraciones que producen estos instrumentos se propagan a través del aire para llegar a nuestros
oídos. La particularidad que poseen es que producen una nota constante, a diferencia
de los de viento que pueden ser manipulados para variar. Algunos ejemplos son
los tambores, redoblantes, rototón, que se golpean con varad de diferentes
materiales y vibran produciendo sonidos de diferentes características. El
triángulo, se golpea con una vara de metal, y, al ser de material compacto
vibra a alta frecuencia, produciendo un sonido muy agudo. Otros instrumentos,
como el xilofón, pueden tener una combinación de varios elementos fijos que
producen una cadena de notas.
Trabajo Práctico de Física
Ondas Sonoras.
Instrumentos de viento y percusión
Alumnos: Cremona, Pérez
Acquisto, Staroswiecki, Pérez Cassinelli.
Año y división: 5º 3º
I.L.S.E 1999
Monografías
