Sonido

Se llama sonido al fenómeno físico provocado por el movimiento ondulatorio generado en un medio elástico, como el aire, por los cambios muy rápidos de presión originados por el movimiento vibratorio de un cuerpo. Este fenómeno es percibido por el ser humano a través del órgano del oído. A continuación se estudiarán tres aspectos principales del sonido: su captación y producción, sus parámetros notables y un fenómeno de gran interés teórico y práctico conocido como efecto Doppler-Fizeau.

Captación y producción del sonido

Desde un punto de vista físico, el sonido es un movimiento ondulatorio longitudinal que se genera cuando se produce una perturbación periódica en un medio elástico (sólido, líquido o gas). Así pues, el sonido, como ninguna onda mecánica y a diferencia de las ondas electromagnéticas, no puede propagarse en el vacío.

En el ser humano, el sonido se percibe corrientemente a través del aire, y su transmisión, desde el foco perturbador hasta el oído, tiene lugar porque el pequeño desplazamiento de las moléculas de aire en su movimiento vibratorio genera zonas de condensación, con un mayor número de moléculas, y zonas de enrarecimiento, con un menor número de moléculas. Estas moléculas engendran así una variación alterna de la presión aérea, denominada presión sonora, que actúa sobre el tímpano. La sensación timpánica se transmite al cerebro por medio del nervio auditivo, con lo que se completa la percepción sonora.

En los mamíferos, en general, el sonido se capta por el mismo procedimiento. Sin embargo, en los peces la sensación auditiva se percibe a través del agua, donde la velocidad sónica cuadruplica a la de propagación del sonido en el aire. Destaca el caso de algunos peces en los que el órgano auditivo está relacionado con la vejiga natatoria mediante el llamado aparato de Weber. Este aparato consiste en un conjunto de pequeños huesos que llevan las sensaciones sonoras hasta el oído interno.

Todo cuerpo capaz de vibrar con una frecuencia que se encuentre dentro de los límites de audición es un foco productor de sonido. Dentro de los innumerables elementos que cumplen con esta definición, cabe considerar dos de alta importancia: las cuerdas vibrantes y los tubos sonoros. Ambos constituyen la base de multitud de instrumentos musicales.

  • Cuerdas vibrantes. Cuando se pulsa una cuerda tensa se produce un tren de ondas que viaja longitudinalmente por dicha cuerda, reflejándose en sus extremos. En estos puntos se producen siempre nodos, es decir, puntos en los que la amplitud es nula.

Existen varios tipos de movimiento ondulatorio en una cuerda, cada uno de ellos con una longitud de onda diferente. Las longitudes de onda, , que pueden aparecer vienen dadas por la expresión:

siendo x la longitud de la cuerda. Los valores de las frecuencias posibles se determinan a partir de los valores de logrados al ir dando a n valores enteros, desde n = 1. La frecuencia obtenida para n = 1 se llama frecuencia fundamental; las producidas para los restantes valores de n reciben el nombre de armónicos, con frecuencias que son múltiplos de la fundamental.

  • Tubos sonoros. Se trata de cuerpos, más o menos cilíndricos, que albergan en su interior una columna de aire vibrante que produce los sonidos. Cuando el tubo tiene un extremo abierto y otro cerrado, se dice cerrado; si ambos extremos son abiertos, se denomina abierto.

Al vibrar, la columna de aire interior origina ondas que se propagan longitudinalmente por el tubo. Si éste es abierto, en sus extremos aparecen vientres (puntos de máxima amplitud) y, si es cerrado, en el extremo abierto se origina un vientre y en el cerrado, un nodo. Las longitudes de onda, , que se pueden originar en este dispositivo vienen dadas por la expresión:

donde x es la longitud del tubo, mientras que n debe tomar valores enteros y pares.

Parámetros notables de las ondas sonoras

Además de las magnitudes características de toda onda (frecuencia, periodo, longitud de onda, fase), en una onda sonora pueden distinguirse otros parámetros interesantes. Tales son, en particular, la intensidad acústica, el nivel de intensidad, la potencia acústica y el nivel de potencia acústica.

Se llama intensidad acústica a la energía que atraviesa, en la unidad de tiempo, la unidad de superficie normal a la dirección de propagación del movimiento ondulatorio. Se representa por I y, en el Sistema Internacional, se mide en vatios por metro cuadrado (W/m2).

Por su parte, el nivel de intensidad es el rangode la intensidad de las ondas perceptibles por el oído humano. Dicho rango es muy amplio, lo que obligaría a manejar números muy elevados para medir este parámetro. Para resolver la situación se ha introducido en su definición una escala logarítmica que define una magnitud, Li, denominada nivel de intensidad. Esta escala toma como valor de referencia una intensidad, I0, de valor 10-16 vatios/cm2, usada como patrón según la expresión siguiente para el nivel de intensidad:

Li = 10 lg

Los niveles de intensidad así determinados se miden en belios o, sobre todo, en su submúltiplo el decibelio.

La potencia acústica de una fuente sonora es la cantidad de energía emitida por esa fuente en la unidad de tiempo. Una parte de la energía que transporta una onda es la energía cinética de sus partículas, y la otra, la energía potencial de las mismas. La potencia se mide en vatios y es una característica propia de la fuente emisora.

Finalmente, el nivel de potencia acústica se mide en una escala logarítmica, al igual que el nivel de intensidad. Si se denota por Lw, se define como:

LW = 10 · lg

donde W es la potencia del sonido considerado y W0 = 10-12 vatios, la potencia de referencia.

El efecto Doppler-Fizeau

Un hecho muy característico de las ondas en general, y de las sonoras en particular, se produce cuando un foco emisor de sonido se desplaza con respecto a un observador (o a la inversa). En tal circunstancia tiene lugar un cambio de la frecuencia en el sonido percibido por el observador. Así, cuando el foco se acerca, la frecuencia aumenta, con lo que se percibe un sonido más agudo; en cambio, si el foco se aleja, la frecuencia disminuye, con lo que se percibe un tono acústico más grave.

Sea un foco emisor que se aproxima a un observador con una velocidad v: Llamando S a la velocidad del sonido en el lugar del experimento, f0 a su frecuencia y a su longitud de onda, la frecuencia aparente, f, con la que el observador percibe el sonido es:

f =

Si el foco se aleja del observador, la frecuencia es:

f = f0

Problema. Una persona que se desplaza a 6 m/s se aproxima a un foco sonoro que emite un sonido cuya frecuencia es de 650 ciclos/s para un observador en reposo. ¿Con qué frecuencia percibe el sonido? Dato: velocidad del sonido en el lugar = 340 m/s.

Solución. Como observador y foco sonoro se aproximan, se tiene que:

f = f = 650 f = 661,47 ciclos/s