El sonido y sus propiedades

    Según la biología evolutiva, la capacidad de escuchar sonidos de que disfrutan los animales superiores supone una adaptación exitosa para adecuarse al medio externo y aprovechar mejor sus recursos. En las sociedades modernas, el sonido constituye aún un modo fundamental de supervivencia para comunicarse, orientarse o eludir las situaciones peligrosas o problemáticas.

    En otro contexto, el sonido se relaciona hoy también con un componente de disfrute y arte, que encuentra su paradigma en la música. Para alcanzar las cimas de la expresión musical, desde los grandes maestros del barroco o el clasicismo hasta las realizaciones del presente se ha ido estableciendo una sólida teoría inspirada tanto en cuestiones estéticas como en un conocimiento profundo de las propiedades y cualidades del sonido: tono, timbre e intensidad. Este conocimiento sustenta el entramado de las obras inmortales que se escuchan hoy en las salas de conciertos de todo el mundo.

    El sonido como onda mecánica

    En esencia, el sonido puede definirse como una onda mecánica que implica la vibración de la materia. Esta vibración se comunica sucesivamente a través de los componentes de un material, denominado medio, desde la fuente u origen del mismo hasta su detección en un receptor acústico, como puede ser un instrumento de medición científica o, simplemente, el oído humano.

    El ser humano es capaz de percibir sonidos comprendidos entre las frecuencias de 20 y 20.000 hercios, aproximadamente. Este intervalo, denominado límite de audición o banda acústica, es más extenso en la infancia, y se va reduciendo de forma gradual con el envejecimiento. Ello no implica que no existan ondas sonoras fuera de la banda acústica. Las que poseen frecuencias por encima del umbral superior (20.000 Hz) se denominan ultrasonidos; por debajo del mismo reciben el nombre de infrasonidos.

    La contaminación acústica es un problema importante de las sociedades contemporáneas.

    El sonido es una onda que necesita la presencia de un medio material para propagarse. No lo hace, por tanto, en el vacío. Además, la velocidad de desplazamiento de las ondas sonoras varía notoriamente en los distintos medios. En el aire, viaja con una rapidez aproximada de 340 m/s, muy inferior, por ejemplo, a la de la luz (300.000 km/s).

    Esta importante diferencia entre la velocidad de desplazamiento de la luz y el sonido se percibe cotidianamente en las tormentas: el relámpago se detecta antes que el trueno, o estampido sonoro provocado por las descargas eléctricas entre las nubes. Como se conoce la velocidad de propagación de la luz y del sonido en el aire, midiendo el tiempo transcurrido desde que se percibe el relámpago hasta que se escucha el trueno es posible calcular la distancia aproximada a la que se produjo la chispa y la relativa lejanía o proximidad de la tormenta.

    Por regla general, el sonido se desplaza bastante más deprisa en los medios materiales «conexos» (sólidos, líquidos) que en los «dispersos» (gases). En los primeros, y particularmente en las sustancias sólidas, las partículas suelen estar dispuestas en estructuras o redes de cierto nivel de cristalización de una forma ordenada, por lo que las vibraciones sonoras se transmiten más rápidamente. En cambio, en los gases las vibraciones entre unas moléculas dispuestas en una configuración un tanto caótica se comunican con mayor dificultad.

    Es particularmente interesante conocer la velocidad del sonido en el agua, sobre todo en investigaciones oceanográficas de los fondos profundos. En agua salada, esta velocidad es de unos 1.500 m/s; en el agua dulce, alcanza unos 1.430 m/s. No obstante, dichos valores pueden variar ligeramente según diversos factores como la presión, la temperatura, la salinidad y la profundidad del agua.

    En los sólidos comunes, el sonido se propaga con una rapidez bastante superior. Por ejemplo, la velocidad de las ondas sonoras en el hierro es de unos 5.130 m/s, y en el aluminio alcanza 5.100 m/s, unas quince veces más que en el aire.

    Cualidades del sonido

    Como modalidad de onda mecánica, el sonido se distingue por las propiedades características de los movimientos ondulatorios: longitud de onda (denotada comúnmente por ), frecuencia (f), periodo (T), amplitud (A) y velocidad de propagación (v). Además de estas propiedades básicas, el oído humano es capaz de percibir otras características o cualidades diferenciales como son el tono, el timbre y la intensidad.

    Tono o altura del sonido

    Se define tono o altura de un sonido como la cualidad que lo caracteriza como agudo, medio o grave. El tono está relacionado con la frecuencia de la onda sonora relacionada, de manera que los sonidos suelen clasificarse en:

    • Graves, para frecuencias entre 20 y 300 Hz.

    • Medios, entre 300 y 2.000 Hz.

    • Agudos, desde 2.000 Hz hasta el umbral superior de audición (20.000 Hz).

    Esta característica tiene una gran importancia en la teoría de la música. Permite, por ejemplo, catalogar las alturas de las voces humanas en agudas (soprano en la mujer, tenor en el hombre), graves (contralto y bajo, respectivamente) o medias (mezzosoprano y barítono). En ciertos instrumentos musicales se recurre a clasificaciones semejantes.

    Intensidad sonora

    La intensidad o «fuerza» de un sonido se define como la cantidad de energía que transmite en cada segundo una onda sonora al atravesar una superficie unitaria perpendicular a la dirección de propagación de dicha onda. Esta magnitud se expresa en vatios por metro cuadrado (W/m2).

    La intensidad de un sonido, que determina si éste tiene mayor o menor fuerza sonora, depende exclusivamente de la amplitud de la onda que lo sustenta: cuanto mayor es esta amplitud, más intenso es el sonido. Asimismo, existe un valor umbral inferior por debajo del cual los sonidos se hacen inaudibles para el oído humano. Este umbral varía según la frecuencia de la onda acústica y depende de la agudeza auditiva de la persona. Igualmente, el oído puede percibir hasta una determinada intensidad máxima de sonido por encima de la cual sufre daños físicos; este valor se conoce como umbral de dolor.

    Los conceptos anteriores adquieren particular relevancia cuando se habla de sensación subjetiva del sonido, o sonoridad. Esta cualidad permite establecer una clasificación de los sonidos en una escala, de fuertes a débiles, y se expresa en decibelios (símbolo dB).

    La sonoridad s, también denominada nivel de intensidad, se determina por medio de la ecuación siguiente:

    donde I0 es el umbral mínimo de audición e I la intensidad del sonido en cuestión.

    Una misma nota musical emitida por un piano, una trompeta y un violín tiene el mismo tono (frecuencia) y puede graduarse con igual intensidad. Aun así, estas notas serán discernibles por la distinta calidad de su timbre.

    Una misma nota musical emitida por un piano, una trompeta y un violín tiene el mismo tono (frecuencia) y puede graduarse con igual intensidad. Aun así, estas notas serán discernibles por la distinta calidad de su timbre.

    Una misma nota musical emitida por un piano, una trompeta y un violín tiene el mismo tono (frecuencia) y puede graduarse con igual intensidad. Aun así, estas notas serán discernibles por la distinta calidad de su timbre.

    De este modo, los valores de la sonoridad siguen una tendencia marcada por una escala logarítmica. Por la fórmula anterior, al valor del umbral de audición se le asigna el valor de 0 dB, mientras que el umbral de dolor se sitúa en torno a 110-130 dB. La percepción humana alcanza su valor óptimo en las frecuencias medias dentro de su banda acústica.

    Timbre o altura del sonido

    En un enfoque simplista podría pensarse que el oído humano escucha de igual forma todos los sonidos que poseen idénticos valores de tono (frecuencia de la onda) e intensidad (relacionada con la amplitud). Sin embargo, si así sucediera no sería capaz de diferenciar las notas emitidas por un piano o por un violín cuando ambas se caracterizaran por los mismos valores de estas dos características. La experiencia indica lo contrario. Ello se debe a la existencia de una tercera cualidad del sonido que se conoce por timbre.

    La pulsación simultánea de varias notas de un teclado, que emite acordes, es un ejemplo del uso musical consonante de los armónicos físicos.

    La característica del timbre tiene en cuenta la existencia de los armónicos. En la naturaleza es muy infrecuente que un sonido posea un único tono o frecuencia. Lo que suele suceder es que sobre una base de frecuencia principal que se denomina tono fundamental se emiten otros sonidos superpuestos más débiles de frecuencias diferentes, aunque relacionadas con la fundamental. Cada uno de estos sonidos se conoce por armónico y la combinación de todos ellos conforma el timbre característico que permite diferenciar, por ejemplo, al piano del violín, aun cuando ambos instrumentos suenen con igual tono (determinado por la frecuencia o nota musical) e intensidad.

    La teoría de los armónicos desempeña un papel muy importante en los estudios musicales. Para comprender el concepto resulta útil recordar lo que sucede con las notas de música. Supongamos que se pulsa el do central del piano. Esta nota será la correspondiente al tono fundamental, producido por el golpeo del martillo sobre la cuerda metálica del piano situada dentro de la caja. La vibración se acompaña en este caso de otras ondas sonoras progresivamente más débiles de frecuencias diferentes:

    • Primero suena un do situado una octava más alta que el original.

    • Después, el sol superior al segundo do.

    • A continuación suena un tercer do, otra escala más agudo.

    • Después se escucha, sucesivamente, un mi, un sol, un si bemol, etc., de frecuencias siempre crecientes.

    Estos sonidos se escuchan casi a la vez y determinan la característica del timbre del do original pulsado en el piano. Lo mismo cabría decir de cualquier otro instrumento. Por lo tanto, estos sonidos superpuestos constituyen la base de la armonía musical.