El
sonido, en
física, es cualquier
fenómeno que involucre la propagación en forma de
ondas elásticas
(sean audibles o no), generalmente a través de un fluido (u otro medio
elástico) que esté generando el movimiento vibratorio de un cuerpo.
El sonido humanamente audible consiste en
ondas sonoras
que producen oscilaciones de la presión del aire, que son convertidas
en ondas mecánicas en el oído humano y percibidas por el cerebro. La
propagación del sonido es similar en los fluidos, donde el sonido toma
la forma de fluctuaciones de presión. En los cuerpos sólidos la
propagación del sonido involucra variaciones del estado tensional del
medio.
El sonido es un fenómeno vibratorio transmitido en forma de ondas.
Para que se genere un sonido es necesario que vibre alguna fuente. Las
vibraciones pueden ser transmitidas a través de diversos medios
elásticos, entre los más comunes se encuentran el aire y el agua. La
fonética acústica concentra su interés especialmente en los sonidos del
habla: cómo se generan, cómo se perciben, y cómo se pueden describir
gráfica y/o cuantitativamente.
Tono/Frecuencia
Aunque entre los dos términos exista una muy estrecha relación,
no se refieren al mismo fenómeno.
El tono es una magnitud subjetiva y se refiere a la altura o gravedad
de un sonido.
Sin enbargo, la frecuencia es una magnitud objetiva y mensurable referida
a formas de onda periódicas.
El
tono de un sonido aumenta con la frecuencia, pero no en la misma
medida. Con la frecuencia lo que medimos es el número de vibraciones.
Su unidad de medida es el herzio (Hz). Para expresar una frecuencia lo
hacemos refiriéndonos a vibraciones por segundo. Así un
frecuencia de 1 Herzio es lo mismo que decir que el sonido tiene una vibración
por segundo (por cierto, un sonido de esta frecuencia sería imposible
de percibir por el oido humano).
Muchas veces en aparatos relacionados con el sonido suele aparecer una
gráfica que expresa su respuesta a determinadas frecuencias. Si
en esta gráfica vemos una línea recta significará
que todas las frecuencias son manipuladas del mismo modo. Si la curva
cae en determinadas frecuencias nos estará comunicando que determinadas
frecuencias las manipula más debilmente.
Timbre y Frecuencia Armónica
El timbre es la cualidad gracias a la cual podemos diferenciar el sonido
de un piano de el de una flauta aunque estén interpretando la misma
nota, es decir: aunque dos instrumentos emitan un sonido con la misma
frecuencia podemos diferenciarlos gracias a su timbre característico.
Este fenómeno es debido a que un sonido no esta formado sólo
de una frecuenca, sino por la suma de otras que son múltiplos de
la fundamental. Estas otras frecuencias varían en intensidad y
son llamadas armónicos. La proporción e intensidad de estos
armónicos son diferentes en cada instrumentos y es por ello que
podemos diferenciar sus sonidos.
Jean Foirier demostró matemáticamente que toda función
periodica no senoidal puede ser descompuesta en una serie de funciones
senoidales. Las senoidales carecen de armónicos, por lo cual podemos
considerarlas puras. Este modo de descomponer una señal es conocido
como análisis de Fourier.
Si a una señal se le van añadiendo armónicos, la
forma de onda irá variando pero su frecuencia fundamental permanecerá
inalterada. Por lo tanto vemos que el timbre varía en razón
de los armónicos mientras que la frecuencia se mantiene.
Las amplitudes relativas de cada armónico varían en función
de la forma de onda, siendo el de mayor amplitud el que se considera fundamental.
En el gráfico adjunto vemos una instatánea de la proporción
de armónicos de un sonido.
Si a una onda pura, una senoidal, le añadimos sólo armónicos
impares (3f, 5f, 7f, .....Nf) estaremos transformándola cada vez
más en una onda cudrada. Llegados a los 21 armónicos habremos
logrado una forma de onda razonablemente cuadrada.
Intensidad y Sonoridad.
Frente a las presiones sonoras el oido alcanza a soportar desde 2 * 10E-4
bar (umbral auditivo) hasta los 200 bar (umbral del dolor). Este es un
rango muy amplio, para hacernos una idea sólo hay que pensar que
el sonido de un rifle produce una presión sonora 100.000.000 de
veces mayor que una hoja seca que cae de un árbol.
La intensidad es una magnitud física, por definición, es
la energía sonora transportada por unidad de tiempo y que atraviesa
un área perpendicular a la dirección de propagación.
Más concretamente se refiere a la potencia acústica por
unidad de superficie y se expresa en W/cm2
La sensación subjetiva de la intensidad se define como "sonoridad"
y depende de la frecuencia, ancho de banda y duración del sonido.
Según Fechner y Weber la sensación
subjetiva de la intensidad es proporcional al algoritmo de la intensidad
según la forma:
| n
= 10 log I/I0 |
| •
n es el nivel de la sonoridad en decibelios (db). |
| •
I0 es el valor de la intensidad umbral que percibe el oido humano,
que es de 10 -10 W/cm2, equivalente a 2 * 104 bar de presión
sonora. |
Dado que la sonoridad define un fenómeno subjetivo de gran amplitud,
con unos valores extremos muy alejados, es necesario utilizar una unidad
más manejable y objetiva. Para ello se utiliza una escala comprimida,
logarítmica en lugar de lineal. Las cantidad varían en una
relación de 1:100.000.000 (1:10E6), es por ello que se utiliza
una escala logarítmica, siendo la unidad de dicha escala el Belio.
El Belio resulta se una unidad demasiado grande en le práctica
por lo que habitualmente se utiliza la décima parte, el decibelio
(db).
El decibelio se utiliza como referencia, está referido a un nivel
de referencia predeterminado. Se utiliza para expresar ganancias o relaciones
de potencia.
| db
= 10 log Po/Pi |
| •
Pi = Potencia de Entrada |
| •
Po = Potencia de Salida. |
En acústica se emplea el db para medir niveles de presión
sonora referidos a un nivel definido Ps. Entonces se define el nivel de
presión sonora P como el número de decibelios que P se halla
por encima de Ps. El nivel de referencia de presión acústica
Ps adoptado universalmente es el correspondiente al umbral de audición
humano, es decir, 2 * 10E-4 bar, equivalente a 0db SPL (Sound Pressure
Level o Nivel de Presión Sonora).
Con todos estos datos podemos crear una tabla aproximada para ver la magnitud
de todos estos valores.
|
Estimación
en db |
| Estudio
de grabación vacío. |
0
db |
| Murmullo
a tres metros. |
10
db |
| Paso
de las hojas de un libro |
10
db |
| Susurro
a un metro |
20
db |
| Calle
sin tráfico en zona residencial |
30
db |
| Dormitorio
tranquilo de día |
25
db |
| Conversación
a tres metros |
45
db |
| Orquesta
de cuerda y viento |
60
db |
| Orquesta
de metales |
70
db |
| Despertador
a 40 cm |
80
db |
| Calle
ruidosa con mucho tráfico |
90
db |
| Fábrica
industrial ruidosa |
100
db |
| Umbral
del dolor |
120
db |
| Avión
a reacción a 200m |
140
db |
| Cohete
espacial a unos 3.000m |
200
db |
La tabla siguiente se refiere a la sensación subjetiva y el cambio
físico, objetivo que la provoca.
Sensación Subjetiva
Cambio Físico
Volumen Amplitud
Timbre Forma de onda (Contenido Armónico)
Tono Frecuencia.
EL SONIDO Y LAS ONDAS
Una onda es una perturbación que avanza o que se propaga en un
medio material o incluso en el vacío. A pesar de la naturaleza
diversa de las perturbaciones que pueden originarlas, todas las ondas
tienen un comportamiento semejante. El sonido es un tipo de onda que se
propaga únicamente en presencia de un medio que haga de soporte
de la perturbación. Los conceptos generales sobre ondas sirven
para describir el sonido, pero, inversamente, los fenómenos sonoros
permiten comprender mejor algunas de las características del comportamiento
ondulatorio.
LA NATURALEZA DEL SONIDO
Las ondas sonoras constituyen un tipo de ondas mecánicas que tienen
la virtud de estimular el oído humano y generar la sensación
sonora. En el estudio del sonido se deben distinguir los aspectos físicos
de los aspectos fisiológicos relacionados con la audición.
Desde un punto de vista físico el sonido comparte todas las propiedades
características del comportamiento ondulatorio, por lo que puede
ser descrito utilizando los conceptos sobre ondas. A su vez el estudio
del sonido sirve para mejorar la comprensión de algunos fenómenos
típicos de las ondas. Desde un punto de vista fisiológico
sólo existe sonido cuando un oído es capaz de percibirlo.
El sonido y su propagación
Las ondas que se propagan a lo largo de un muelle como consecuencia de
una compresión longitudinal del mismo constituyen un modelo de
ondas mecánicas que se asemeja bastante a la forma en la que el
sonido se genera y se propaga. Las ondas sonoras se producen también
como consecuencia de una compresión del medio a lo largo de la
dirección de propagación. Son, por tanto, ondas longitudinales.
Si un globo se conecta a un pistón capaz de realizar un movimiento
alternativo mediante el cual inyecta aire al globo y lo toma de nuevo,
aquél sufrirá una secuencia de operaciones de inflado y
desinflado, con lo cual la presión del aire contenido dentro del
globo aumentará y disminuirá sucesivamente. Esta serie de
compresiones y encarecimientos alternativos llevan consigo una aportación
de energía, a intervalos, del foco al medio y generan ondas sonoras.
La campana de un timbre vibra al ser golpeada por su correspondiente martillo,
lo que da lugar a compresiones sucesivas del medio que la rodea, las cuales
se propagan en forma de ondas . Un diapasón, la cuerda de una guitarra
o la de un violín producen sonido según un mecanismo análogo.
En todo tipo de ondas mecánicas el medio juega un papel esencial
en la propagación de la perturbación, hasta el punto de
que en ausencia de medio material, la vibración, al no tener por
donde propasarse, no da lugar a la formación de la onda correspondiente.
La velocidad de propagación del sonido depende de las características
del medio. En el caso de medios gaseosos, como el aire, las vibraciones
son transmitidas de un punto a otro a través de choques entre las
partículas que constituyen el gas, de ahí que cuanto mayor
sea la densidad de éste, mayor será la velocidad de la onda
sonota correspondiente. En los medios sólidos son las fuerzas que
unen entre sí las partículas constitutivas del cuerpo las
que se encargan de propagar la perturbación de un punto a otro.
Este procedimiento más directo explica que la velocidad del sonido
sea mayor en los sólidos que en los gases.
Sonido físico y sensación sonora
No todas las ondas sonoras pueden ser percibidas por el oído humano,
el cual es sensible únicamente a aquellas cuya frecuencia está
comprendida entre los 20 y los 20 000 Hz. En el aire dichos valores extremos
corresponden a longitudes de onda que van desde 16 metros hasta 1,6 centímetros
respectivamente. En general se trata de ondas de pequeña amplitud.
Cuando una onda sonora de tales características alcanza la membrana
sensible del tímpano, produce en él vibraciones que son
transmitidas por la cadena de huesecillos hasta la base de otra membrana
situada en la llamada ventana oval, ventana localizada en la cóclea
o caracol. El hecho de que la ventana oval sea de 20 a 30 veces más
pequeña que el tímpano da lugar a una amplificación
que llega a aumentar entre 40 y 90 veces la presión de la onda
que alcanza al tímpano. Esta onda de presión se propaga
dentro del caracol a través de un líquido viscoso hasta
alcanzar otra membrana conectada a un sistema de fibras fijas por sus
extremos a modo de cuerdas de arpa, cuyas deformaciones elásticas
estimulan las terminaciones de los nervios auditivos. Las señales
de naturaleza eléctrica generadas de este modo son enviadas al
cerebro y se convierten en sensación sonora. Mediante este proceso
el sonido físico es convertido en sonido fisiológico.
CUALIDADES DEL SONIDO
El oído es capaz de distinguir unos sonidos de otros porque es
sensible a las diferencias que puedan existir entre ellos en lo que concierne
a alguna de las tres cualidades que caracterizan todo sonido y que son
la intensidad, el tono y el timbre. Aun cuando todas ellas se refieren
al sonido fisiológico, están relacionadas con diferentes
propiedades de las ondas sonoras.
Intensidad
La intensidad del sonido percibido, o propiedad que hace que éste
se capte como fuerte o como débil, está relacionada con
la intensidad de la onda sonora correspondiente, también llamada
intensidad acústica. La intensidad acústica es una magnitud
que da idea de la cantidad de energía que está fluyendo
por el medio como consecuencia de la propagación de la onda.
Se define como la energía que atraviesa por segundo una superficie
unidad dispuesta perpendicularmente a la dirección de propagación.
Equivale a una potencia por unidad de superficie y se expresa en W/m2.
La intensidad de una onda sonora es proporcional al cuadrado de su frecuencia
y al cuadrado de su amplitud y disminuye con la distancia al foco.
La magnitud de la sensación sonora depende de la intensidad acústica,
pero también depende de la sensibilidad del oído. El intervalo
de intensidades acústicas que va desde el umbral de audibilidad,
o valor mínimo perceptible, hasta el umbral del dolor es muy amplio,
estando ambos valores límite en una relación del orden de
1014
Debido a la extensión de este intervalo de audibilidad, para expresar
intensidades sonoras se emplea una escala cuyas divisiones son potencias
de diez y cuya unidad de medida es el decibelio (dB). Ello significa que
una intensidad acústica de 10 decibelios corresponde a una energía
diez veces mayor que una intensidad de cero decibelios; una intensidad
de 20 dB representa una energía 100 veces mayor que la que corresponde
a 0 decibelios y así sucesivamente.
Otro de los factores de los que depende la intensidad del sonido percibido
es la frecuencia. Ello significa que para una frecuencia dada un aumento
de intensidad acústica da lugar a un aumento del nivel de sensación
sonora, pero intensidades acústicas iguales a diferentes frecuencias
pueden dar lugar a sensaciones distintas.
Tono
El tono es la cualidad del sonido mediante la cual el oído le asigna
un lugar en la escala musical, permitiendo, por tanto, distinguir entre
los graves y los agudos. La magnitud física que está asociada
al tono es la frecuencia. Los sonidos percibidos como graves corresponden
a frecuencias bajas, mientras que los agudos son debidos a frecuencias
altas. Así el sonido más grave de una guitarra corresponde
a una frecuencia de 82,4 Hz y el más agudo a 698,5 hertzs.
Junto con la frecuencia, en la percepción sonora del tono intervienen
otros factores de carácter psicológico. Así sucede
por lo general que al elevar la intensidad se eleva el tono percibido
para frecuencias altas y se baja para las frecuencias bajas. Entre frecuencias
comprendidas entre 1 000 y 3 000 Hz el tono es relativamente independiente
de la intensidad.
Timbre
El timbre es la cualidad del sonido que permite distinguir sonidos procedentes
de diferentes instrumentos, aun cuando posean igual tono e intensidad.
Debido a esta misma cualidad es posible reconocer a una persona por su
voz, que resulta característica de cada individuo.
El timbre está relacionado con la complejidad de las ondas sonoras
que llegan al oído. Pocas veces las ondas sonoras corresponden
a sonidos puros, sólo los diapasones generan este tipo de sonidos,
que son debidos a una sola frecuencia y representados por una onda armónica.
Los instrumentos musicales, por el contrario, dan lugar a un sonido más
rico que resulta de vibraciones complejas. Cada vibración compleja
puede considerarse compuesta por una serie de vibraciones armónico
simples de una frecuencia y de una amplitud determinadas, cada una de
las cuales, si se considerara separadamente, daría lugar a un sonido
puro. Esta mezcla de tonos parciales es característica de cada
instrumento y define su timbre. Debido a la analogía existente
entre el mundo de la luz y el del sonido, al timbre se le denomina también
color del tono.
FENÓMENOS ONDULATORIOS
Las propiedades de las ondas se manifiestan a través de una serie
de fenómenos que constituyen lo esencial del comportamiento ondulatorio.
Así, las ondas rebotan ante una barrera, cambian de dirección
cuando pasan de un medio a otro, suman sus efectos de una forma muy especial
y pueden salvar obstáculos o bordear las esquinas.
El estudio de los fenómenos ondulatorios supone la utilización
de conceptos tales como periodo, frecuencia, longitud de onda y amplitud,
y junto a ellos el de frente de onda, el cual es característico
de las ondas bi y tridimensionales.
Se denomina frente de ondas al lugar geométrico de los puntos del
medio que son alcanzados en un mismo instante por la perturbación.
Las ondas que se producen en la superficie de un lago, como consecuencia
de una vibración producida en uno de sus puntos, poseen frentes
de onda circulares. Cada uno de esos frentes se corresponden con un conjunto
de puntos del medio que están en el mismo estado de vibración,
es decir a igual altura. Debido a que las propiedades del medio, tales
como densidad o elasticidad, son las mismas en todas las direcciones,
la perturbación avanza desde el foco a igual velocidad a lo largo
de cada una de ellas, lo que explica la forma circular y, por tanto, equidistante
del foco, de esa línea que contiene a los puntos que se encuentran
en el mismo estado de vibración.
Las ondas tridimensionales, como las producidas por un globo esférico
que se infla y desinfla alternativamente, poseen frentes de ondas esféricos
si el foco es puntual y si el medio, como en el caso anterior, es homogéneo.
Reflexión y refracción de las
ondas
Cuando una onda alcanza la superficie de separación de dos medios
de distinta naturaleza se producen, en general, dos nuevas ondas, una
que retrocede hacia el medio de partida y otra que atraviesa la superficie
límite y se propaga en el segundo medio. El primer fenómeno
se denomina reflexión y el segundo recibe el nombre de refracción.
En las ondas monodimensionales como las producidas por la compresión
de un muelle, la reflexión lleva consigo una inversión del
sentido del movimiento ondulatorio. En las ondas bi o tridimensionales
la inversión total se produce únicamente cuando la incidencia
es normal, es decir, cuando la dirección,en la que avanza la perturbación
es perpendicular a la superficie reflectante. Si la incidencia es oblicua
se produce una especie de rebote, de modo que el movimiento ondulatorio
reflejado cambia de dirección, pero conservando el valor del ángulo
que forma con la superficie límite.
En el caso de las ondas sonoras, la reflexión en una pared explica
el fenómeno del eco. Si la distancia a la pared es suficiente,
es posible oír la propia voz reflejada porque el tiempo que emplea
el sonido en ir y volver permite separar la percepción de la onda
incidente de la reflejada. El oído humano sólo es capaz
de percibir dos sonidos como separados si distan uno respecto del otro
más de 0,1 segundos, de ahí que para que pueda percibiese
el eco la superficie reflectiva debe estar separada del observador 17
metros por lo menos, cantidad que corresponde a la mitad de la distancia
que recorre el sonido en el aire en ese intervalo de tiempo (17 m = 340
m/s • 0,1 s/2).
En los espacios cerrados, como las salas, el sonido una vez generado se
refleja sucesivas veces en las paredes, dando lugar a una prolongación
por algunos instantes del sonido original. Este fenómeno se denomina
reverberación y empeora las condiciones acústicas de una
sala, puesto que hace que los sonidos anteriores se entremezclen con los
posteriores. Su eliminación se logra recubriendo las paredes de
materiales, como corcho o moqueta, que absorben las ondas sonoras e impiden
la reflexión.
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.
La difracción
Las ondas son capaces de traspasar orificios y bordear obstáculos
interpuestos en su camino. Esta propiedad característica del comportamiento
ondulatorio puede ser explicada como consecuencia del principio de Huygens
y del fenómeno de interferencias.
Así, cuando una fuente de ondas alcanza una placa con un orificio
o rendija central, cada punto de la porción del frente de ondas
limitado por la rendija se convierte en foco emisor de ondas secundarias
todas de idéntica frecuencia. Los focos secundarios que corresponden
a los extremos de la abertura generan ondas que son las responsables de
que el haz se abra tras la rendija y bordee sus esquinas. En los puntos
intermedios se producen superposiciones de las ondas secundarias que dan
lugar a zonas de intensidad máxima y de intensidad mínima
típicas de los fenómenos de interferencias.
Ambos fenómenos que caracterizan la difracción de las ondas
dependen de la relación existente entre el tamaño de la
rendija o del obstáculo y la longitud de onda. Así, una
rendija cuya anchura sea del orden de la longitud de la onda considerada,
será completamente bordeada por la onda incidente y, además,
el patrón de interferencias se reducirá a una zona de máxima
amplitud idéntica a un foco. Es como si mediante este procedimiento
se hubiera seleccionado uno de los focos secundarios descritos por Huygens
en el principio que lleva su nombre.
Entradas
