Significado de sonido Definición, características, reflexión, refracción e interferencia
Licenciada en Física
Definición formal
El sonido es la propagación de una perturbación a través de un medio material. Esta perturbación proviene de la vibración de un cuerpo, como por ejemplo la cuerda de un violín, un diapasón, las cuerdas vocales o la membrana de un altavoz.
La perturbación, llevando consigo energía, se transporta por el medio como una onda sonora y al llegar al oído es recibida por el tímpano, tras lo cual el sistema nervioso se encarga de guiarla hacia al cerebro y este la interpreta como un sonido con determinadas cualidades.
El sonido se considera una onda mecánica, porque necesita de un medio material para propagarse, y a la vez una onda longitudinal, por la forma en que la perturbación viaja por el medio, expandiéndolo y comprimiéndolo alternativamente. Por este último motivo, también se le llama una onda de presión, ya que produce cambios en la presión del medio.
Es muy importante destacar que las partículas del medio no se desplazan con la onda, sino que vibran, es decir, se alejan un poco de su posición de equilibrio y luego regresan a ella. Cuando se mueven, transmiten la vibración a las partículas vecinas y de esta manera la energía se propaga.
Características que rigen el sonido: Frecuencia, intensidad, timbre, velocidad
El sonido se produce en un medio material elástico, por ello que el vacío es completamente silencioso, ya que no contiene moléculas que puedan vibrar y facilitar así el desplazamiento de la perturbación sonora. El aire en cambio, es un medio más apropiado.
Los diferentes tonos, alturas y matices que se escuchan, es la forma en que el cerebro interpreta diversas cualidades de la onda, como la frecuencia y la intensidad, entre otras.
Frecuencia
La frecuencia es la cantidad de vibraciones por unidad de tiempo, que habitualmente se mide en ciclos por segundo o hertz (Hz). El rango auditivo del ser humano está entre 20 y 20.000 Hz, el cual suele estrecharse con el paso del tiempo, sobre todo en la zona de las frecuencias más altas. A este conjunto de valores se le conoce como espectro audible y difiere en cada especie.
Las personas interpretan subjetivamente la frecuencia como la altura, es decir, si es un sonido agudo o grave. Las voces infantiles, una flauta o un violín producen sonidos agudos, de mayor altura o alta frecuencia, mientras que los contrabajos y las tubas emiten sonidos de baja altura, graves y de baja frecuencia.
Factor y ecuación de intensidad
Los susurros y el sonido de las hojas arrastradas por el viento tienen baja intensidad, mientras que un martillo neumático o un concierto de rock son intensos. La diferencia se debe a que algunos transportan más y otros menos energía.
La onda sonora puede modelarse en primera instancia mediante una onda senoidal, que es una curva con colinas y valles separados por distancias regulares. La amplitud de la onda es la altura respecto a la línea de equilibrio y cuanto mayor sea la amplitud, más intenso es el sonido. De hecho, la intensidad del sonido es proporcional al cuadrado de la amplitud de la onda.
Ahora bien, la perturbación sonora se propaga en todas direcciones alrededor de la fuente emisora, por lo que es adecuado definir su intensidad como la potencia por unidad de área perpendicular a la dirección de propagación. La potencia a su vez es energía por unidad de tiempo.
Por lo tanto, si se coloca la fuente emisora en el centro de una esfera de radio r, el área atravesada por la energía será 4πr2. Llamando I a la intensidad y W a la potencia emitida, matemáticamente queda:
\(I=\frac{W}{4\pi {{r}^{2}}}\)
La unidad para la intensidad sonora es el watt/metro cuadrado o W/m2 y la menor intensidad que las personas pueden escuchar es de alrededor de 10-12 W/m2.
Diferencia marcada por el timbre
Aunque dos ondas sonoras tengan la misma intensidad y frecuencia, pueden sonar diferente. Esto se debe a que un sonido rara vez consiste de una sola frecuencia. Casi todos los sonidos están compuestos de una superposición de ondas de diferente frecuencia, donde una o dos sobresalen entre todas y esas transportan la mayor cantidad de energía.
Por eso se pueden distinguir fácilmente las mismas notas cuando provienen de instrumentos musicales diferentes, incluso los oídos bien entrenados pueden distinguir dos notas idénticas, pero tocadas por pianos o violines de distinta calidad.
Efectos y ecuación de la velocidad
Este factor depende de dos cualidades del medio de propagación: elasticidad e inercia. Se expresa matemáticamente de la siguiente forma:
\(v=\sqrt{\frac{Elasticidad}{Inercia}}\)
Cuanto más elástico el medio, más rápido se propaga la onda, y por el contrario, cuanto mayor sea la inercia de las partículas que lo componen (la densidad del material), más lento viaja la onda. Una medida de la elasticidad de una sustancia como el aire es su módulo de compresibilidad. Si a este se le llama B y a la densidad ρ, la velocidad del sonido se calcula mediante:
\(v=\sqrt{\frac{B}{\rho }}\)
En el aire, esta velocidad resulta ser de unos 343 m/s, aunque factores como la temperatura y la altitud pueden modificarlo.
Reflexión y refracción
El sonido, como toda onda, puede experimentar reflexión cuando pasa de un medio a otro. Una parte de la energía pasa al segundo medio y otra se refleja. El eco.
Al pasar al segundo medio, las ondas sonoras también pueden sufrir desviación, del mismo modo que la luz lo hace cuando pasa del aire al agua y viceversa. Esto se debe a que la rapidez de la onda cambia según el medio. Incluso en un mismo medio, tal como el aire, puede haber regiones donde la densidad sea diferente.
Por ejemplo, si hace mucho calor, el aire puede estar más caliente cerca del suelo y al estar menos denso, aumenta la velocidad del sonido allí, pero en regiones más frías y densas, la velocidad disminuye.
Interferencia en el sonido
Dos o más ondas pueden coincidir en un mismo punto del espacio y luego seguir su camino como si nada. La onda resultante de la superposición puede tener una amplitud mayor o también puede tener amplitud nula, según si las ondas están en fase o no lo están (están en fase si coinciden sus máximos y mínimos, de lo contrario están desfasadas).
Si se superponen dos ondas de idéntica amplitud y frecuencia que estén en fase, se obtiene una onda resultante con amplitud doble, y se tendría un sonido más intenso. Esto se llama interferencia constructiva.
En cambio, si las ondas están desfasadas, el máximo de una coincide con el mínimo de la otra y se anulan mutuamente, se dice entonces que la interferencia es destructiva.
Ubicándose a la misma distancia de dos altavoces idénticos, se puede experimentar interferencia constructiva y escuchar un sonido de amplitud aumentada.
Ahora, caminando despacio en línea recta, se llega un punto en que la intensidad del sonido disminuye en cierta medida, pero la diferencia puede ser notable en algunos casos. Ocurre, debido a que, en determinados lugares, las compresiones producidas en el aire por uno de los parlantes, se superponen con la expansión del otro. Rara vez se produce la anulación total del sonido, porque para ello las ondas tendrían que ser idénticas en amplitud y frecuencia, pero sí se experimenta una disminución en la intensidad.
Trabajo publicado en: Ene., 2021.
