Sonido: Generalidades

¿Qué es el sonido?

Una onda sonora es propagación gradual de una perturbación caracterizada por una vibración de las moléculas del medio alrededor de sus posiciones de equilibrio (o estado de reposo). En efecto, a continuación de una perturbación, provocada en principio por una fuente mecánica, las moléculas experimentan pequeños cambios de presión (presión acústica). Las moléculas chocan entre ellas para transmitir la deformación (perturbación) sufriendo de esta forma micro-desplazamientos. Estas moléculas vuelven a su posición original cuando pasa la perturbación. El sonido es una propagación de energía en un medio material sin transporte de materia.

Una onda sonora es una sucesión de compresiones / dilataciones de las moléculas. En esta animación, se observa que las moléculas vibran alrededor de su posición de equilibrio y no se mueven mucho, solo unos pocos micrómetros.

Esta animación muestra el flotador (tapón) se mueve a merced de las perturbaciones (ondas), pero siempre vuelve a la posición primitiva. El mismo principio sirve para las ondas sonoras: cada molécula oscila alrededor de su posición de equilibrio.

Características generales

Con mucha frecuencia una onda de sonido es una onda mecánica longitudinal, pues las moléculas se mueven paralelas a la dirección de propagación de la onda. En los sólidos, puede haber también componentes transversales.

Además, cuando la onda sonora se transmite en un medio homogéneo, isotrópico y sin obstáculo, la onda de una fuente ideal se propagaría de forma idéntica en todas las direcciones, se le denomina esférica. Sin embargo, a una distancia significativa de la fuente, la onda sonora puede ser asimilada a una onda plana ya que el frente de la onda (conjunto de moléculas que oscilan en el mismo estado vibratorio) tiende a ser rectilínea. Como ejemplo para comparación, el planeta Tierra es redondo pero, sin embargo, a escala humana es plano.

Período

El período, que se marca como T, es el intervalo de tiempo que existe entre dos estados vibratorios idénticos sucesivos de un punto del medio en el que se propaga la onda.

This graph represents a wave’s sound pressure variation over a 1 second duration. The period is the time interval between two successive points with the same amplitude. For example, between the 3^rd and 4^th maximum, the period is 0.1 s.

Frecuencia

La frecuencia es el número de periodos por unidad de tiempo, lo que corresponde al inverso del período: f = 1 / T, donde f es la frecuencia en Hertz (Hz o s-1) y T es el periodo en segundos (s).

En el ejemplo escogido, la sinusoide tiene un período de 0,1 segundos. La frecuencia corresponde al número de períodos por segundo, es decir, el número de veces que se repita el patrón, es decir 10 veces. La frecuencia es, por tanto, de 10 Hz. Al aplicar la inversa del periodo se obtiene también este valor: f = 1/0, 1 = 10 Hz

Longitud de onda

La longitud de onda es la distancia que separa dos moléculas sucesivas en el mismo estado vibratorio (misma presión y velocidad acústica) o la distancia recorrida por la onda durante un período.

En el ejemplo elegido aquí, la longitud de onda está representada como la distancia que separa dos máximos de compresión (líneas gruesas sucesivas); en el instante t, cada molécula separada por la longitud está sometida a una presión y una velocidad acústica idénticas.

En un medio determinado, la frecuencia y la longitud de onda están relacionadas por la fórmula: λ = c / f = c * T ; en la que λ es la longitud de onda en metros (m), c la velocidad de propagación de la onda en metros por segundo (ms-1), f es la frecuencia (Hz) y T es el período (s). Para una sinusoide de frecuencia de 10 Hz y una velocidad de propagación de la onda igual a 340 ms-1, la longitud de onda es de 34 metros.

Cuanto mayor es la longitud de onda, más se reduce la frecuencia. A la inversa, cuanto menor es la longitud mayor es la frecuencia.

Potencia sonora

Expresada en vatios, la potencia sonora es la energía suministrada por una fuente de sonido durante un intervalo de tiempo determinado. Se puede definir por la fórmula: P = E / At ;  donde P es la potencia acústica en vatios (W), E es la energía acústica en julios (J), y At es un intervalo de tiempo (s). Esta variable solo depende de las características de la fuente.

Atención, no tiene nada que ver con la potencia eléctrica de un sistema sonoro (por ejemplo de unos altavoces), que es a veces varias decenas de vatios. La potencia eléctrica permitirá que se genere una energía acústica.

La intensidad del sonido (o densidad de potencia)

Expresada en vatios por metro cuadrado (Wm-2), la intensidad acústica corresponde a la energía acústica que pasa en un segundo por una unidad de superficie perpendicular a las ondas sonoras. En el caso de una fuente de ondas esféricas, está relacionada con la potencia mediante la fórmula: I = W / (4 * π * r ²), donde I es la intensidad acústica (Wm-2), W es la potencia acústica (W) y r es la distancia r entre la fuente del sonido y un punto de medida (m). Por lo tanto, la intensidad no solo depende de las características de la fuente a partir de la potencia sino también de la distancia entre la fuente y el punto en el que se hace la medida.

Si la distancia entre el punto de medida y la fuente se duplica la intensidad se dividirá por cuatro.

Presión sonora

La presión p es la tensión aplicadaa la superficie de un cuerpo. Corresponde a la fuerza por unidad de área. En reposo, las moléculas están sometidas a la presión atmosférica. Cuando el medio es alterado, el movimiento de las moléculas provoca variaciones locales de la presión, que es la presión acústica. La presión y la intensidad del sonido están relacionadas por la fórmula: I = p ² / (ρ * c), en donde I es la intensidad (Wm-2), p es la presión acústica en un punto expresada en Pascal (Pa), ρ es la densidad del medio (kg.m-3), c la velocidad de propagación de la onda (ms-1).

Cuando la presión se duplica la intensidad acústica queda multiplicada por 4.

Duración

Depende del tiempo durante el cual se perturba el medio. La unidad usada es el segundo (s).

Influencia del medio sobre el sonido

Velocidad de propagación de la onda: la velocidad del sonido

Las reacciones de un fluido (medio) sometido a presiones y dilataciones dependen directamente del estado del fluido y de sus propiedades elásticas. La onda acústica se propaga así a diferentes velocidades en función de determinadas características intrínsecas del medio que atraviesa: la compresibilidad (es decir, la capacidad de volver a una forma original tras la deformación), y la densidad. Estos dos componentes están influenciados por varios parámetros tales como la temperatura, la presión y los cambios del medio. Además, estos dos componentes tendrán menor importancia cuanto mayor sea la velocidad de propagación de la onda (celeridad). La densidad, por ejemplo, se ve influida por la temperatura, la presión y los eventuales cambios del medio.

¿Cómo se produce el paso de onda en el medio aéreo?

Temperatura

En el aire, la velocidad del sonido se puede aproximar por la fórmula: c = (0,607 * 331,35 + q), en donde c es la velocidad del sonido en el aire (ms-1) y q es la temperatura en grados Celsius. Cuanto mayor sea la temperatura mayor será la velocidad de propagación.

En efecto, cuanto mayor es la temperatura más se reduce la densidad disminuye porque para una masa dada, el aire ocupa mayor volumen. Por ejemplo, a 0 ° C, la densidad del aire es de 1,293 kg.m-3 y a 20 ° C de 1,204 kg.m-3.

Presión

Para una temperatura dada, la presión a la que está sometido el aire sujeto cambia su densidad. A menor presión, menos importante es la densidad porque el aire se expande. Por extensión, la velocidad del sonido aumenta.

Modificaciones del medio

Para una presión y una temperatura dadas, el vapor de agua contenido en el aire modifica la densidad del aire. Cuanto menos importante sea la humedad relativa, menor importancia tendrá la densidad del aire. De manera que el sonido se propaga más deprisa en el aire seco que en el húmedo.

¿Cómo se produce el paso de onda en otros medios?

Para una temperatura de 20 ° C, una presión de 1013 hPa y humedad relativa nula, la velocidad de propagación de la onda sonora en el aire estaría entorno a 343m.s-1.

En un medio como agua, a una temperatura ambiente de 20 ° C, una onda sonora se propaga a 1500 ms-1 y velocidades aún mayores en materiales más densos (3500 ms-1 en el hueso y hasta 'a 6000 ms-1 en el acero!). En efecto, aunque estos materiales tienen una densidad mucho mayor que el aire, su coeficiente de compresibilidad es muy bajo. Por lo tanto, la onda sonora se propaga en ellos muy rápidamente.

En el vacío, que no contiene materia, no se puede propagar ninguna onda sonora (el medio de propagación debe estar constituido por materia), al contrario de las ondas electromagnéticas que pueden propagarse en estas condiciones.

Ejemplo: si pones una fuente de sonido bajo una campana, se oye el sonido. Sin embargo, si se hace el vacío debajo de la campana, el sonido desaparece porque ya no hay moléculas de aire.

La impedancia acústica

Cada medio se caracteriza por una resistencia al paso del sonido que se denomina impedancia acústica. En el caso general, es la relación entre presión acústica en un punto dado y la velocidad de vibración de las moléculas en ese punto (atención: no es la velocidad del sonido).

En el caso de una onda plana, es posible estimar un valor de la impedancia por la fórmula: ρ = Z o Z * c es la impedancia acústica característica del medio (kg.m-2.s-1 ), la ρ densidad del medio (kg.m-3) y c es la velocidad del sonido (ms-1)

Por lo tanto, la impedancia del aire es de unos 444 kg. m-2.s-1 y la del agua de 1,5 * 106 kg. m-2.s-1 es decir que hay una proporción de 3,4 * 10 ^ 3. Este concepto es importante para la comprensión de la respuesta de una onda de sonido que se propaga un medio de aire a un medio líquido. La onda cuando entra en contacto con un medio de impedancia alta provoca que una parte importante de la onda sea reflejada.

Estas características de impedancia se utilizan en diversos campos: la oceanografía (sonar), imágenes médicas, o de los edificios para evaluar, por ejemplo, la calidad del hormigón por estimación de la concentración de burbujas de aire que contiene. También se puede facilitar el paso de una onda de un medio a otro ajustando sus impedancias, es lo que hace nuestro oído (véase en este sitio: Funcionamiento del oído Operación).

Ejemplo de adaptación de impedancias: En ecografía, una sonda aplicada sobre la piel del paciente emite ultrasonidos. Sin embargo, incluso una fina capa de aire entre la sonda y la piel puede causar una importante atenuación de la señal. En efecto, las impedancias de aire y la piel son muy diferentes, la de piel es 10.000 veces mayor. El hecho de aplicar un gel a la piel tiene le ventaja de que impedancia es próxima a la de la piel. De esta forma se limita de una parte la presencia de aire y, por otra, se optimiza el paso de ultrasonidos.