Las ondas sonoras
| En esta parte, haremos un pequeño estudio de las características
físicas del sonido. Hablaremos del movimiento
ondulatorio en general, de las ondas sonoras y sus características
que son: la frecuencia, la
amplitud y la forma de onda. |
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El movimiento ondulatorio
El movimiento ondulatorio es el proceso por el cual se propaga energía
de un lugar a otro sin transferencia de materia, mediante ondas. Cuando
estas ondas necesitan un medio material, se llaman ondas mecánicas.
Si se produce una vibración en un punto de un medio elástico,
esta se transmite a todos los puntos de éste. Las ondas mecánicas
son las perturbaciones que se transmiten por este medio. Cuando el movimiento
es uniforme, se llama vibración armónica.
Cuando una partícula se mueve desde un punto extremo, hasta el
otro y vuelve (pasando dos veces por la posición de equilibrio),
decimos que ha hecho una oscilación o vibración completa.
Si no aplicamos ninguna fuerza exterior, la amplitud
de este movimiento va decreciendo progresivamente, pero a veces es posible
compensar esta pérdida de amplitud con impulsos de forma que cada
vibración sea idéntica a la precedente. En este caso decimos
que el movimiento es periódico y se llama período(
T ), al tiempo que tarda en tener lugar una vibración completa.
Se llama frecuencia ( f ) al número
de oscilaciones por unidad de tiempo. Por la propia definición,
el período es el inverso de la frecuencia: T = 1/f.
La frecuencia, juntamente con la velocidad de
propagación del sonido ( v ) está relacionada con
la longitud de onda ( l ), que es el espacio que recorre una onda
del inicio al final de una oscilación completa.
La longitud de onda se obtiene a partir de la fórmula: espacio=velocidad
· tiempo. Cuando hablamos de una vibración armónica,
longitud
de onda=velocidad de transmisión · período, es
decir:
La ecuación que relaciona v, l, y f es: v=l·f
.
La imagen de arriba corresponde a una onda de f=
4Hz. La función que dibujaría esta gráfica sería
g(t)=sin(2·
·4·t),
y el período T es igual a 1/f=1/4.
Cuando ha transcurrido un tiempo T, los puntos situados a distancia
l
del punto inicial, comienzan a iniciar el movimiento vibratorio, eso también
pasa con el punto perturbador, que había vuelto a su posición
de equilibrio. Decimos que estos dos puntos están en concordancia
de fase.
Según la dirección de propagación, clasificamos
las ondas en dos tipos:
-
Ondas longitudinales:
Donde la vibración de la onda es paralela a la dirección
de propagación de la propia onda. Estas ondas se deben a las sucesivas
compresiones y enrarecimientos del medio. De este tipo son las ondas sonoras.
-
Ondas transversales:
Donde la vibración es perpendicular a la dirección de la
onda. Por ejemplo, las ondas sobre la superficie del agua.
Cuando el medio de propagación está limitado (una cuerda
atada a los extremos, la columna de aire dentro de un tubo), la onda, cuando
llega a este límite, se refleja. Esta reflexión se combina
con la perturbación inicial dando lugar a lo que se llama onda estacionaria.
Estas ondas están caracterizadas por la aparición de puntos
en reposo (nodos) y puntos con amplitud vibratoria máxima (vientre).
En las cuerdas vibrantes y en los tubos
sonoros, se producen fenómenos de esta clase.
El Sonido
El sonido es el fenómeno físico que estimula el sentido del
oído. Un cuerpo solo puede emitir un sonido cuando vibra. Las vibraciones
son transmitidas mediante el aire en el tímpano, que vibra y comunica
estas vibraciones a través de un conjunto de pequeños huesos
en las ramificaciones del nervio auditivo.
El sonido no se transmite solo en el aire, sino en cualquier otro material,
sea gas, líquido o sólido, pero no se puede propagar en el
vacío.
La velocidad con que se propaga depende del material que sirve
como medio de transporte. Cualquier alteración de las propiedades
del material, como su temperatura, densidad, etc., hace variar la velocidad
de propagación.
Así, la velocidad del sonido en el aire seco a 0°C es de
331 m/s (medición de la Academia de Ciencias de París en
1882); por cada elevación de un grado de temperatura, la velocidad
del sonido en el aire aumenta en 0,62 m/s.
En el agua de mar a 8°C la velocidad del sonido es de 1435 m/s.
(mediciones de Colladon y Sturm en 1827). En los sólidos la velocidad
es del orden de los Km./s. Por ejemplo la velocidad en el acero es de 5
Km./s.
Cualquier sonido sencillo, como una nota musical, se puede describir
con tres características físicas: la frecuencia, la amplitud
y la forma de onda (o composición armónica). Vamos a ver
estas características.
La frecuencia
La frecuencia es el número de oscilaciones que una onda efectúa
en un determinado intervalo de tiempo. El número de ciclos por segundo
se llama hercio (Hz), y es la unidad con la cual se mide la frecuencia.
Desde el punto de vista musical, la frecuencia se relaciona con la
altura o tono de la nota musical a que corresponde. Cuanto más
grande es la frecuencia, más alto es el tono de una nota musical.
El sonido es más agudo.
Los humanos somos sensibles a las vibraciones con frecuencia comprendida
entre 16 Hz y 20.000 Hz. Por debajo de 16 Hz se llaman infrasonidos y por
encima, ultrasonidos. El margen auditivo de las personas varia según
la edad y otros factores. Los animales tienen un margen auditivo diferente,
así, es muy conocido el hecho que los perros pueden sentir frecuencias
mucho más altas, dentro del margen de los ultrasonidos.
Las notas producidas por el teclado de un piano tienen un rango de frecuencia
de 27 a 3.840 Hz, distribuidos en 7 octavas.
A cada nota musical, le corresponde una frecuencia determinada. La
afinación actual de los instrumentos se hace a partir de la
nota base LA4, a la cual corresponde una frecuencia de 440 Hz.
La amplitud
La amplitud es el grado de movimiento de las moléculas de aire en
una onda. Esta corresponde, en términos musicales, a aquello que
llamamos intensidad. Cuanto más
grande es la amplitud de la onda, más intensamente golpean las moléculas
en el tímpano y más fuerte es el sonido percibido.
La amplitud mínima para que un sonido sea percibido por una persona
se llama linde de audición. Cuando la amplitud aumenta, llega un
momento en que produce molestias en el tímpano, a eso se le llama
linde del dolor.
