Fundamentos de la Física del Sonido: Propagación, Cualidades y Fenómenos Ondulatorios

Conceptos Fundamentales del Sonido

Sonido

El sonido es una vibración que se propaga a través de un medio material.

Acústica

La Acústica es la ciencia que estudia los fenómenos sonoros.

Ruido

El ruido es un sonido inarticulado, sin ritmo, armonía y confuso, que no posee una frecuencia definida.

Propagación del Sonido

Todos los sonidos se producen por vibraciones de algún objeto o material. La mayoría se transmite por el aire, pero también pueden viajar a través de sólidos o líquidos. Las ondas sonoras son ondas longitudinales.

Rango de Audición y Velocidad de Propagación

El rango de audición humana se encuentra entre los 20 Hz y 20.000 Hz. Los sólidos y líquidos son generalmente mejores conductores del sonido que el aire.

La rapidez del sonido en el aire aumenta aproximadamente 0.6 m/s por cada grado Celsius que se incrementa la temperatura. En un material, la velocidad del sonido depende de su elasticidad (la capacidad de transformarse y volver a su estado original). Los átomos de un material elástico están relativamente juntos, lo que facilita la transmisión de energía con escasas pérdidas.

El Sonido y el Vacío

El sonido no se propaga en el vacío porque necesita un medio material para su propagación. Si no hay una sustancia que pueda comprimirse y expandirse, no hay sonido.

Velocidad del Sonido en Diferentes Medios

• Acero: Aproximadamente 5900 m/s
• Agua: Aproximadamente 1500 m/s
• Aire: Aproximadamente 343 m/s (a 20°C) y 331 m/s (a 0°C)

Las diferencias en la velocidad se deben a que esta varía según las características físicas y las propiedades del medio de propagación.

Infrasonidos y Ultrasonidos

• Infrasonidos: Frecuencias inferiores a 20 Hz.
• Ultrasonidos: Frecuencias superiores a 20.000 Hz.

Estas frecuencias no son percibidas por el oído humano, por lo que no se consideran fenómenos sonoros audibles para las personas.

Aplicaciones de los Ultrasonidos

• Medicina: Exploración y obtención de información sobre partes del cuerpo humano (ecografías).
• Control de Calidad: Evaluación de la calidad y textura de alimentos.
• Industria: Detección de oclusiones en piezas metálicas, remachado y soldadura de objetos de plástico poroso producidos en serie.

Ondas Longitudinales: Compresión y Rarefacción

Cuando las vibraciones se mueven en la misma dirección en que se propaga la perturbación (como en el aire), el medio ejerce presión sobre las capas vecinas. Esto da lugar a la formación de:

• Región de Compresión: Zona donde la presión y la densidad del medio tienen valores más altos que en la situación de equilibrio.
• Zona de Enrarecimiento (o Rarefacción): En el movimiento de regreso, se forma una zona donde la presión y la densidad tienen valores más bajos que en la situación de equilibrio.

Cualidades del Sonido

Las principales cualidades que nos permiten caracterizar un sonido son:

• Altura (o Tono): Determina si un sonido es agudo (mayor frecuencia) o grave (menor frecuencia). Se relaciona directamente con la frecuencia de la onda sonora.
• Intensidad (o Volumen): Depende de la amplitud de la onda, es decir, de la diferencia entre las presiones máximas y mínimas que puede alcanzar el medio en cada punto considerado. Se relaciona con la energía de la onda.
• Timbre: Permite distinguir la fuente o instrumento que está emitiendo el sonido, incluso si tienen la misma altura e intensidad. Se relaciona con la forma de la onda y la presencia de armónicos.

Fenómenos de la Onda Sonora

Las ondas sonoras, como otras ondas, exhiben varios fenómenos:

• Reflexión: Ocurre cuando una onda se encuentra con un obstáculo o una superficie de separación entre dos medios, reflejándose de forma parcial o total (ej. eco).
• Refracción: Sucede cuando una onda atraviesa distintos medios con propiedades diferentes, sufriendo un cambio en su velocidad de propagación y, a menudo, en su dirección.
• Difracción: Afecta la propagación del sonido cuando la onda incide sobre un obstáculo que impide parcialmente su avance. La onda puede rodear el obstáculo y seguir propagándose, emitiendo nuevas ondas desde los bordes.
• Interferencia Destructiva: Fenómeno en el que la amplitud de la onda resultante disminuye cuando dos o más ondas se superponen.
• Interferencia Constructiva: Fenómeno en el que la amplitud de la onda resultante aumenta cuando dos o más ondas se superponen.
• Resonancia: Es la tendencia de un sistema a oscilar con mayor amplitud en algunas frecuencias que en otras. Un objeto vibrante tiene una frecuencia natural que depende de sus características. Dos cuerpos entran en resonancia cuando sus frecuencias forzadas coinciden con sus frecuencias naturales.

Efecto Doppler

El Efecto Doppler se origina cuando existe un movimiento relativo entre la fuente sonora y el receptor. El resultado es una variación aparente de la altura (frecuencia) del sonido percibido por el receptor, en comparación con la frecuencia de las ondas que origina el emisor.

La relación fundamental de una onda es V = λ · f (Velocidad = Longitud de Onda · Frecuencia).

• Si la distancia entre la fuente y el receptor disminuye (se acercan), la frecuencia percibida aumenta, y el sonido se escucha más agudo.
• Si la distancia entre la fuente y el receptor aumenta (se alejan), la frecuencia percibida disminuye, y el sonido se escucha más grave.