Fundamentos de Ondas Sonoras: Intensidad, Reflexión, Refracción y Efecto Doppler

Intensidad Sonora

Cuando las ondas que se propagan por el aire tienen una frecuencia comprendida entre 16 Hz y 20000 Hz, al llegar al oído humano producen la sensación de sonido. Para que esto ocurra, la intensidad debe superar un cierto umbral de audición. La sensación sonora percibida crece mucho más despacio que la intensidad física de las ondas sonoras. Para medir esta sensación sonora utilizamos la escala decibélica.

Principio de Huygens

Todos los puntos de un frente de onda se convierten en centros emisores de ondas secundarias, y el nuevo frente de ondas es la envolvente de todas estas ondas secundarias.

Fenómenos Ondulatorios

Reflexión de Ondas

La reflexión de ondas consiste en el cambio de la dirección de propagación al incidir la onda en el límite de separación de dos medios diferentes; después de la reflexión, la onda continúa moviéndose por el mismo medio. La reflexión de ondas se rige por dos leyes:

1. El rayo incidente, la normal (línea perpendicular a la superficie de separación en el punto de incidencia) y el rayo reflejado están en el mismo plano.
2. El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión.

Refracción de Ondas

La refracción consiste en el cambio de dirección de propagación al pasar la onda de un medio a otro diferente (Ej.: paso del sonido del aire al agua). Las leyes de la refracción son:

1. El rayo incidente, la normal y el rayo refractado están en el mismo plano.
2. El ángulo de incidencia (θ₁) y el ángulo de refracción (θ₂) están relacionados con las velocidades de propagación en ambos medios (v₁ y v₂) según la Ley de Snell. El índice de refracción (n) de un medio para una onda específica (como la luz) se define como el cociente entre la velocidad de la onda en un medio de referencia (como el vacío para la luz, c) y la velocidad de la onda en el medio considerado (v): n = c/v.

Ángulo Límite y Reflexión Total

La aplicación de la segunda ley de la refracción nos permite introducir los conceptos de ángulo límite y reflexión total. Estos conceptos solo tienen sentido si la velocidad de propagación en el segundo medio (v₂) es mayor que en el primer medio (v₁): v₂ > v₁. El ángulo límite (i_lim) es el ángulo de incidencia para el cual el ángulo de refracción es de 90º. Para ángulos de incidencia superiores a i_lim, no hay refracción: el rayo incidente se refleja completamente, produciéndose el fenómeno conocido como reflexión total.

Cualidades del Sonido

Las cualidades que caracterizan a un sonido son la intensidad sonora (relacionada con la amplitud de la onda, percibida como volumen), el tono (relacionado con la frecuencia, percibido como agudo o grave) y el timbre (relacionado con la forma de la onda o la mezcla de armónicos, permite distinguir sonidos de igual intensidad y tono producidos por fuentes diferentes).

Efecto Doppler

Este efecto se produce con todo tipo de ondas cuando hay movimiento relativo entre la fuente emisora y el receptor. Se manifiesta como un cambio en la frecuencia percibida de la onda. Se produce tanto si la fuente sonora se mueve y el observador está en reposo, como si el observador se mueve y la fuente está en reposo, o si ambos se mueven.

Para una fuente sonora inmóvil, los frentes de onda generados son esféricos, siendo la longitud de onda (λ) la distancia constante entre ellos. Cuando hay movimiento relativo, esta distancia aparente cambia para el observador, alterando la frecuencia percibida.

El Efecto Doppler también se aplica a ondas electromagnéticas, permitiendo medir el alejamiento o acercamiento de estrellas y galaxias (desplazamiento al rojo o al azul) y estudiar la expansión del universo.

Velocidad del Sonido

La velocidad del sonido no depende de las características de la onda sonora (intensidad y frecuencia), que dependen del foco emisor, sino de las propiedades del medio en que se propaga (como la temperatura, la densidad y la elasticidad).