Propagación del sonido: qué es, velocidad, medios, experimentos
¿Qué es la propagación del sonido?
La propagación del sonido ocurre siempre en un medio material, ya que el sonido es una onda longitudinal que comprime y expande alternativamente las moléculas del medio. Se puede propagar por el aire, líquidos y sólidos.
El aire es el medio más común para que el sonido se propague. La vibración producida por una fuente sonora como la voz o una bocina, se transmite a su vez en todas las direcciones hasta las moléculas de aire circundante y estas a sus vecinas.
Esta perturbación causa variaciones de presión en el aire, creando ondas de presión. Dichas variaciones se van propagando y cuando llegan al tímpano, este comienza a vibrar y se produce la señal auditiva.
Las ondas transportan energía a la misma velocidad que lleva la perturbación. En el aire por ejemplo, el sonido se propaga a razón de unos 343.2 m/s en condiciones normales de temperatura y presión, siendo esta velocidad una característica del medio, como veremos más adelante.
¿Cómo ocurre la propagación del sonido?
La propagación del sonido ocurre básicamente de dos maneras, la primera es el sonido que proviene directamente de la fuente que lo origina. La segunda es a través de las ondas sonoras que se reflejan en obstáculos como las paredes de las habitaciones, dando lugar a un campo sonoro de reverberación.
Estas reflexiones de las ondas sonoras pueden ocurrir muchísimas veces y lo que se interpreta como sonido es la presión acústica resultante del campo sonoro directo y el campo reverberante.
En este proceso, las ondas sonoras van cediendo su energía al medio y atenuándose con la distancia hasta desaparecer.
Velocidad de propagación del sonido
La velocidad con la que se propaga el sonido en los distintos medios depende de sus propiedades. Las más relevantes son la densidad, la elasticidad, la humedad, la salinidad y la temperatura. Cuando estas cambian, la velocidad del sonido también.
La densidad del medio es una medida de la inercia del mismo, la cual supone una resistencia al paso de la onda de presión. Un material muy denso en principio se opone al paso del sonido.
Por su parte, la elasticidad indica qué tan fácil es que el medio recupere sus propiedades una vez que es perturbado. En un medio elástico, las ondas sonoras se trasladan más fácilmente que por un medio rígido, porque las moléculas están más dispuestas a vibrar una y otra vez.
Existe una magnitud física llamada módulo de compresibilidad para describir qué tan elástico es un medio.
Ecuación para la velocidad del sonido
En general, el sonido se propaga en un medio con una velocidad dada por:
Donde la propiedad elástica es el módulo de compresibilidad B y la propiedad y es la densidad ρ:
Finalmente la temperatura es otro factor importante cuando el sonido se propaga a través de un gas como el aire, que es el medio a través del cual se propaga la mayor parte de las ondas sonoras. Cuando se considera el modelo de gas ideal, el cociente B/ρ depende únicamente de la temperatura T del mismo.
De esta manera la velocidad del sonido en el aire a 0ºC es de 331 m/s, mientras que a 20 ºC su valor es 343 m/s. La diferencia se explica porque cuando aumenta la temperatura, el estado vibracional de las moléculas de aire se eleva también, facilitando el paso de la perturbación.
Medios de propagación
El sonido es una onda mecánica que necesita un medio material para propagarse. Por lo tanto no hay forma de que el sonido se transmita en el vacío, a diferencia de las ondas electromagnéticas que sí pueden hacerlo sin mayor problema.
Aire
El aire es el entorno más común para la transmisión sonora, así como en otros gases. Las perturbaciones se transmiten mediante choques entre las moléculas gaseosas, de tal manera que cuanto mayor sea la densidad del gas, más rápidamente viaja el sonido.
Como hemos dicho antes, la temperatura influye en la propagación del sonido en los gases, ya que cuando esta es mayor, las colisiones entre las moléculas son más frecuentes.
En el aire, la dependencia de la velocidad del sonido v con la temperatura T en kelvin viene dada por:
Muchas veces la temperatura no se distribuye de manera homogénea en un lugar, por ejemplo una sala de conciertos. El aire más caliente está más cerca del piso, mientras que por encima de la audiencia puede estar hasta unos 5 º C más frío, lo cual afecta la propagación del sonido en el recinto, ya que el sonido se mueve más rápido en las zonas más calientes.
Líquidos y sólidos
En los líquidos el sonido viaja más rápido que en los gases, y en los sólidos aún más. Por ejemplo, en agua dulce y agua salada, ambas a una temperatura de 25 ºC, la velocidad del sonido es, respectivamente, 1493 m/s y 1533 m/s, unas cuatro veces más que en el aire, aproximadamente.
Es fácil comprobarlo metiendo la cabeza en el agua, entonces el ruido de los motores de las embarcaciones se oye mucho mejor que en el aire.
Pero en materiales sólidos como el acero y el vidrio, el sonido puede alcanzar hasta 5920 m/s, por lo tanto estos conducen mucho mejor el sonido.
Experimentos sencillos de propagación del sonido
Experimento 1
Las ondas sonoras interfieren constructiva o destructivamente, en otras palabras, se superponen. Se puede experimentar fácilmente este efecto mediante un experimento sencillo:
Materiales
-1 par de altavoces como los que usan en las computadoras de escritorio.
-Teléfono celular que tenga una aplicación de generador de ondas instalada.
-Cinta métrica
Procedimiento
El experimento se lleva a cabo en una habitación amplia y despejada. Los altavoces se colocan uno al lado del otro, con una separación de 80 cm e idéntica orientación.
Ahora se conectan los altavoces al teléfono y se encienden ambos con igual volumen. En el generador se selecciona una frecuencia determinada, como por ejemplo 1000 Hz.
Después hay que moverse a lo largo de la línea que une a los altavoces, pero manteniendo una separación de unos 3 m. Enseguida se nota que en algunos puntos la intensidad del sonido aumenta (interferencia constructiva) en algunos puntos y en otros decrece (interferencia destructiva).
También se observa que al pararse en el punto equidistante de los parlantes, este siempre es un lugar de interferencia constructiva.
Experimento 2
Esta experiencia, que requiere de la participación de dos personas, sirve para comprobar que los objetos tienen frecuencias características.
Materiales
2 botellas vacías idénticas.
Procedimiento
Los participantes deben mantener sus botellas en posición y vertical y estar separados una distancia de aproximadamente 2 m. Una de las personas sopla por la boca de la botella, haciendo incidir el chorro de aire oblicuamente, la otra persona sujeta verticalmente su botella junto al oído.
La persona que escucha inmediatamente nota que el sonido parece venir desde su propia botella, aunque el sonido original se produce en la botella que sopla la otra persona. A este fenómeno se le denomina resonancia.
La experiencia se puede repetir si se llena con agua hasta la mitad la botella de la persona que sopla. En este caso también se registra el sonido, pero más agudo.
Referencias
- Conceptos básicos del ruido ambiental. Recuperado de: sicaweb.cedex.es.
- Chile Científico. Propagación del sonido. Recuperado de: fisic.ch.
- Del Mazo, A. Oír y ver: 61 Experimentos de acústica y óptica. Ediciones de la Universidad de Murcia.
- Ramón, F. Sonido, temperatura y humedad. Recuperado de: equaphon-university.net.
- Sears, Zemansky. 2016. University Physics with Modern Physics. 14th. Ed. Volumen 1. Pearson.
- Sintec. Propagación del sonido. Recuperado de: acdacustics.com.