Sonido: concepto, características, cómo se produce, tipos
¿Qué es el sonido?
El sonido se define como una perturbación que al propagarse en un medio como el aire, produce alternativamente compresiones y expansiones en él. Estos cambios en la presión y la densidad del aire llegan al oído y son interpretados por el cerebro como sensaciones auditivas.
Los sonidos acompañan a la vida desde sus inicios, formando parte de las herramientas que tienen los animales para comunicarse entre sí y con su entorno. Algunas personas aseguran que las plantas también escuchan, pero en todo caso podrían percibir las vibraciones del entorno aunque no dispongan de un aparato auditivo como los animales superiores.
Además de utilizar el sonido para comunicarse mediante el habla, las personas lo usan como expresión artística a través de la música. Todas las culturas, antiguas y recientes, poseen manifestaciones musicales de todo tipo, a través de las cuales cuentan sus historias, costumbres, creencias religiosas y sentimientos.
Características del sonido (propiedades)
En su forma más simple, una onda sonora puede ser descrita como una onda sinusoidal, propagándose en el tiempo y en el espacio, como la que se muestra inferior. Allí se observa que la onda es periódica, es decir, tiene una forma que se repite en el tiempo.
Al tratarse de una onda longitudinal, la dirección de propagación y la dirección en que se mueven las partículas del medio que está vibrando son las mismas.
Parámetros de la onda sonora
Los parámetros de una onda sonora son:
- Período T: es el tiempo que tarda en repetirse una fase de la onda. En el Sistema Internacional se mide en segundos.
- Ciclo: es la parte de la onda contenida dentro del período y abarca desde un punto hasta otro que tenga la misma altura y la misma pendiente. Puede ser de un valle al siguiente, desde una cresta a la siguiente o desde un punto cualquiera a otra que cumpla la especificación descrita.
- Longitud de onda λ: es la distancia que hay entre una cresta y otra de la onda, entre un valle y otro, o en general entre un punto y el siguiente con la misma altura y pendiente. Al ser una longitud se mide en metros, aunque otras unidades son más apropiadas según el tipo de onda.
- Frecuencia f: se define como el número de ciclos por unidad de tiempo. Su unidad es el Hertz (Hz).
- Amplitud A: corresponde a la altura máxima de la onda respecto al eje horizontal.
¿Cómo se produce y propaga el sonido?
El sonido se produce cuando se hace vibrar un objeto que esté inmerso en un medio material. A medida que se propaga la perturbación, se transmite energía a las moléculas del medio, que interactúan entre ellas, mediante expansiones y compresiones. Siempre se necesita de un medio material para la propagación del sonido, ya sea sólido, líquido o gas.
Cuando la perturbación en el aire alcanza el oído, las variaciones en la presión del aire hacen que el tímpano vibre. Esto da lugar a impulsos eléctricos que son transmitidos al cerebro mediante el nervio auditivo, y una vez allí los impulsos se traducen en sonido.
La velocidad del sonido
La velocidad de las ondas mecánicas en un medio dado sigue esta relación:
Por ejemplo cuando se propaga en un gas como el aire, la velocidad del sonido se puede calcular como:
Al aumentar la temperatura también lo hace la velocidad del sonido, pues las moléculas del medio están más dispuestas a vibrar y a transmitir la vibración a través de sus movimientos. La presión en cambio, no afecta su valor.
Relación entre longitud de onda y frecuencia
Ya hemos visto que el tiempo que tarda la onda en completar un ciclo es el período, mientras que la distancia recorrida en dicho lapso de tiempo equivale a una longitud de onda. Por lo tanto la velocidad v del sonido se define como:
v = λ/T
Por su parte la frecuencia y el período están relacionados, siendo una la inversa del otro, así:
f = 1/T
Lo que conduce a que:
v = λ.f
El rango de frecuencias audible en los humanos está entre 20 y 20.000 Hz, por lo tanto la longitud de onda del sonido está entre 1.7 cm y 17 m al sustituir los valores en la ecuación anterior.
Estas longitudes de onda son del tamaño de los objetos comunes, lo cual influye en la propagación del sonido, ya que al ser una onda, experimenta reflexión, refracción y difracción cuando se encuentra con obstáculos.
Experimentar difracción significa que el sonido es afectado cuando se topa con obstáculos y aberturas cuyo tamaño es parecido al de su longitud de onda o menor.
Los sonidos graves pueden propagarse mejor a través de largas distancias, por eso los elefantes usan infrasonidos (sonidos de muy baja frecuencia, inaudibles para el oído humano) para comunicarse a través de sus extensos territorios.
Asimismo cuando hay música en una habitación cercana, los bajos se oyen mejor que los agudos, porque su longitud de onda es más o menos parecida al tamaño de puertas y ventanas. En cambio, al salir de la habitación, los sonidos agudos se pierden fácilmente y por eso dejan de escucharse.
¿Cómo se mide el sonido?
El sonido consiste en una serie de compresiones y rarefacciones del aire, de tal manera que al propagarse, el sonido causa aumentos y disminuciones de la presión. En el Sistema Internacional, la presión se mide en pascal, que se abrevia Pa.
Lo que sucede es que estos cambios son muy pequeños comparados con la presión atmosférica, que vale unos 101.000 Pa.
Hasta los sonidos más intensos producen fluctuaciones de apenas unos 20-30 Pa (umbral del dolor), una cantidad bastante pequeña en comparación. Pero si se logran medir esos cambios, entonces se tiene una forma de medir el sonido.
La presión sonora es la diferencia entre la presión atmosférica con sonido y la presión atmosférica sin sonido. Como hemos dicho, los sonidos más intensos producen presiones sonoras de 20 Pa, mientras que los más débiles causan unos 0.00002 Pa (umbral sonoro).
Puesto que el rango de presiones sonoras abarca varias potencias de 10, convendría utilizar una escala logarítmica para indicarlas.
Por otro lado, experimentalmente se determinó que las personas perciben más notoriamente los cambios en los sonidos poco intensos, que los cambios de igual magnitud pero en sonidos intensos.
Por ejemplo, si la presión sonora se incrementa en 1, 2, 4, 8, 16…, el oído percibe incrementos de 1, 2, 3, 4… en intensidad. Por esto es conveniente definir una nueva magnitud llamada nivel de presión sonora (Sound Pressure Level) LP, definido como:
LP = 20 log (P1 / Po)
Donde Po es la presión de referencia que se toma como el umbral de audición y P1 es la presión media eficaz o presión RMS. Esta presión RMS o promedio es la que percibe el oído como la energía promedio de la señal sonora.
Decibeles
El resultado de la expresión anterior para LP, cuando se evalúa para diversos valores de P1, viene dado en decibeles, una cantidad adimensional. Expresar el nivel de presión sonora así es muy conveniente, porque los logaritmos convierten números grandes en números más pequeños y manejables.
Sin embargo, en muchos casos se prefiere utilizar la intensidad del sonido para determinar los decibeles, y no la presión sonora.
La intensidad del sonido es la energía que fluye durante un segundo (potencia) a través de una superficie unitaria orientada perpendicularmente a la dirección en que se propaga la onda. Al igual que la presión sonora, se trata de una magnitud escalar y se denota como I. Las unidades de I son W/m2, es decir, potencia por unidad de área.
Se puede demostrar que la intensidad del sonido es proporcional al cuadrado de la presión sonora:
I= P2 /ρc
En esta expresión, ρ es la densidad del medio y c es la velocidad del sonido. Entonces se define el nivel de intensidad del sonido LI como:
LI = 10 log (I1 / Io)
Que también se expresa en decibeles y en ocasiones aparece denotado con la letra griega β. El valor de referencia Io es 1 x 10-12 W/m2. De esta manera, 0 dB representa el límite inferior de la audición humana, mientras que el umbral del dolor se sitúa en 120 dB.
Puesto que se trata de una escala logarítmica, es preciso hacer énfasis en que pequeñas diferencias la cantidad de decibeles, hacen una gran diferencia en cuanto a intensidad del sonido se refiere.
El sonómetro
Un sonómetro o decibelímetro es un aparato empleado para medir la presión sonora, indicando la medida en decibeles. Está diseñado para responder a ella de la misma forma en que lo haría el oído humano.
Consta de un micrófono para recoger la señal, más circuitos con amplificadores y filtros, que se encargan de transformar adecuadamente esta señal en una corriente eléctrica, y por último una escala o una pantalla donde mostrar el resultado de la lectura.
Se usan mucho para determinar el impacto que determinados ruidos tienen en las personas y en el ambiente. Por ejemplo ruidos en fábricas, industrias, aeropuertos, el ruido del tráfico y muchos otros.
Tipos de sonido
El sonido se caracteriza por su frecuencia. De acuerdo a aquellas que el oído humano puede captar, todos los sonidos se clasifican en tres categorías: los que podemos escuchar o espectro audible, los que tienen frecuencia por debajo del límite inferior del espectro audible o infrasonidos, y los que están por encima del límite superior, denominados ultrasonidos.
En todo caso, ya que las ondas sonoras se pueden superponer linealmente, los sonidos cotidianos, que a veces interpretamos como únicos, en realidad consisten de distintos sonidos con frecuencias diferentes pero cercanas.
Espectro audible
El oído humano está diseñado para captar un amplio rango de frecuencias: entre 20 y 20.000 Hz. Pero no todas las frecuencias en este rango se perciben con la misma intensidad.
El oído es más sensible en la banda de frecuencias entre los 500 y 6.000 Hz. Sin embargo hay otros factores que afectan la capacidad de percepción del sonido, como por ejemplo la edad.
Infrasonidos
Son los sonidos cuya frecuencia es menor a 20 Hz, pero el hecho de que los humanos no puedan escucharlos, no significa que otros animales no puedan hacerlo. Por ejemplo, los elefantes se sirven de ellos para comunicarse, ya que los infrasonidos pueden viajar largas distancias.
Otros animales, como el tigre, los usan para aturdir a sus presas. Los infrasonidos también se emplean en la detección de objetos grandes.
Ultrasonidos
Tienen frecuencias mayores a 20.000 Hz y son ampliamente utilizados en muchos campos. Uno de los usos más notables de los ultrasonidos es como herramienta de la medicina, tanto diagnóstica como de tratamiento. Las imágenes obtenidas mediante ultrasonidos son no invasivas y tampoco hacen uso de radiaciones ionizantes.
Los ultrasonidos también se emplean para encontrar fallas en estructuras, determinar distancias, detectar obstáculos durante la navegación y más. Los animales también se sirven del ultrasonido, y de hecho así fue como se descubrió su existencia.
Los murciélagos emiten pulsos sonoros y luego interpretan el eco que estos producen para estimar distancias y ubicar las presas. Por su parte los perros también pueden escuchar los ultrasonidos y por eso responden al silbato para perros que su propietario no puede escuchar.
Sonido monofónico y sonido estereofónico
El sonido monofónico es una señal grabada con un solo micrófono o canal de audio. Cuando se escucha con audífonos o cornetas de sonido, ambos oídos escuchan exactamente lo mismo. En cambio el sonido estereofónico graba señales con dos micrófonos independientes entre sí.
Los micrófonos se ubican en diferentes posiciones para que puedan recoger distintas presiones sonoras de lo que se quiere grabar.
Después cada oído recibe uno de estos conjuntos de señales, y cuando el cerebro los reúne e interpreta, el resultado es mucho más realista que al escuchar sonidos monofónicos. Por lo tanto es el método preferido cuando se trata de música y cine, aunque el sonido monofónico o monoaural se sigue empleando en la radio, sobre todo para entrevistas y conversaciones.
Homofonía y polifonía
Musicalmente hablando, la homofonía consta de una misma melodía interpretada por dos o más voces o instrumentos. En cambio, en la polifonía aparecen dos o más voces o instrumentos de igual importancia que siguen melodías y hasta ritmos diferentes. El conjunto que resulta de estos sonidos es armonioso, como por ejemplo la música de Bach.
Sonidos graves y agudos
El oído humano discrimina las frecuencias audibles como agudas, graves o medias. Esto es lo que se conoce como el tono del sonido.
Las frecuencias más altas, entre 1600 y 20.000 Hz, son consideradas como sonidos agudos, la banda entre 400 y 1600 Hz corresponde a sonidos con tono medio y por último las frecuencias en el rango de 20 a 400 Hz son los tonos graves.
Los sonidos graves difieren de los agudos en que los primeros se perciben como profundos, oscuros y retumbantes, mientras que los segundos son ligeros, claros, alegres y penetrantes. Asimismo el oído los interpreta como más intensos, a diferencia de los sonidos graves, que producen la sensación de menor intensidad.