Energía sonora: características, tipos, usos, ventajas, ejemplos
La energía sonora o acústica es aquella que transportan las ondas sonoras cuando se propagan en un medio, que puede ser un gas como el aire, un líquido o un sólido. Los seres humanos y muchos animales se sirven de la energía acústica para relacionarse con el medio.
Para ello disponen de órganos especializados, por ejemplo las cuerdas vocales, capaces de producir vibraciones. Estas vibraciones se transportan en el aire para llegar a otros órganos especializados encargados de su interpretación.
Las vibraciones causan compresiones y expansiones sucesivas en el aire o el medio que rodea la fuente, las cuales van propagándose con cierta velocidad. No son las partículas las que viajan, sino que se limitan a oscilar respecto a su posición de equilibrio. La perturbación es lo que se transmite.
Ahora bien, como es sabido, los objetos que se mueven poseen energía. Así, también las ondas a medida que viajan en el medio llevan consigo la energía asociada al movimiento de las partículas (energía cinética), y también la energía que intrínsecamente posee dicho medio, conocida como energía potencial.
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Como es sabido, los objetos que se mueven poseen energía. Así también las ondas a medida que viajan en el medio, llevan consigo la energía asociada al movimiento de las partículas (energía cinética) y también la energía de deformación del medio o energía potencial.
Suponiendo una porción muy pequeña del medio, el cual puede ser el aire, cada partícula con velocidad u, tiene energía cinética K dada por:
K = ½ mu2
Además, la partícula tiene energía potencial U que depende del cambio de volumen que experimenta, siendo Vo el volumen inicial, V el volumen final y p la presión, la cual depende de la posición y del tiempo:
El signo negativo indica un aumento en la energía potencial, ya que la onda al propagarse hace trabajo sobre el elemento de volumen dV al comprimirlo, gracias a una presión acústica positiva.
La masa del elemento de fluido en términos de la densidad inicial ρo y el volumen inicial Voes:
mo= ρoVo
Y como la masa se conserva (principio de conservación de la masa):
ρV = ρoVo = constante
Por lo tanto la energía total queda así:
La integral puede resolverse con ayuda del principio de la conservación de la masa
mo = mf
La derivada de una constante es 0, por lo que (ρV)’ = 0. Por lo tanto:
dV= (-V/ρ)dρ
Isaac Newton determinó que:
(dp/dρ) = c2
Donde c representa la velocidad del sonido en el fluido en cuestión. Al sustituir lo anterior en la integral se obtiene la energía potencial del medio:
Si Ap y Av son las amplitudes de la onda de presión y velocidad respectivamente, la energía promedio ε de la onda sonora es:
Se puede caracterizar el sonido por una magnitud denominada intensidad.
La intensidad del sonido se define como la energía que pasa en un segundo a través de la unidad de superficie que se encuentra perpendicular a la dirección de propagación del sonido.
Como la energía por unidad de tiempo es la potenciaP, la intensidad del sonido I se puede expresar como:
Cada tipo de onda sonora tiene una frecuencia característica y es portadora de una cierta energía. Todo ello determina su comportamiento acústico. Como el sonido es tan importante para la vida humana, los tipos de sonidos se clasifican en tres grandes grupos, de acuerdo al rango de frecuencias audibles para los humanos:
– Infrasonido, cuya frecuencia es menor a 20 Hz.
– Espectro audible, con frecuencias que van desde los 20 Hz hasta los 20.000 Hz.
– Ultrasonido, con frecuencias mayores a 20.000 Hz.
El tono de un sonido, es decir, si es agudo, grave o medio, depende de la frecuencia. Las frecuencias más bajas son interpretadas como sonidos graves, aproximadamente entre 20 y 400 Hz.
Las frecuencias entre 400 y 1600 Hz se consideran como tonos medios, mientras que los agudos van desde 1600 hasta 20.000 Hz. Lo sonidos agudos son ligeros y penetrantes, mientras que los bajos son percibidos como más profundos y retumbantes.
Los sonidos que se escuchan a diario son complejas superposiciones de sonidos con diversas frecuencias próximas.
El sonido posee otras cualidades aparte de la frecuencia, que pueden servir como criterios para su clasificación. Ejemplo de ellos son el timbre, la duración y la intensidad.
También es importante hacer la distinción entre los sonidos deseados y los no deseados o ruido. Como quiera que siempre se busca eliminar el ruido, se clasifica a este según la intensidad y el período en:
– Ruido continuo.
– Ruido fluctuante.
– Ruido impulsivo.
O por colores, vinculado a su frecuencia:
– Ruido rosa (parecido a un “shhhhhh”).
– Ruido blanco (semejante a un “psssssss”).
– Ruido marrón (por Robert Brown, el descubridor del movimiento browniano, es un ruido que favorece mucho las frecuencias bajas).
El uso que se le dé a la energía acústica depende del tipo de onda sonora que se emplee. En el rango de las ondas audibles, el uso universal del sonido es permitir la comunicación cercana, no solamente entre personas, ya que los animales también se comunican emitiendo sonidos.
Los sonidos son versátiles. Cada uno difiere según la fuente que lo emite. De esta manera la variedad de sonidos en la naturaleza es infinita: cada voz humana es diferente, así como los sonidos característicos que las especies animales utilizan para comunicarse entre sí.
Muchos animales utilizan la energía del sonido para ubicarse en el espacio y también para capturar a sus presas. Emiten señales acústicas y tienen órganos receptores que analizan las señales reflejadas. De esta manera obtienen información acerca de las distancias.
Los seres humanos carecen de los órganos necesarios para utilizar la energía sónica de esta forma. Sin embargo han creado dispositivos de orientación como el sónar, basados en estos mismos principios, para facilitar la navegación.
Por otro lado, los ultrasonidos son ondas sonoras cuyas aplicaciones son bien conocidas. En medicina se las emplea para obtener imágenes del interior del cuerpo humano. También forman parte del tratamiento de algunas afecciones como lumbago y tendinitis.
– Con ultrasonidos de alta energía pueden destruirse las piedras o cálculos que se forman en los riñones y en la vesícula a causa de la precipitación de sales minerales en estos órganos.
– En geofísica se utilizan los ultrasonidos como métodos de prospección. Sus principios son semejantes a los de los métodos sísmicos. Se pueden utilizar en aplicaciones que van desde determinar la forma del relieve oceánico hasta testigos para calcular los módulos elásticos.
– En tecnología de alimentos se emplean para eliminar microorganismos resistentes a las altas temperaturas, así como para mejorar algunas texturas y cualidades de los alimentos.
La energía acústica tiene ventajas que se deben en buena parte a su escaso alcance. Por ejemplo, no es costosa de producir y no genera residuos químicos o de otros tipos, ya que se disipa en el medio rápidamente.
En cuanto a las fuentes de energía acústica, son numerosas. Cualquier objeto capaz de vibrar puede convertirse en una fuente de sonido.
Cuando se la utiliza en aplicaciones médicas, por ejemplo la obtención de imágenes mediante ecografía, tiene la ventaja de no emplear radiación ionizante, como los rayos x o la tomografía. Es un hecho que la radiación ionizante puede causar daño celular.
Su empleo tampoco requiere de las medidas de protección que se necesitan cuando se aplican radiaciones ionizantes. Los equipos también son más baratos.
Asimismo, la energía ultrasónica es un método no invasivo para eliminar los mencionados cálculos renales y biliares, evitando de esta forma procedimientos quirúrgicos.
En principio no genera contaminación ni en el aire ni en las aguas. Pero se sabe que sí existe contaminación acústica en los mares, a causa de actividades humanas como pesca intensiva, prospección geofísica y transporte.
Es difícil pensar en las desventajas que un fenómeno tan natural como el sonido pueda tener.
Una de las pocas es que los sonidos de gran intensidad pueden dañar la estructura del tímpano, y con el tiempo hacer que las personas continuamente expuestas pierdan su sensibilidad.
Los ambientes muy ruidosos terminan por causar estrés y molestias en las personas. Otra desventaja es tal vez el hecho de que la energía acústica no sirve para mover objetos, siendo muy difícil aprovechar las vibraciones para afectar a objetos sólidos.
Esto se debe a que el sonido siempre requiere de la existencia de un medio para poder propagarse, y por ello se atenúa con facilidad. Es decir, la energía sonora se absorbe en el medio más rápidamente que la de otros tipos de ondas, por ejemplo las electromagnéticas.
Por esta razón la energía de las ondas sonoras es relativamente de corto alcance en el aire. El sonido es absorbido por estructuras y objetos a medida que se propaga, y su energía va disipándose paulatinamente en calor.
Desde luego, esto está relacionado con la conservación de la energía: la energía no se destruye pero cambia de forma. Las vibraciones de las moléculas en el aire no solamente se transforman en cambios de presión que dan lugar al sonido. Las vibraciones también dan origen al calor.
Cuando las ondas sonoras inciden sobre un material como una pared de ladrillos, por ejemplo, una parte de la energía es reflejada. Otra parte es disipada en calor, gracias a la vibración molecular tanto del aire como del material; y finalmente la fracción restante atraviesa el material.
Así, las ondas sonoras pueden reflejarse de la misma forma en que lo hace la luz. A la reflexión del sonido se le conoce como “eco”. Mientras más rígida y uniforme es la superficie, mayor capacidad para reflejar tiene.
De hecho, hay superficies que son capaces de producir múltiples reflexiones llamadas reverberaciones. Usualmente esto ocurre en espacios pequeños y se evita colocando material aislantes, para que de esta forma, las ondas emitidas y las reflejadas no se superpongan dificultando la audición.
Durante toda su propagación, la onda acústica experimentará todas estas sucesivas pérdidas hasta que finalmente la energía sea absorbida completamente en el medio. Lo cual quiere decir que se ha transformado en energía calórica.
Hay una magnitud para cuantificar la capacidad de un material para absorber el sonido. Se llama coeficiente de absorción. Se le denota como α, y es la razón entre la energía absorbida Eabs y la energía incidente Einc, todas referidas al material en cuestión. Se expresa matemáticamente así:
α = Eabs/Einc
El valor máximo de α es 1 (absorbe completamente el sonido) y el mínimo es 0 (deja pasar todo el sonido).
El sonido puede ser una desventaja en muchas ocasiones en que se prefiere el silencio. Por ejemplo, a los coches se les instalan silenciadores a fin de amortiguar los ruidos del motor. A otros dispositivos como bombas de agua y plantas eléctricas también.
La energía sonora se encuentra por doquier. He aquí un ejemplo sencillo que ilustran las propiedades del sonido y su energía desde el punto de vista cuantitativo.
Un alfiler de 0,1 g de masa cae desde una altura de 1m. Asumiendo que el 0,05 % de su energía se convierte en un pulso sonoro de duración 0.1 s, estimar cual es la distancia máxima a la que puede escucharse la caída del alfiler. Tomar como intensidad sonora mínima audible 10-8 W/m2.
Solución
Se usará la ecuación dada anteriormente para la intensidad del sonido:
Una buena pregunta es de dónde proviene la energía del sonido en este caso, esa cuya intensidad detecta el oído humano.
La respuesta está en la energía potencial gravitatoria. Justamente porque el alfiler cae de cierta altura, a la cual tenía energía potencial, a medida que cae transforma esta energía en energía cinética.
Y una vez que impacta al suelo, la energía se transfiere a las moléculas de aire que rodean al lugar de la caída, lo que da origen al sonido.
La energía potencial gravitatoria U es:
U = mgh
Donde m es la masa del alfiler, g es la aceleración de gravedad y h es la altura desde la cual cayó. Sustituyendo estos valores numéricos, no sin antes realizar las correspondientes conversiones en el Sistema Internacional de unidades, se tiene:
U = 0.1 x 10-3 x 9.8 x 1 J = 0.00098 J
El enunciado dice que de esta energía, solamente el 0.05 % se transforma para dar lugar al pulso sonoro, esto es, al tintineo del alfiler cuando choca contra el piso. Por lo tanto la energía sonora es:
Esonido= 4.9 x 10-7 J
De la ecuación de la intensidad se despeja el radio R y se sustituyen los valores de la energía del sonido Esonido y el tiempo que duró el pulso: 0.1 s de acuerdo al enunciado.
Por lo tanto la distancia máxima a la que será audible la caída del alfiler es de 6.24 m a la redonda.
- Giancoli, D. 2006. Physics: Principles with Applications. Sixth Edition. Prentice Hall. 332 – 359.
- Kinsler, L. (2000). Fundamentals of Acoustic. 4th Ed. Wiley & Sons. 124-125.