La velocidad de propagación
de la onda sonora depende de la naturaleza del medio de
propagación y de su temperatura, siendo
independiente de la frecuencia y de la amplitud de la onda,
por lo cual resulta que en un medio homogéneo y a
temperatura constante esta velocidad es también
constante.
1 .-
Naturaleza d el
medi o de
propgación
A medida que aumenta la cohesión
molecular del medio, aumenta también la velocidad de
propagación de la onda sonora, de manera que, por regla
general, resulta mayor en los sólidos que en los líquidos y
en éstos, mayor que en los gases.
2.- Temperatura del medio de
propagación
La velocidad del sonido varía ante los
cambios de temperatura del medio. Esto se debe a que un
aumento de la temperatura se traduce en que aumenta la
frecuencia con que se producen las interacciones entre las
partículas que transportan la vibración y este aumento de
actividad hace que aumente la velocidad.
Por ejemplo sobre una superficie nevada,
el sonido es capaz de desplazarse atravesando grandes
distancias. Esto es posible gracias a las refracciones
producidas bajo la nieve, que no es medio uniforme. Cada
capa de nieve tiene una temperatura diferente. Las más
profundas, donde no llega el sol, están más frías que las
superficiales. En estas capas más frías próximas al suelo,
el sonido se propaga con menor velocidad.
La velocidad del sonido en el aire
depende también de su temperatura, por ejemplo, cuanto
mayor es la temperatura del aire mayor es la velocidad de
propagación. La velocidad del sonido en el aire aumenta
0,6 m/s por cada 1º C de aumento en la
temperatura.
Una velocidad aproximada (en
metros/segundo) puede ser calculada mediante la siguiente
fórmula:
Donde: V = velocidad
del sonido en el aire
t = Temperatura del aire en
° Celsius
BARRERA DEL
SONIDO
La velocidad
del sonido influye en el
vuelo de aviones, proyectiles y cohetes. Las perturbaciones
producidas en el aire, a causa del movimiento de estos cuerpos, se alejan de ellos
con una velocidad equivalente a la del
sonido.
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Si el cuerpo va a una velocidad
menor que la del sonido y en aire tranquilo, no dará
alcance a las perturbaciones que produce. A estas
velocidades el aire sólo experimenta cambios graduales de
velocidad y presión. Pero cuando el cuerpo se desplaza a
velocidades superiores a la velocidad local del sonido, en
aire tranquilo, las perturbaciones no pueden adelantar al
móvil y se dice que se ha roto la barrera del
sonido . Por lo tanto, el aire por delante del
móvil sólo experimenta alteración cuando llega hasta él la
onda de choque originada por el avance del
cuerpo, con lo cual varían bruscamente la velocidad y las
propiedades del fluido.
Esta onda de choque se origina en la
superficie delantera del cuerpo o cerca suyo, según sea la
forma del móvil, transformando en calor gran parte de la
energía cinética del móvil.
El resultado de esta
onda de choque es un aumento del arrastre del cuerpo, que
se llama arrastre de
onda y que se suma al que
produce la viscosidad del aire, por pequeña que sea; en
otras palabras, aumenta considerablemente la fricción o
roce.
El cociente entre la velocidad del móvil
y la velocidad local del sonido, se conoce con el nombre de
número de mach.
Así, por ejemplo, la expresión mach 2,
significa que la velocidad del móvil es el doble de la
velocidad del sonido en la zona en que aquél se
desplaza.
MACH 5
MACH 10
MACH 15
Cuando las ondas de choque se despegan
del móvil al virar o acelerar éste, y llegan a la
superficie terrestre, su energía es capaz de producir una
especie de trueno con tal intensidad que rompe los vidrios
y otros objetos frágiles que se hallen a su alcance. Por
ello los vuelos supersónicos se limitan a grandes
alturas.
CARACTERÍSTICAS DEL
SONIDO
El diapasón es un instrumento que
permite averiguar bastante acerca de los sonidos.
Es una varilla metálica, prismática,
doblada en U y sostenida por su punto
medio. Las características
fundamentales que se distinguen en los sonidos o
sensaciones sonoras son: altura o tono, intensidad
y timbre.
a) ALTURA O TONO DEL
SONIDO
Es la característica que permite
distinguir cuándo un sonido es más agudo o más grave que
otro.
Depende principalmente de la
frecuencia del sonido y, por lo tanto, de
las compresiones y enrarecimientos que el oído percibe por
segundo (frecuencia).
Los sonidos graves o tonos bajos
corresponden a las ondas de baja frecuencia (pocas
vibraciones por segundos).
Los sonidos agudos o tonos altos
corresponden a las ondas de mayor frecuencia (gran número
de vibraciones por segundos).
El rango de audición humano es de
20 Hz a 20000 Hz,
aproximadamente, y sus cuerdas vocales emiten sonidos entre
85 y 1400 Hz.
Los murciélagos son los únicos mamíferos
voladores nocturnos que vuelan y cazan utilizando el sonido
como medio para ubicar tanto los obstáculos como a sus
presas. Los mamíferos marinos, como delfines y ballenas,
también usan el sonido para comunicarse entre ellos y nadar
a profundidades donde no hay luz solar y poder cazar a sus
presas.
CONEXIÓN CON LA
MÚSICA
El sonido, en combinación con el
silencio, es la materia prima de la música. En música los
sonidos se califican en categorías como: largos y cortos,
fuertes y débiles, agudos y graves, agradables y
desagradables. El sonido ha estado siempre presente en la
vida cotidiana del hombre. A lo largo de la historia el ser
humano ha inventado una serie de reglas para ordenarlo
hasta construir algún tipo de lenguaje musical.
La escala musical es un
ordenamiento ascendente de tonos; una de las escalas más
conocidas es la diatónica, que corresponde a una escala
conformada por ocho notas musicales. La frecuencia
correspondiente a cada una de dichas notas musicales ha ido
cambiando en el transcurso de la historia, según el gusto,
estilo y posibilidades de cada época, hasta que en 1939 se
fijó la frecuencia de una nota de referencia, a partir de
la que se dedujeron las demás. La nota y frecuencia
escogida fue la, a 440 Hz, las frecuencias correspondientes
a cada nota de la escala diatónica son las
siguientes:
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NOMBRE DE LAS NOTAS MUSICALES:
HIMNO A SAN JUAN
Ut queant
laxis es el primer verso del Himno
a San Juan Bautista, escrito por el
historiador lombardo Pablo el Diácono en
el siglo .
Nota
Texto original en
latín
Traducción
Ut - Do Re Mi Fa Sol La Si
Ut queant
laxisRe sonare
fibrisMi ra
gestorumFa muli
tuorumSol ve
pollutiLa bii
reatumS ancte I oannes.
Para que puedan exaltar a pleno
pulmón las maravillas estos siervos tuyos perdona la falta de nuestros labios
impuros San Juan.
De las primeras sílabas de los versos de
este himno se toma el nombre las notas musicales de la
notación latina moderna, hecho realizado por Guido de
Arezzo en el Siglo XI. Guido de Arezzo utilizó la
primera sílaba de cada estrofa, excepto la última: ut,
re, mi, fa, sol, la. Siglos más tarde, Anselmo de Flandes
introdujo el nombre si para la nota faltante,
combinando las iniciales de Sancte Ioannes.
Posteriormente, en
el sigloXVII el musicólogo italiano
Giovanni Battista Doni sustituyó la
nota ut por do, pues esta sílaba facilitaba
el solfeo por terminar en vocal. Constató que era
difícil solfear con la nota ut ya que terminaba
en una consonante sorda, tuvo la idea de reemplazarla con
la primera sílaba de su propio apellido (do) para
facilitar su pronunciación. Otra teoría afirma
que quizá provenga del término Dominus, Señor
en latín. En Francia todavía se sigue
usando ut para algunos términos musicales
técnicos o teóricos, por ejemplo trompette en
ut oclé d'ut.
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b) INTENSIDAD DEL
SONIDO
Cuando se habla de sonidos intensos y
débiles, se refiere a la intensidad del sonido y ésta
depende de la Amplitud de la vibración,
siendo un sonido más intenso cuando la amplitud es mayor y
un sonido más débil cuando la amplitud es menor.
En cuanto a la intensidad que se muestra
en el ejemplo podríamos decir que el ejemplo A corresponde
a un sonido suave o piano como se indica en el lenguaje
musical y el ejemplo C a un sonido fuerte o forte, B se
encuentra en un término medio o mezzo forte.
El nivel de la
intensidad del sonido se mide en una unidad
llamada decibel, que corresponde a la décima parte de otra
unidad mayor llamada Bel.
EJEMPLOS DE NIVELES DE INTENSIDAD
DEL SONIDO
Nivel sonoro de una sonora en
decibeles
Dado que el oído es sensible a una amplia
gama de intensidades, suele usarse una
escala de intensidad
logarítmica. El nivel de intensidad de sonido
β de una onda sonora
está definido por la
ecuación:
Donde:
β = Nivel de intensidad
del sonido, decibelesI= Potencia acústica,
watt/m2 m2 = Área,
metro2
En esta ecuación,
I0 es una intensidad de
referencia que se toma como 10-12
W/m2 , aproximadamente el umbral de la audición humana a
1000 Hz.
I es la intensidad de la
onda sonora en watts por
metro cuadrado. “log” significa logaritmo base 10.
Los niveles de intensidad de sonido se expresan en decibeles, cuya
abreviatura es dB. Un decibel es de un 1/10 bel, unidad llamada así en honor de
Alexander Graham Bell (el inventor del
teléfono).
El bel es demasiado grande para casi
todos los fines, así que el decibel es la unidad
usual de nivel de intensidad
de sonido.
Si la intensidad de una onda sonora es
igual a I0 o a 10-12
W/m2 , su nivel de intensidad
de sonido es de 0 dB. Una
intensidad de 1 W/m2 corresponde a 120
dB.
Por lo tanto si
se considera
I0 = 10-12
W/m2 , la ecuación se reduce a:
Por ejemplo, una potencia de 0,05 watt
corresponde a un nivel de potencia:
Intensidad del
sonido en función de la distancia a una fuente puntual. Ley
del inverso del
cuadrado
proveniente de una
fuente puntual, si no hay
reflexiones o reverberaciones, obedece la
ley del inverso del cuadrado.
Una gráfica muestra esta
abrupta caída de intensidad.
Es decir la potencia que pasa
por la unidad de área a 1 m
de la fuente se ha distribuido en 4 unidades de
área a 2 m de la fuente, y en
9 unidades de área a 3 m de
la fuente. Por tanto, la
potencia que pasa por unidad
de área ha ido disminuyendo
d2 veces, siendo d la distancia en
metros.
entre
las intensidades I1 e I2
a distancias d1 y
d2 respectivamente es:
Esta es la expresión de la
denominada ley del cuadrado
de la distancia: "la intensidad es inversamente
proporcional al cuadrado de
la distancia a la fuente (considerada puntual)".
Gráfico de la Ley del Inverso del
Cuadrado
El gráfico de la caída de
la intensidad de sonido
de acuerdo con la ley del
inverso del cuadrado enfatiza
la rápida pérdida asociada
con ella. En un auditorio,
tal pérdida rápida es
inaceptable. En un buen auditorio, queda mitigada
por la
reverberación. Este gráfico muestra
los puntos conectados por
líneas rectas, pero la caída
real es una suave curva esos puntos.
EL EFECTO
ENMASCARAMIENTO
El sonido que nos interesa (el del
pájaro) no desaparece: queda "enmascarado" por el ruido
indeseable (del camión). Nuestro oído percibe entonces un sonido
mezclado cuya inteligibilidad o claridad queda disminuida
por el efecto de enmascaramiento, que es consecuencia del
ruido de fondo perturbador. En estas condiciones de audición,
aparecen dos necesidades fundamentales: disminuir el ruido
de fondo y aumentar el nivel sonoro de la
fuente. Otros fenómenos tienen los mismos efectos
y alteran nuestra capacidad para reconocer un mensaje:
distorsiones, eco y reverberación, falta de nivel,
etc. Para obtener una audición adecuada es
necesario tener una presión acústica de 10 dB por encima
del ruido ambiental.
c) TIMBRE O CALIDAD DEL
SONIDO
El timbre es otra cualidad del
sonido el cual distingue entre sonidos de igual altura e
intensidad producidos por fuentes
sonoras diferentes . Si tocamos una cierta
nota de un piano, y si la misma nota (de la misma
frecuencia) fuese emitida con la misma intensidad por un
violín, podríamos distinguir una de la otra; es decir,
podemos decir claramente cuál nota fue la que emitió el
piano, y cuál, el violín. Decimos entonces que estas notas
tienen un "timbre" diferente.
Esto se debe a que la nota emitida por un
piano es el resultado de la vibración no única de la cuerda
accionada, sino también de algunas otras partes del piano
(madera, columna de aire, otras cuerdas, etc.) las cuales
vibran junto con ella. Así pues, la onda sonora emitida
tendrá una forma propia, característica del piano. De la
misma manera, la onda emitida por un violín es el resultado
de vibraciones características de este instrumento, y por
ello presenta una forma diferente a la de le onda emitida
por un piano.
Lo que se dice para el violín y el
piano, se aplica también a los demás instrumentos
musicales: la onda sonora resultante que cada uno de ellos
emite, y que corresponde a una nota determinada, tiene una
forma propia, característica del instrumento; es decir,
cada uno de ellos posee su propio timbre. La voz de las
personas también tiene un timbre propio, porque la forma de
la onda sonora que producen está determinada por
características personales. Este es el motivo por el cual
podemos identificar a una persona por su voz.
PROPIEDADES DEL
SONIDO
REFLEXIÓN DEL
SONIDO
Cuando un frente de ondas incide sobre
una superficie, una parte de la energía sonora se
transforma en calor por efecto del choque, siendo
absorbida por la sustancia
correspondiente; otra da origen a ondas que continúan
propagándose a través de la nueva sustancia, produciendo el
fenómeno llamado refracción de las ondas
sonoras, y una tercera porción todavía se
refleja, es decir, da origen a ondas
sonoras que se propagan en el mismo medio de procedencia,
con igual o distinta dirección que la de
incidencia.
Luego, una onda sonora ha
experimentado una reflexión si, al incidir sobre una
superficie, desvía su trayectoria propagándose en el mismo
medio de origen.
Fácil es comprobar experimentalmente que
la reflexión de las ondas sonoras se rige por las
siguientes leyes:
1. Los rayos sonoros, incidente y
reflejado, y la Normal en el punto de incidencia están en
un mismo plano, perpendicular a la superficie
reflectora.
2. El ángulo de incidencia de una onda
sonora es igual al ángulo de reflexión de la misma.
Un caso particular
corresponde a aquella onda sonora que incide normalmente
sobre una superficie y que se refleja en sentido contrario
sobre su dirección de incidencia.
ECO Y
REVERBERACIÓN
Otro fenómeno interesante debido a la
reflexión de las ondas sonoras es el eco. Consiste en que
un sonido que se refleja a cierta distancia de la fuente
sonora o del auditor, puede volverse a escuchar después
que se ha extinguido la sensación inicial. Puede ocurrir
por reflexión normal o por varias reflexiones
sucesivas.
Es frecuente este fenómeno en los grandes
edificios y en las montañas. En los primeros se procura
evitarlo al máximo para dar una buena
acústica a las construcciones, haciendo que las
salas no sean demasiado grandes o, si deben serlo, que
estén dotadas de adornos, columnas, cortinajes, etc., que
reduzcan las distancias o absorban gran cantidad de energía
sonora.
Por otra parte, como el oído puede
distinguir y percibir con claridad unas diez sílabas por
segundo, la impresión sonora de cada una persistirá durante
1/10 de segundo, por lo cual, para que se produzca eco
monosilábico el sonido deberá recorrer, en ese lapso,
aproximadamente 1/10 de 340 m, o sea, 34 m. Esto quiere
decir que la distancia
mínima a que debe encontrarse la
superficie reflectora para que produzca eco es de 17
metros, ya que en 1/10 de segundo la onda sonora
debe ir al obstáculo y volver a su fuente de origen.
Cuando el sonido reflejado llega al oído
del auditor en un tiempo menor que 1/10 de segundo después
de emitido, podría suceder que el sonido reflejado y el
directo se perturben o se superpongan para el oyente. En
este último caso se origina el fenómeno llamado
reverberación, el cual, debidamente
controlado, contribuye a mejorar las condiciones acústicas
de teatros, salas de conciertos, etc.
Sonido sin reverberación
Sonido con reverberación
En salas de conciertos, teatros y cines
se emplean materiales absorbentes para evitar la
reverberación. Sin embargo, una ausencia de reverberación
resta sonoridad y calidad a la música. De ahí que las salas
se diseñen de forma adecuada para conseguir la mejor
audición.
REFRACCIÓN DEL
SONIDO
Cuando una onda sonora se propaga en dos
medios distintos la rapidez con la cual lo hace es
diferente, dependiendo de la elasticidad del medio; por
ejemplo un sonido generando en las profundidades del agua
avanza mucho más rápido en este medio que en el aire (en el
agua de mar la rapidez de propagación del sonido es de 1530
m/s en cambio en el aire es aproximadamente de 340 m/s). La
elasticidad del medio corresponde a la capacidad de este
para recuperar su forma inicial, lo anterior significa que
los átomos están más juntos por lo que reaccionan
rápidamente a la transmisión de energía. Por lo tanto en la
refracción de un sonido cambia la velocidad, la longitud de
onda, pero la frecuencia se mantiene constante.
La figura muestra la propagación de dos
sonidos la propagación del sonido durante un día caluroso,
en este caso las ondas tienden alejarse del suelo, porque
viajan más rápidas en esa zona. En cambio la propagación
del sonido en un día frío, cuando las capas del aire
cercanas al suelo están más frías que en la parte superior,
por lo tanto el sonido viaja con menor rapidez en las
cercanías del suelo curvándose hacia abajo.
ABSORCIÓN DEL
SONIDO
Cuando una onda sonora se propaga por el
aire nos encontramos que esta viaja una distancia limitada,
esto significa que el medio absorbe parte de la energía que
transportaba la onda. La absorción de la onda sonora
depende de la plasticidad del medio por donde se propaga,
siendo mayor para las frecuencias altas que para
El sonido se absorbe más en los
materiales blandos y porosos que en los materiales
perfectamente lisos. Son buenos absorbentes del sonido las
telas, las alfombras, la espuma, la plumavit y el cartón
corrugado. Por ejemplo un sonido de 550 Hz que es emitido
en una sala de baldosas con alfombras absorbe 15 veces más
que cuando esta sin alfombras.
La siguiente tabla muestra el coeficiente
de absorción de algunos materiales según la frecuencia del
sonido.
Por ejemplo, si una onda sonora de
frecuencia 125 Hz incide sobre una alfombra de goma, cuyo
coeficiente de absorción es 0,04, significa que la alfombra
absorberá el 4 % de la energía incidente del sonido.
RESONANCIA Cuando un cuerpo o sistema de cuerpos es
excitado por una fuerza periódica de frecuencia igual o
semejante a la del sistema, éste es puesto en vibración con
la frecuencia de la fuerza excitante. Este fenómeno recibe
el nombre de resonancia y las vibraciones, vibraciones por
simpatía. La frecuencia propia de un sistema se
denomina frecuencia natural del mismo y es aquélla que
corresponde a las ondas del sistema cuando vibra
libremente. En cambio, se dice que un sistema efectúa
vibraciones forzadas cuando la frecuencia de sus
vibraciones difiere de su frecuencia natural. Luego, se tendrá resonancia si la
frecuencia de la fuerza excitante es igual a la frecuencia
natural del sistema o cuerpo resonante. Cualquiera estructura, por ejemplo un
edificio o puente, tiene su propia frecuencia natural. La
resonancia es un fenómeno general que existe tanto en el
campo mecánico como electrónico, acústico, etc.
Un ejemplo sencillo de resonancia
mecánica se tiene en un columpio, al que puede
considerársele como un péndulo con una frecuencia natural
que depende de su longitud. La amplitud de la oscilación será grande
cuando el columpio oscile con una frecuencia igual a su
frecuencia natural; en caso contrario, la amplitud de la
oscilación será mucho menor.
Los soldados rompen filas al cruzar un
puente para evitar que la frecuencia de su marcha pueda
entrar en resonancia mecánica con la frecuencia natural del
puente, derribándolo. Como ocurrió en Francia en abril de
1850 al paso de una tropa en formación en el puente de La
Maine. El sintonizar una radio es un fenómeno de
resonancia eléctrica, y se logra cuando la frecuencia
natural de una corriente alterna coincide con la frecuencia
de las ondas emitidas por la estación que se desea
sintonizar.
La resonancia no es un privilegio de los
cuerpos sólidos, pues los gases contenidos en un cuerpo
hueco se comportan de igual manera. Por ejemplo, al soplar
la boca de una botella vacía se produce un sonido, no muy
musical, pero de frecuencia bien definida.
La resonancia desempeña un papel
destacado en la función del oído. Podemos considerar que el
oído posee unas 20.000 cuerdas, cada una con su propia
frecuencia natural. Las vibraciones de estas cuerdas
excitan el nervio auditivo y producen la sensación de
oír. cualquiera en
una de ellas, en la otra empezará a vibrar la misma cuerda.
Este es un ejemplo de lo que se denomina resonancia, y
Es muy posible que esta sea la
explicación de varios hechos popularmente conocidos:
cantantes de ópera capaces de romper copas de cristal, la
caída de puentes cuando soldados marchan sobre ellos,
edificios que se desmoronan en terremotos y la caída del
famoso puente colgante de Tacoma Narrows en Estados Unidos
en 1940.
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