Propiedades del sonido

El término «sonido» tiene un doble sentido: por un lado se emplea en sentido subjetivo para designar la sensación que experimenta un observador cuando las terminaciones de su nervio auditivo reciben un estímulo, pero también se emplea en sentido objetivo para describir las ondas producidas por compresión del aire que pueden estimular el nervio auditivo de un observador. Acústica es la parte de la física y de la técnica que estudia el sonido en toda la amplitud, ocupándose así de su producción y propagación, de su registro y reproducción, de la naturaleza del proceso de audición, de los instrumentos y aparatos para la medida, y del proyecto de salas de audición que reúnan cualidades idóneas para una perfecta audición. Como rama de la física, la acústica culminó su desarrollo en el siglo XIX, gracias sobre todo a los trabajos de Hermann von Helmholtz y de lord Rayleigh, y sus bases teóricas han permanecido prácticamente sin cambios desde finales de ese siglo. Sin embargo, desde el punto de vista técnico, a lo largo del siglo XX los progresos de la acústica han sido constantes, especialmente por lo que se refiere a sistemas para el registro y la reproducción del sonido.

El sonido se produce por la vibración de los cuerpos, la cual se transmite al aire que los rodea y, a través de éste, llega hasta nuestros oídos.

Dos experimentos muy sencillos permitirán confirmar estas aseveraciones.

1) Se disponen dos panderetas, próximas una frente a otra. De una de ellas se suspende un pequeño péndulo. Al golpear la otra, el péndulo comienza a vibrar.

2) Dentro de una campana en la que se ha hecho el vacío, se coloca un despertador: cuando se dispare la alarma no se oirá ningún sonido.

El experimento 1) demuestra que el sonido se produce por la vibración de un cuerpo, mientras que el experimento 2) demuestra que para que el sonido se transmita debe existir un medio elástico a través del cual se puedan propagar las vibraciones que lo originaron. Ese medio elástico es normalmente el aire, pero puede ser cualquier otro gas, un líquido o un sólido.

Cuando una onda sonora llega al tímpano del oído, éste entra en vibración y su vibración se transmite a los huesecillos que se apoyan suavemente sobre él. Es una situación del todo similar a la del experimento con dos panderetas dispuestas una frente a otra que habíamos propuesto.

Los instrumentos musicales ilustran perfectamente la variedad de cuerpos cuya vibración puede dar origen a un sonido. Esencialmente, en los instrumentos de viento, lo que vibra es la columna de aire contenida en el instrumento; en los instrumentos de cuerda, lo que vibra son las cuerdas del instrumento; y en los instrumentos de percusión lo que vibra es un diafragma o bien un objeto metálico (unos platillos, por ejemplo).

Para estudiar el sonido en una dimensión, usaremos el trazado de una forma de onda sinusoidal simple.  La figura A es una onda sinusoidal.

Amplitud.

La primera propiedad que una onda de sonido ha de tener es la amplitud. Subjetivamente, la intensidad de un sonido corresponde a nuestra percepción del mismo como más o menos fuerte. Cuando elevamos el volumen de la cadena de música o del televisor, lo que hacemos es aumentar la intensidad del sonido. La amplitud es la distancia por encima y por debajo de la línea central de la onda de sonido. La línea central es la línea horizontal, llamada cero grados. La flecha vertical  en la figura A denota la amplitud. La mayor distancia arriba y debajo de la línea central nos da el volumen del sonido.  (volumen es la palabra que se utiliza en los amplificadores de sonido) Si trabajáramos con estaciones o editores de audio digital, lo llamaríamos amplitud. Los displays de las estaciones de trabajo muestran el sonido grabado como una onda de sonido izquierda y derecha. Las ondas izquierda y derecha (denotan estéreo) se presentan en dos cajas o huecos rectangulares uno al lado de otro. Cuando se reproduce el sonido, el display se moverá y veremos el promedio del volumen de una compleja forma de onda. Si los puntos de luz o la aguja llegan al final de la escala, entonces habrá distorsión. Así, este display (en forma de aguja o de puntos luminosos) nos mostrará la amplitud de la onda y nos permitirá en todo momento saber cuando nos excedemos del volumen o cuando es inaudible.

Frecuencia.

La segunda propiedad es la frecuencia. Se mide en Hercios (Hertz, Hz) y nos permite saber a cuantos ciclos por segundo va esa onda. Un ciclo es cuando la onda sube hasta un punto máximo de amplitud, baja hasta atravesar la línea central y llega hasta el punto de amplitud máximo negativo y vuelve a subir hasta alcanzar la línea central. El tono o altura de un sonido depende de su frecuencia, es decir, del número de oscilaciones por segundo. El principio y el final de un ciclo se muestra por los números 1 y 2 de la figura A. Esta medida, que puede tener cualquier longitud, se conoce como longitud de onda y el número de veces que pasa esto en un segundo, se conoce como frecuencia de la onda. Cuanto mayor sea la frecuencia, más agudo será el sonido. Cuantos más ciclos por segundo, más elevado será el tono. Así, la frecuencia hace el tono. La altura de un sonido corresponde a nuestra percepción del mismo como más grave o más agudo. Esto puede comprobarse, por ejemplo, comparando el sonido obtenido al acercar un trozo de cartulina a una sierra de disco: cuanto mayor sea la velocidad de rotación del disco más alto será el sonido producido. Cada nota musical, tiene un valor en Hercios. Nosotros vemos las frecuencias representadas en nuestras mesas de mezclas o grabación como un conjunto. Así, en la sección EQ (ecualizadora) de la mesa podremos alterar una banda de frecuencias y elegir la que queramos aumentar y la que queramos disminuir. Conociendo como ciertas frecuencias afectan el sonido de un instrumento, podremos fácilmente ecualizar ese instrumento y cambiar su “personalidad”. Esto nos ayudará a mejorar el sonido gracias a la ecualización. Por ejemplo, entre 20Hz y 100Hz nos proporciona un fondo o cuerpo, entre 100Hz y 200Hz, calor, entre 500Hz y 1500Hz definición, entre 1500Hz y 4KHz articulación, entre 4KHz y 10KHz brillo y entre 10KHz y 20KHz expansión. El ingeniero utiliza las frecuencias como las pinturas de un cuadro sonoro.

Timbre.

El timbre es la cualidad del sonido que nos permite distinguir entre dos sonidos de la misma intensidad y altura. Podemos así distinguir si una nota ha sido tocada por una trompeta o por un violín. Esto se debe a que todo sonido musical es un sonido complejo que puede ser considerado como una superposición de sonidos simples. De esos sonidos simples, el sonido fundamental de frecuencia n es el de mayor intensidad y va acompañado de otros sonidos de intensidad menor y de frecuencia 2n, 3n, 4n, etc. Los sonidos que acompañan al fundamental constituyen susarmónicos y de sus intensidades relativas depende el timbre. Sin embargo, muchos instrumentos, tales como el piano, el arpa, etc., no emiten un único sonido musical que quepa considerar como una superposición de sonidos simples armónicos, sino que emiten un sonido constituido por superposición de sonidos parciales.

Para estudiar la altura del sonido se emplea el diapasón, barra metálica en forma de U que al vibrar produce un tono cuya altura depende de la longitud de los brazos y de la anchura, y es independiente del espesor. Si en el extremo de un brazo del diapasón se fija una aguja de escritura que se apoye sobre un papel, al acercar una fuente de sonido al otro brazo del diapasón, éste entra en vibración y la aguja registra sobre el papel la vibración.

Velocidad.

Esta es la propiedad más simple y precisa del sonido. La velocidad del sonido en un medio puede medirse con gran precisión. Se comprueba que dicha velocidad es independiente de la frecuencia y la intensidad del sonido, dependiendo únicamente de la densidad y la elasticidad del medio. Así, es mayor en los sólidos que en los líquidos y en éstos mayor que en los gases. En el aire, y en condiciones normales, es de 330,7 m/s.

Puede demostrarse que la velocidad de propagación de una onda longitudinal en un medio de densidad r y módulo de compresibilidad e viene dada por la fórmula:

Suponiendo que al propagarse una onda sonora en el aire tiene lugar una transformación isotérmica, es decir, regida por la ley de Boyle-MariotteP·V = cte., será:

de donde . Esta expresión coincide con la definición del módulo de compresibilidad, por lo que, en este caso, es e = P. Sustituyendo ese valor en la expresión de la velocidad de una onda longitudinal llegamos a la fórmula de Newton para la velocidad del sonido en el aire:

Como en condiciones normales es P =101 325 Pa y r = 1,293 kg/m3, sustituyendo valores en la fórmula se obtiene v = 280 m/s, valor que difiere bastante del experimental.

Laplace corrigió a Newton razonando que, como las compresiones y dilataciones son muy rápidas, no hay tiempo para que se produzcan cambios de calor, o sea, que la transformación es adiabática en lugar de isotérmica. En este caso la relación entre la presión y el volumen del gas es P·Vg= cte., donde g es una constante característica de cada gas, que en el caso del aire vale 1,4. A partir de esta relación se llega a:

que da un valor de v = 331 m/s, muy próximo al valor experimental.

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