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El Sonido
Este artículo se ocupa de este campo de la física en líneas
generales. Para lo relativo a la ciencia arquitectónica del
diseño de estancias y edificios con propiedades adecuadas de
propagación y recepción del sonido, véase Acústica. Para lo
relativo a la naturaleza del proceso fisiológico de la
audición de sonidos y la anatomía del mecanismo de audición en
personas y animales, véase Oído. En cuanto a las propiedades
generales de la producción y propagación de ondas
vibracionales, entre ellas las ondas de sonido, véase
Movimiento ondulatorio; Oscilación.
En general, las ondas pueden propagarse de forma transversal o
longitudinal. En ambos casos, sólo la energía y la cantidad de
movimiento del movimiento ondulatorio se propagan en el medio;
ninguna parte del propio medio se mueve físicamente a una gran
distancia. Por ejemplo, imaginemos que atamos firmemente una
cuerda a un poste por un extremo, la estiramos sin tensarla
del todo y sacudimos el otro extremo. Una onda se desplazará
por la cuerda hacia el poste, donde se reflejará y volverá
hacia la mano. En realidad, ninguna parte de la cuerda se
mueve longitudinalmente hacia el poste, pero todas las partes
de la cuerda se mueven transversalmente. Este tipo de
movimiento ondulatorio se denomina onda transversal. Del mismo
modo, si tiramos una piedra a un estanque, una serie de ondas
transversales se propaga desde el punto de impacto. Un corcho
que flote cerca de dicho punto se moverá hacia arriba y hacia
abajo, es decir, de forma transversal a la dirección del
movimiento ondulatorio, pero apenas mostrará movimiento
longitudinal. En cambio, una onda de sonido es una onda
longitudinal. A medida que la energía del movimiento
ondulatorio se propaga alejándose del centro de la
perturbación, las moléculas de aire individuales que
transmiten el sonido se mueven hacia delante y hacia atrás, de
forma paralela a la dirección del movimiento ondulatorio. Por
tanto, una onda de sonido es una serie de compresiones y
enrarecimientos sucesivos del aire. Cada molécula individual
transmite la energía a las moléculas vecinas, pero una vez que
pasa la onda de sonido, las moléculas permanecen más o menos
en la misma posición.
2 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS
Cualquier sonido sencillo, como una nota musical, puede
describirse en su totalidad especificando tres características
de su percepción: el tono, la intensidad y el timbre. Estas
características corresponden exactamente a tres
características físicas: la frecuencia, la amplitud y la
composición armónica o forma de onda. El ruido es un sonido
complejo, una mezcla de diferentes frecuencias o notas sin
relación armónica.
2.1 Frecuencia
Existen distintos métodos para producir sonido de una
frecuencia deseada. Por ejemplo, un sonido de 440 Hz puede
crearse alimentando un altavoz con un oscilador sintonizado a
esa frecuencia (véase Grabación de sonido y reproducción).
También puede interrumpirse un chorro de aire mediante una
rueda dentada con 44 dientes que gire a 10 revoluciones por
segundo; este método se emplea en las sirenas. Los sonidos de
un altavoz y una sirena de la misma frecuencia tendrán un
timbre muy diferente, pero su tono será el mismo, equivalente
al la situado sobre el do central en un piano. El siguiente la
del piano, la nota situada una octava por encima, tiene una
frecuencia de 880 Hz. Las notas situadas una y dos octavas por
debajo tienen frecuencias de 220 y 110 Hz respectivamente. Por
definición, una octava es el intervalo entre dos notas cuyas
frecuencias tienen una relación de uno a dos.
Una ley fundamental de la armonía afirma que dos notas
separadas por una octava producen una combinación eufónica
cuando suenan simultáneamente. Cuando el intervalo es de una
quinta o de una tercera mayor, la combinación es
progresivamente menos eufónica. En física, un intervalo de una
quinta implica que la relación de las frecuencias de ambas
notas es de tres a dos; en una tercera mayor, la relación es
de cinco a cuatro. La ley de la armonía afirma que dos o más
notas producen un sonido eufónico al sonar de forma simultánea
si la relación entre sus frecuencias corresponde a números
enteros pequeños; si las frecuencias no presentan dichas
relaciones, se produce una disonancia. En un instrumento de
tonos fijos, como un piano, no es posible establecer las notas
de forma que todas estas relaciones sean exactas, por lo que
al afinarlo es necesario un cierto compromiso de acuerdo con
el sistema de tonos medios o escala temperada.
2.2 Amplitud
La amplitud de una onda de sonido es el grado de movimiento de
las moléculas de aire en la onda, que corresponde a la
intensidad del enrarecimiento y compresión que la acompañan.
Cuanto mayor es la amplitud de la onda, más intensamente
golpean las moléculas el tímpano y más fuerte es el sonido
percibido. La amplitud de una onda de sonido puede expresarse
en unidades absolutas midiendo la distancia de desplazamiento
de las moléculas del aire, o la diferencia de presiones entre
la compresión y el enrarecimiento, o la energía transportada.
Por ejemplo, la voz normal presenta una potencia de sonido de
aproximadamente una cienmilésima de vatio. Sin embargo, todas
esas medidas son muy difíciles de realizar, y la intensidad de
los sonidos suele expresarse comparándolos con un sonido
patrón; en ese caso, la intensidad se expresa en decibelios
(ver el apartado “Sensaciones de tono” más adelante).
2.3 Intensidad
La distancia a la que se puede oír un sonido depende de su
intensidad, que es el flujo medio de energía por unidad de
área perpendicular a la dirección de propagación. En el caso
de ondas esféricas que se propagan desde una fuente puntual,
la intensidad es inversamente proporcional al cuadrado de la
distancia, suponiendo que no se produzca ninguna pérdida de
energía debido a la viscosidad, la conducción térmica u otros
efectos de absorción. Por ejemplo, en un medio perfectamente
homogéneo, un sonido será nueve veces más intenso a una
distancia de 100 metros que a una distancia de 300 metros. En
la propagación real del sonido en la atmósfera, los cambios de
propiedades físicas del aire como la temperatura, presión o
humedad producen la amortiguación y dispersión de las ondas
sonoras, por lo que generalmente la ley del inverso del
cuadrado no se puede aplicar a las medidas directas de la
intensidad del sonido.
2.4 Timbre
Si se toca el la situado sobre el do central en un violín, un
piano y un diapasón, con la misma intensidad en los tres
casos, los sonidos son idénticos en frecuencia y amplitud,
pero muy diferentes en timbre. De las tres fuentes, el
diapasón es el que produce el tono más sencillo, que en este
caso está formado casi exclusivamente por vibraciones con
frecuencias de 440 Hz. Debido a las propiedades acústicas del
oído y las propiedades de resonancia de su membrana vibrante,
es dudoso que un tono puro llegue al mecanismo interno del
oído sin sufrir cambios. La componente principal de la nota
producida por el piano o el violín también tiene una
frecuencia de 440 Hz. Sin embargo, esas notas también
contienen componentes con frecuencias que son múltiplos
exactos de 440 Hz, los llamados tonos secundarios, como 880,
1.320 o 1.760 Hz. Las intensidades concretas de esas otras
componentes, los llamados armónicos, determinan el timbre de
la nota.
2.5 Velocidad del sonido
La frecuencia de una onda de sonido es una medida del número
de vibraciones por segundo de un punto determinado. La
distancia entre dos compresiones o dos enrarecimientos
sucesivos de la onda se denomina longitud de onda. El producto
de la longitud de onda y la frecuencia es igual a la velocidad
de propagación de la onda, que es la misma para sonidos de
cualquier frecuencia (cuando el sonido se propaga por el mismo
medio a la misma temperatura). Por ejemplo, la longitud de
onda del la situado sobre el do central es de unos 78,2 cm, y
la del la situado por debajo del do central es de unos 156,4
centímetros.
La velocidad de propagación del sonido en aire seco a una
temperatura de 0 °C es de 331,6 m/s. Al aumentar la
temperatura aumenta la velocidad del sonido; por ejemplo, a 20
°C, la velocidad es de 344 m/s. Los cambios de presión a
densidad constante no tienen prácticamente ningún efecto sobre
la velocidad del sonido. En muchos otros gases, la velocidad
sólo depende de su densidad. Si las moléculas son pesadas, se
mueven con más dificultad, y el sonido avanza más despacio por
el medio. Por ejemplo, el sonido avanza ligeramente más
deprisa en aire húmedo que en aire seco, porque el primero
contiene un número mayor de moléculas más ligeras. En la
mayoría de los gases, la velocidad del sonido también depende
de otro factor, el calor específico, que afecta a la
propagación de las ondas de sonido.
Generalmente, el sonido se mueve a mayor velocidad en líquidos
y sólidos que en gases. Tanto en los líquidos como en los
sólidos, la densidad tiene el mismo efecto que en los gases;
la velocidad del sonido varía de forma inversamente
proporcional a la raíz cuadrada de la densidad. La velocidad
también varía de forma proporcional a la raíz cuadrada de la
elasticidad. Por ejemplo, la velocidad del sonido en agua es
de unos 1.500 m/s a temperaturas ordinarias, pero aumenta
mucho cuando sube la temperatura. La velocidad del sonido en
el cobre es de unos 3.500 m/s a temperaturas normales y
decrece a medida que aumenta la temperatura (debido a la
disminución de la elasticidad). En el acero, más elástico, el
sonido se desplaza a unos 5.000 m/s; su propagación es muy
eficiente.
2.6 Refracción, reflexión e interferencias
El sonido avanza en línea recta cuando se desplaza en un medio
de densidad uniforme. Sin embargo, igual que la luz, el sonido
está sometido a la refracción, es decir, la desviación de las
ondas de sonido de su trayectoria original (Véase Óptica). En
las regiones polares, por ejemplo, donde el aire situado cerca
del suelo es más frío que el de las capas más altas, una onda
de sonido ascendente que entra en la región más caliente,
donde el sonido avanza a más velocidad, se desvía hacia abajo
por la refracción. La excelente recepción del sonido a favor
del viento y la mala recepción en contra del viento también se
deben a la refracción. La velocidad del aire suele ser mayor
en las alturas que cerca del suelo; una onda de sonido
ascendente que avanza a favor del viento se desvía hacia el
suelo, mientras que una onda similar que se mueve en contra
del viento se desvía hacia arriba, por encima de la persona
que escucha.
El sonido también se ve afectado por la reflexión, y cumple la
ley fundamental de que el ángulo de incidencia es igual al
ángulo de reflexión. Un eco es el resultado de la reflexión
del sonido. El sonar se basa en la reflexión de los sonidos
propagados en agua. Una bocina es un tubo cónico que forma un
haz de ondas de sonido reflejando algunos de los rayos
divergentes en los lados del tubo. Un tubo similar puede
recoger ondas de sonido si se dirige el extremo ancho hacia la
fuente de sonido.
El sonido también experimenta difracción e interferencia. Si
el sonido de una única fuente llega a un oyente por dos
trayectorias diferentes —por ejemplo, una directa y otra
reflejada—, los dos sonidos pueden reforzarse; sin embargo, si
no están en fase pueden interferir de forma que el sonido
resultante sea menos intenso que el sonido directo sin
reflexión. Las trayectorias de interferencia son distintas
para sonidos de diferentes frecuencias, con lo que la
interferencia produce distorsión en sonidos complejos. Dos
sonidos de distintas frecuencias pueden combinarse para
producir un tercer sonido cuya frecuencia es igual a la suma o
diferencia de las dos frecuencias originales.
3 SENSACIONES DE TONO
Si se practica una audimetría a una persona joven normal, se
comprueba que su oído es sensible a todos los sonidos entre
15-20 hercios y 15.000-20.000 hercios. El oído de las personas
mayores es menos agudo, sobre todo en las frecuencias más
elevadas. El oído es especialmente sensible en la gama que va
desde el la situado por encima del do central hasta el la que
está cuatro octavas por encima; en esa zona, una persona puede
percibir un sonido cientos de veces más débil que una octava
por encima o dos octavas por debajo. El grado en que un oído
sensible puede distinguir entre dos notas puras que difieran
ligeramente en intensidad o frecuencia varía en los diferentes
rangos de intensidad y frecuencia de los tonos. En sonidos de
intensidad moderada situados en el rango de frecuencia para el
que el oído es más sensible (entre 1.000 y 2.000 Hz
aproximadamente), es posible distinguir una diferencia de
intensidad de un 20% (1 decibelio, o dB) y una diferencia en
frecuencia de un 0,33% (alrededor de una vigésima de nota). En
este mismo rango, la diferencia entre el sonido más tenue que
puede oírse y el sonido más fuerte que puede distinguirse como
tal sonido (los sonidos más fuertes se “sienten”, o perciben,
como estímulos dolorosos) es de unos 120 decibelios: una
diferencia de intensidad de aproximadamente un billón de
veces.
Todas estas pruebas de sensibilidad se refieren a tonos puros,
como los producidos por un oscilador electrónico. Incluso para
esos tonos puros, el oído es imperfecto. Dos notas con
frecuencia idéntica pero una gran diferencia de intensidad
pueden aparentar una ligera diferencia de tono. Más importante
resulta la diferencia en las intensidades relativas aparentes
en las distintas frecuencias. A intensidades altas, el oído es
aproximadamente igual de sensible a la mayoría de las
frecuencias, pero a bajas intensidades el oído es mucho más
sensible a las frecuencias medias que a las extremas. Por
tanto, un equipo de reproducción de sonido que funciona
perfectamente parecerá no reproducir las notas más graves y
agudas si se reduce mucho la intensidad.
3.1 Tres tipos de sonido importantes
En la voz, la música y el ruido, es raro escuchar un tono
puro. Una nota musical contiene, además de la frecuencia
fundamental, tonos más agudos que son armónicos de la misma.
La voz contiene una mezcla compleja de sonidos, de los que
algunos (pero no todos) guardan una relación armónica entre
sí. El ruido está formado por una mezcla de muchas frecuencias
diferentes dentro de un determinado rango; por tanto, puede
compararse con la luz blanca, que se compone de una mezcla de
luces de los distintos colores. Los distintos ruidos se
distinguen por sus diferentes distribuciones de energía en los
distintos rangos de frecuencias (véase Espectro).
Cuando se transmite al oído un tono musical que contiene
determinados armónicos del tono fundamental, pero carece de
otros armónicos o del propio tono fundamental, el oído forma
diferentes “batidos” o pulsaciones cuya frecuencia es la suma
o la diferencia de los sonidos originales, con lo que producen
los armónicos que faltan o el tono fundamental que no figura
en el sonido original. Estas notas también son armónicos de la
nota fundamental original. Esta respuesta incorrecta del oído
puede resultar útil. Por ejemplo, un equipo reproductor de
sonido sin un altavoz grande no puede producir sonidos de tono
más grave que el do situado dos octavas por debajo del do
central; sin embargo, el oído de una persona que escuche ese
equipo puede proporcionar la nota fundamental a partir de las
frecuencias de batido de sus armónicos. Otra imperfección del
oído ante los sonidos ordinarios es la incapacidad de oír
notas de alta frecuencia cuando existen sonidos de baja
frecuencia de intensidad considerable. Este fenómeno se
denomina enmascaramiento.
En general, para que se entienda el habla y se comprenda
satisfactoriamente un tema musical basta reproducir las
frecuencias entre 250 y 3.000 Hz (el rango de frecuencias de
un teléfono normal), aunque algunos sonidos —como la zeta—
requieren frecuencias de hasta 6.000 Hz. Sin embargo, para que
el efecto sea natural hay que reproducir el rango que va
aproximadamente de 100 a 10.000 Hz. Los sonidos generados por
unos pocos instrumentos musicales sólo pueden reproducirse con
naturalidad con frecuencias algo más bajas, y algunos ruidos
necesitan frecuencias más altas.
En cuanto a la conversión de ondas de sonido en ondas
eléctricas y viceversa, véase Micrófono; Teléfono.
4 PERSPECTIVA HISTÓRICA
Los pueblos antiguos efectuaron numerosas especulaciones sobre
los fenómenos elementales del sonido; sin embargo, con la
excepción de unas pocas suposiciones que resultaron ser
ciertas, la ciencia del sonido no empezó a desarrollarse hasta
aproximadamente 1600 d.C. A partir de aquella época, el
conocimiento del sonido avanzó con más rapidez que el
conocimiento de los fenómenos luminosos correspondientes, ya
que estos últimos son más difíciles de observar y medir.
A los antiguos griegos no les preocupaba demasiado el estudio
científico del sonido, pero estaban muy interesados por la
música, y consideraban que representaba los “números
aplicados”, frente a la aritmética, que representaba los
“números puros”. El filósofo Pitágoras descubrió que una
octava corresponde a una relación de frecuencias de dos a uno,
y enunció la ley que vincula la consonancia a las relaciones
numéricas; posteriormente construyó todo un edificio de
especulaciones místicas en torno a esa ley. Aristóteles, en
unas breves observaciones sobre el sonido, realizó una
suposición bastante acertada sobre la naturaleza de su
generación y transmisión. Sin embargo, no se efectuaron
estudios experimentales válidos hasta 1600, cuando Galileo
llevó a cabo un estudio científico del sonido y enunció muchas
de sus leyes fundamentales. Galileo determinó la relación
entre tono y frecuencia, y unas leyes musicales de armonía y
disonancia que eran, en esencia, las que se han descrito en
este artículo. También explicó de forma teórica cómo la
frecuencia natural de vibración de una cuerda tensa, y por
tanto la frecuencia de los sonidos producidos por un
instrumento de cuerda, depende de la longitud, peso y tensión
de la cuerda.
4.1 Los siglos XVII y XVIII
El matemático francés Marin Mersenne realizó medidas
cuantitativas en relación con el sonido al hallar el tiempo de
retorno de un eco y calcular un valor de la velocidad del
sonido que difería del valor real en menos del 10%. Mersenne
también fue el primero en medir de forma aproximada la
frecuencia de una nota de tono determinado. Midió la
frecuencia de vibración de un cable largo y pesado cuyo
movimiento era tan lento que podía seguirse a simple vista;
después, a partir de consideraciones teóricas, calculó la
frecuencia de un cable corto y ligero que producía un sonido
audible.
En 1660, el científico inglés de origen irlandés Robert Boyle
demostró que el sonido necesitaba un medio gaseoso, líquido o
sólido para su transmisión. Boyle colgó una campana de una
cuerda en el vacío y mostró que, aunque podía verse cómo el
badajo golpeaba la campana, no se oía ningún sonido.
El matemático y físico británico Isaac Newton fue el primero
en realizar un tratamiento matemático del sonido en sus
Principios matemáticos de la filosofía natural (1687). Una vez
demostrado que la propagación del sonido a través de cualquier
fluido sólo dependía de propiedades físicas medibles del
fluido, como la elasticidad o la densidad, Newton calculó a
partir de consideraciones teóricas la velocidad del sonido en
el aire.
El siglo XVIII fue sobre todo un periodo de desarrollo
teórico. El cálculo supuso una potente herramienta nueva para
científicos de muchos campos. Los matemáticos franceses Jean
le Rond d'Alembert y Joseph Louis Lagrange y los matemáticos
suizos Johann Bernoulli y Leonhard Euler contribuyeron al
conocimiento de cuestiones como el tono y el timbre del sonido
producido por un instrumento musical determinado, o la
velocidad y naturaleza de la transmisión del sonido en
diferentes medios. Sin embargo, el tratamiento matemático
completo del sonido requiere el análisis armónico,
desarrollado por el matemático francés Joseph Fourier en 1822
y aplicado al sonido por el físico alemán Georg Simon Ohm.
Las variaciones de sonido denominadas “batidos”, una
consecuencia de la naturaleza ondulatoria del sonido, fueron
descubiertas en torno a 1740 por el violinista italiano
Giuseppe Tartini y el organista alemán Georg Sorge. El físico
alemán Ernst Chladni realizó numerosos descubrimientos sobre
el sonido a finales del siglo XVIII, sobre todo en relación
con la vibración de cuerdas y varillas.
4.2 Siglos XIX y XX
El siglo XIX supuso, sobre todo, una era de desarrollo
experimental. Las primeras medidas precisas de la velocidad
del sonido en el agua fueron llevadas a cabo en 1826 por el
matemático francés Jacques-Charles-François Sturm, y a lo
largo del siglo se realizaron numerosos experimentos para
determinar con extremada precisión la velocidad de sonidos de
diferentes frecuencias en distintos medios. La ley fundamental
que dice que la velocidad es la misma para sonidos de
cualquier frecuencia y depende de la densidad y elasticidad
del medio quedó establecida en dichos experimentos.
Durante el siglo XIX se emplearon en el estudio del sonido
aparatos como el estroboscopio, el fonendoscopio o la sirena.
En este siglo se dedicó también mucho interés al
establecimiento de un patrón de tono. La primera sugerencia de
un patrón la realizó el físico francés Joseph Sauveur
alrededor de 1700. Sauveur propuso que el do equivaliera a 256
Hz, un patrón cómodo desde el punto de vista matemático (al
ser una potencia de dos). El físico alemán Johann Heinrich
Scheibler llevó a cabo la primera determinación precisa de la
frecuencia de un tono, y en 1834 propuso como patrón que el la
equivaliera a 440 Hz. En 1859, el gobierno francés decretó que
el patrón para el la fuera de 435 Hz, según las
investigaciones del físico francés Jules Antoine Lissajous.
Este patrón se aceptó en muchas regiones del mundo hasta bien
entrado el siglo XX.
En el siglo XIX se inventaron el teléfono, el micrófono y
diversos tipos de gramófono, todos ellos muy útiles para el
estudio del sonido. En el siglo XX, los físicos dispusieron
por primera vez de instrumentos que hacían posible un estudio
sencillo, preciso y cuantitativo del sonido. Mediante
osciladores electrónicos pueden producirse ondas
electromagnéticas de cualquier tipo y convertirlas en sonido
mediante sistemas electromagnéticos o piezoeléctricos (véase
Electrónica). En sentido inverso, es posible convertir los
sonidos en corrientes eléctricas mediante un micrófono,
amplificarlas electrónicamente sin distorsión y analizarlas
mediante un osciloscopio de rayos catódicos. Las técnicas
modernas permiten grabar y reproducir el sonido con una
fidelidad extremadamente elevada.
En la I Guerra Mundial, las necesidades militares llevaron a
emplear por primera vez el sonar para la detección de
submarinos, que hoy también se emplea para estudiar las
corrientes y capas oceánicas y para realizar mapas de los
fondos marinos. En la actualidad, las ondas de sonido de
frecuencias muy elevadas (ultrasonidos) se emplean en
numerosas aplicaciones técnicas y médicas.
Artículo enviado
por Manuel Sanchez León, Valladolid, España.
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