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El sonido y sus propiedades
( Publicado en Revista Creces, Agosto 1989 )
Vivimos en un mundo sonoro. Nuestro oído es capaz de percibir una amplia gama de
sonidos que hacen nuestra vida más grata... , o a veces intolerable. Demos una mirada a
algunas propiedades físicas del sonido que nos ayuden a apreciarlos mejor.
Llamaremos "sonido" al conjunto de sensaciones que es capaz de percibir nuestro sistema
auditivo. En el mundo del sonido debemos distinguir dos ámbitos, que, siendo ambos
importantes, son en cierto modo complementarlos. Por una parte está la física del sonido,
disciplina conocida con el nombre de acústica, que se aboca a estudiar los fenómenos que
ocurren fuera de la conciencia humana, y por otro, lo que podría denominarse la
psicoacústica, disciplina que se dedica a analizar las impresiones subjetivas que el sonido
induce en cada persona. Esto es, la forma en que el cerebro interpreta los estímulos
sonoros registrados por el oído. En estos apuntes analizaremos sólo algunos aspectos
físicos del mundo del sonido.
Generación y propagación del sonido
Al observar, o también al palmar una cuerda de guitarra, nos damos cuenta de inmediato
que ella emite sonido sólo cuando está en movimiento. De hecho, para que una fuente
sonora emita un tono, ella debe realizar un movimiento periódico. Podemos fácilmente
visualizar este comportamiento oscilatorio de una fuente sonora en el caso de un
diapasón, trasladándolo (mientras emite sonido) de manera que toque delicadamente un
vidrio ennegrecido con hollín de vela (ver figura l). Sobre el vidrio quedan dibujadas
oscilaciones que se hacen más pequeñas a medida que el sonido del diapasón se
desvanece.
Para conocer algo sobre la propagación del sonido, analicemos el siguiente experimento:
bajo una campana de vidrio colocamos, sobre un trozo de espuma una campanilla (ver
figura 2). El sonido de la campanilla se escucha bien mientras no evacuemos el aire desde
su interior. Si realizamos precisamente esto, con la ayuda de una bomba de vacío, a
medida que el aire se enrarece la intensidad del sonido disminuye hasta desvanecerse
completamente. De este experimento deducimos que el sonido requiere de un medio para
propagarse (en el vacío no hay propagación de sonido).
¿Cómo modifica la fuente sonora al medio? Al vibrar una fuente sonora, como por ejemplo,
la membrana de un parlante, ella sucesivamente comprime y enrarece el aire que se
encuentra a su alrededor. Tal perturbación de la densidad del aire se propaga luego en
forma análoga a como se propaga una ola generada en una laguna al lanzarse una piedra.
Al propasarse, una onda de sonido induce sólo un pequeño movimiento del aire. Las
partículas de aire no se trasladan una distancia neta, aún cuando el sonido continúa
alejándose de la fuente sonora. Esto es análogo a lo que ocurre en un líquido; un objeto
que flota en el agua sólo describe un pequeño círculo al pasar una ola; el objeto no es
arrastrado por el oleaje.
El sonido no sólo se propaga en el aire; también lo hace a través de todos los demás
cuerpos sólidos, líquidos y gases. La mayoría de los sólidos y líquidos son buenos
conductores del sonido. Un experimento que ilustra la buena conductividad del sonido de
un sólido se muestra en la figura 3. Allí nos alejamos de un reloj que descansa sobre un
cojinete del algodón, hasta que deje de escucharse su tic-tac. Al apoyar una varilla de
madera sobre el reloj y colocar el oído junto a ella percibimos nuevamente en forma nítida
su tic-tac.
Existen buenos y malos conductores del sonido. Los gases y las sustancias porosas y
sueltas como el algodón, la lana y el plumavit, son malos conductores del sonido, y por
consiguiente son precisamente los materiales que se usan como aislantes acústicos.
Velocidades del sonido
Numerosas experiencias de la vida cotidiana nos enseñan que el sonido se propaga a una
velocidad menor que la de la luz. Por ejemplo, el ruido de un avión a turbina que nos
sobrepasa a gran altura pareciera no provenir del lugar donde observamos el avión. Otro
ejemplo ocurre durante las tempestades eléctricas. De hecho, es usual medir el tiempo
transcurrido entre el relámpago y el trueno para estimar la distancia a la que se encuentra
la tormenta.
En el aire (a 15°C) el sonido se propaga con una velocidad 0 =340m/s. Las velocidades
de propagación del sonido en algunas otras sustancias se muestran en la tabla 1.
Frecuencia
Hemos definido un tono como el sonido producido por una fuente sonora que realiza
oscilaciones regulares. Hay cuatro propiedades básicas que caracterizan a un tono, a
saber: frecuencia, intensidad, duración y timbre.
La frecuencia  es el número de oscilaciones por unida de tiempo realizada por la fuente
sonora. La frecuencia se mide en Hertz (HZ), en honor al físico alemán Heinrich Hertz,
descubridor de las ondas electromagnéticas, y corresponde a una oscilación por segundo.
Para oír cómo la frecuencia de un tono influye sobre nuestra percepción sonora,
consideremos el dispositivo mostrado en la figura 4. Un disco con 48 perforaciones
regularmente espaciadas y equidistantes del centro, lo hacemos girar en forma regular con
la ayuda de un motor eléctrico cinco veces por segundo. Al soplar con una pajita a través
de las perforaciones, el flujo de aire será interrumpido 48*5=240 veces por segundo. De
esta manera se produce una perturbación periódica de la densidad del aire, o sea un tono
de frecuencia  =240 HZ. Ahora bien, al aumentar la velocidad de giro del disco, es decir,
al aumentar la frecuencia, encontramos que el tono se torna más agudo mientras que, al
disminuir la frecuencia con que se interrumpe el flujo de aire, el tono se vuelve más grave.
El oído humano es capaz de percibir tonos de frecuencia entre 16Hz y ~20000Hz.
Frecuencias menores de 16Hz se perciben como pulsaciones separadas. A su vez, ondas
sonoras con frecuencias mayores de 20Khz no producen sensaciones auditivas en las
personas; tales son los sonidos ultrasónicos. Ciertos animales pueden percibir frecuencias
bastantes mayores que los humanos; en perros, el límite superior se extiende hasta
~40Khz, y los murciélago, que es bien sabido se orientan por medio de ultrasonido,
pueden escuchar frecuencias de hasta 65 Khz.
La tabla 2 muestra el rango de frecuencia de la voz humana y una serie de
instrumentos.
¿Cuál es la sensibilidad del oído para distinguir dos sonidos de frecuencias distintas pero
parecidas?. Para sonidos con frecuencias entre 500-4000 Hz, en condiciones bien
controladas, la sensibilidad es ~0.3%. Es decir, dos sonidos en el rango de frecuencias
antes señalado, de igual timbre e intensidad y que suenen en forma consecutiva durante
un tiempo no demasiado corto, deben diferir al menos 3 Hz para que puedan ser
distinguidos.
Lo señalado, en el párrafo anterior explica el porqué de una de las normas de alta fidelidad
(HiFi) exigidas para los tocadiscos: estos deben girar uniformemente, permitiéndose
fluctuaciones no superiores al 0.2%.
Los sonidos pueden tener una amplia gama de intensidades. En el aire, la intensidad
depende de la amplitud de las fluctuaciones de la densidad del aire generadas por la onda
sonora. La figura 5 muestra en forma esquemática dos sonidos de la misma frecuencia
pero de intensidad distinta.
Como es bien sabido, un aumento de la densidad del aire origina un aumento de su
presión. La determinación de la presión atmosférica en presencia de una onda sonora es,
por lo tanto, una buena manera de establecer su intensidad.
La presión se mide en Pascales. Por definición:
1 Pa = 1 N/m2 = 0.00001 bar = 10-5 bar o sea, 1 Pascal es igual a la presión ejercida por
una fuerza de 1 Newton repartida uniformemente sobre una superficie de 1 m 2 (La presión
de 1 bar corresponde aproximadamente a la presión atmosférica).
Al escuchar un tono, la presión atmosférica que actúa sobre el tímpano no es uniforme
sino que varía periódicamente. Para que el oído perciba sonido, las variaciones de la
presión deben ser al menos de 0.00002 Pa. Esta presión umbral es muy pequeña (de sólo
2 x 10-10 atmósferas) y es una muestra de la extraordinaria sensibilidad de nuestro oído.
Otra unidad usada comúnmente para caracterizar la intensidad de un sonido es el decibel
(dB). La tabla 3 muestra la presión sonora de varias fuentes de sonido, como también su
equivalencia en decibeles. De la tabla se observa que el rango dinámico del oído es
extraordinario. La presión sonora entre el umbral de sonido y el umbral de dolor difieren
en un factor mayor que un millón.
Para un sonido de 1000 Hz, una persona subjetivamente percibe que la intensidad del
sonido aumenta al doble cada vez que hay un aumento de 10 dB.
¿Cuál es la sensibilidad del oído a la intensidad de los sonidos? Bajo condiciones
controladas una persona es capaz de percibir diferencias de 1 dB en la intensidad de un
tono. Sin embargo, una secuencia de tonos distintos, todos dentro de un rango de 5 dB,
son percibidos como de intensidad uniforme por el oído humano.
La unidad decibel es usada también por los fabricantes de equipos de alta fidelidad para
caracterizar la calidad de sus productos. Para que un receptor de frecuencia modulada
pueda ser considerado un equipo HiFi, debe tener una razón señal-ruido de al menos 54
dB. Esto significa que si la radio se escucha bastante fuerte de manera que el sonido
emitido sea de 64 dB, entonces el ruido de fondo durante los silencios no debe exceder los
10 dB, o sea, no debe ser mayor que el ruido producido por la respiración de una persona.
Duración, decaimiento y color de un tono
E1 timbre y la duración de un sonido son las propiedades que nos permiten distinguir un
Do central de un piano, de la misma nota producida por una flauta dulce.
La flauta dulce es capaz de producir un tono de larga duración y de intensidad
relativamente constante. En comparación, la misma nota musical producida por un piano
decae en intensidad rápidamente. La duración de un tono, la forma cómo decae y también
la forma cómo se inicia (o se establece) son características típicas de los tonos generados
por los distintos instrumentos musicales.
Obviamente, no sólo la evolución temporal de un tono permite distinguir dos instrumentos
entre sí, sino también ese otro aspecto que se conoce como timbre o color del tono. El
timbre de un sonido depende de la intensidad de los distintos armónicos que lo componen.
Este concepto será discutido con mayor detalle en otra oportunidad.
Artículo extraído de CRECES EDUCACIÓN - www.creces.cl