Ensayo de Carlos Alberto García Domínguez

El sonido y sus propiedades

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 de manera que toque delicadamente un vidrio ennegrecido con hollín de vela. Sobre el vidrio quedan dibujadas oscilaciones que se hacen más pequeñas a medida que el sonido del diapasón se desvanece.

¿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.

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 n0 =340m/s.

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 n 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.

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.

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.

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 determinación de la presión atmosférica en presencia de una onda sonora es 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 m2.

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).

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.

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.