Velocidad de propagación del sonido

El sonido como cualquier otra onda, depende de un medio para  propagarse. Es imposible su transporte por el vacío porque no hay átomos a través de los cuales transmitirse. Por este motivo el sonido no se desplaza con la misma velocidad en todos los medios. Por ejemplo, no se desplaza con la misma velocidad a través del agua, que a traves del aire.

En general, la velocidad del sonido es mayor en los sólidos que en los líquidos y en los líquidos es mayor que en los gases. Esto debido a la composición molecular o atómica de los estados de la materia.

Pero  la velocidad del sonido no  depende solamente del medio en que se propague sino tambien a la temperatura que se encuentre ese medio. Para explicarlo mejor hemos realizado una gráfica de como varia la velocidad del sonido segun aumenta o disminuye la temperatura del aire.

Como se observa la velocidad del sonido en el aire aumenta aproximadamente 6 m/s cada 10 ºC.

La velocidad del sonido en un gas no es constante, sino que depende de la temperatura. De la ecuación de un gas ideal pV=nRT, o bien :

La fórmula de la velocidad del sonido queda finalmente en función de la temperatura t del gas en grados centígrados:

Cuando la temperatura del aire aumenta, las moléculas disponen de más energía para moverse a mayor distancia. Esto facilita la propagación de la onda.

Por eso en un medio frío, las moléculas se mueven más lentamente, lo que reduce la velocidad a la que se transmite el sonido.

Propiedades del Sonido

En esta seccion vamos a explicar alguna de las propiedades que tiene el sonido. Para ayudar a entenderlo emplearemos varias imagenes, videos y algun que otro applet. Estas propiedades van a ser: Las ondas estacionarias, la reflexión y refracción del sonido, El efecto Doppler, Los ultrasonidos e infrasonidos y por ultimo, las ondas de choque.

Ondas estacionarias

Una onda estacionaria se forma por la interferencia de dos ondas de la misma naturaleza con igual amplitud, longitud de onda y frecuencia que avanzan en sentido opuesto a través de un medio.

Las ondas estacionarias permanecen confinadas en un espacio (cuerda, tubo con aire, membrana, etc.). La amplitud de la oscilación para cada punto depende de su posición, la frecuencia es la misma para todos y coincide con la de las ondas que interfieren. Hay puntos que no vibran (nodos), que permanecen inmóviles, estacionarios, mientras que otros (vientres o antinodos) lo hacen con una amplitud de vibración máxima, igual al doble de la de las ondas que interfieren, y con una energía máxima. El nombre de onda estacionaria proviene de la aparente inmovilidad de los nodos.

Se puede considerar que las ondas estacionarias no son ondas de propagación sino los distintos modos de vibración de la cuerda, el tubo con aire, la membrana, etc. Para una cuerda, tubo, membrana, … determinados, sólo hay ciertas frecuencias a las que se producen ondas estacionarias que se llaman frecuencias de resonancia.

Un ejemplo de onda estacionaria es la producida por los instrumentos musicales, ya sean de cuerda como de viento. Así, el sonido que genera un arpa es consecuencia de la propagación por el aire de las ondas estacionarias que se producen, entre dos límites fijos, en las diferentes cuerdas, de modo que los graves (frecuencias bajas) se producirán en las cuerdas más largas y los agudos (frecuencias altas) en las cuerdas más cortas. En los órganos, las ondas estacionarias que se forman en los tubos se corresponden con las formadas por reflexión en dos límites, uno fijo y otro libre. Por tanto, cuanto mayor sea la longitud del órgano menor es la frecuencia: los tubos largos corresponden a frecuencias bajas (sonidos graves) y los cortos a frecuencias altas (sonidos agudos).

En el video siguiente se explica con detenimiento los pasos a seguir para crear una onda estacionaria:

Para comprobar como funcionan las ondas estacionarias tambien hemos incluido un applet en donde es posible modificar los niveles de frecuencia y longitud de onda.

Reflexión y Refracción del sonido

La reflexión es el cambio de dirección de un rayo o una onda que ocurre en la superficie de separación entre dos medios, de tal forma que regresa al medio inicial.

Cuando una onda sonora golpea una superficie plana es reflejada de manera coherente asumiendo que el tamaño de la superficie reflectiva es lo suficientemente larga con relación a la longitud de la onda que incide. Si tomamos en cuenta que las ondas del sonido audible tienen un amplio rango de frecuencias (de 20 Hz hasta 20000 Hz), al igual que la longitud de onda. Se obtiene que la naturaleza en general, así como el comportamiento del fenómeno de reflexión varía de acuerdo con la estructura y la textura de las superficies de reflexión; por ejemplo, una superficie porosa tiende a absorber grandes cantidades de energía, mientras que una superficie áspera reflejará las ondas en todas direcciones dispersando la energía de la onda, en lugar de reflejar el sonido en forma coherente. Esto nos lleva al campo de la acustica arquitectónica, porque la naturaleza de estas reflexiones son críticas para la sensación del espacio en un auditorio.

Una aplicación de este fenómeno sonoro se utiliza para la fabricación de los sonar que incluyen algunos barcos para medir la profundidad del mar.

El sonar es un ejemplo de reflexión sonora

La Refracción es el cambio de dirección que experimenta una onda al pasar de un medio material a otro. Este se origina por  el cambio de velocidad que experimenta dicha onda.

A diferencia de lo que ocurre en el fenómeno de la reflexion, en la refracción, el ángulo de refracción ya no es igual al de incidencia. La refracción también puede producirse dentro de un mismo medio, cuando las características de este son homogéneas, por ejemplo, cuando de un punto a otro de un medio aumenta o disminuye la temperatura.

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.

Efecto Doppler

Todos hemos notado que el tono (una de las características del sonido) de la sirena de una ambulancia que se aproxima, se reduce bruscamente cuando la ambulancia pasa al lado nuestro para alejarse. Esto es lo que se llama «Efecto Doppler». El fenómeno fue descrito por primera vez por el matemático y físico austriaco Christian Doppler (1803-1853). El cambio de altura se llama en Física «desplazamiento de la frecuencia» de las ondas sonoras. Cuando la ambulancia se acerca, las ondas provenientes de la sirena se comprimen es decir, el tamaño de las ondas disminuye, lo cual se traduce en la percepción de una frecuencia o altura mayor. Cuando la ambulancia se aleja, las ondas se separan en relación con el observador causando que la frecuencia observada sea menor que la de la fuente. Por el cambio en la altura de la sirena, se puede saber si la misma se esta alejando o acercando. Si se pudiera medir la velocidad de cambio de la altura, se podría también estimar la velocidad de la ambulancia.

El efecto Doppler se refiere al cambio aparente en la frecuencia de una fuente de sonido cuando hay un movimiento relativo de la fuente y del oyente.

En este applet se puede ver como un punto genera ondas sonoras. Cuanto mayor el la velocidad de este punto más se comprimen las ondas, hasta llegar al nivel supersónico donde las ondas del sonido quedan por detras del móvil.

Finalmente ofrecemos este video extraído de youtube que explica de forma resumida lo que es el efecto Doppler.

Aplicaciones del efecto Doppler

El efecto Doppler posee muchas aplicaciones. Este fenómeno se emplea en los radarares que se utilizan para medir la velocidad de los automóviles y de las pelotas en varios deportes.

Tambien en la astronomía utilizan el efecto Doppler de la luz  de galaxias distantes para medir su velocidad y deducir su distancia.

Los médicos usan fuentes de ultrasonido para detectar las palpitaciones del corazón de un feto; los murciélagos lo emplean para detectar y cazar a un insecto en pleno vuelo. Cuando el insecto se mueve más rápidamente que el murciélago, la frecuencia reflejada es menor, pero si el murciélago se está acercando al insecto, la frecuencia reflejada es mayor.

Ultrasonidos e Infrasonidos

• El ultrasonido es un tipo de onda acústica que tiene una frecuencia de onda mucho mayor a la que podemos percibir (aproximadamente 20.000 Hz). Algunos animales como los delfines lo utilizan para comunicarse y en el caso de los murciélagos, lo emplean para orientarse a través del efecto Doppler que hemos explicado anteriormente. A este fenómeno se le denomina ecolocalización.  Esto funciona gracias a que las ondas tienen una frecuencia tan alta que ‘’rebotan’’ en los objetos y regresan a ellos prácticamente sin perder calidad, de forma que son capaces de calcular la distancia de los obstáculos por medio del tiempo que  tarda la onda en ir y volver.

Los ultrasonidos se aprovechan para varios propositos dentro de los distintos campos de la ciencia. Veamos las principales aplicaciones que tienen:

Guiado y sondeo

Una de las principales aplicaciones de los ultrasonidos es la que tiene que ver con los sensores para guiado y sondeo. Aquí es donde entra en juego el tema de acústica submarina, aplicado en el sondeo del fondo del mar, navegación de submarinos, detección de bancos de pescado, etc. Tambien es utilizado en los sensores de aparcamiento que traen muchos de los coches recientes para evitar golpes contra otro coche o contra una farola, por ejemplo.

El funcionamiento genérico es bastante simple: se trata de emitir pulsos ultrasónicos y contar el tiempo que tardan en regresar. De este modo, conociendo la velocidad de propagación, se puede estimar la distancia recorrida por la onda (ida y vuelta al obstáculo).

Sensor de aparcamiento

Medicina y biología

La técnica más conocida, sin ninguna duda, es la ecografía. La idea, una vez más, es inyectar ultrasonidos a través de la piel en el organismo del paciente (baja intensidad, en torno a unos pocos miliwatios). Estos se reflejan a medida que vayan pasando de unos medios a otros y los ecos son procesados para mostrarlos finalmente por pantalla. Todos hemos visto cómo los médicos aplican un gel sobre la piel antes de producir los ultrasonidos, pues bien, este gel no es más que un material que sirve a modo de acoplo de impedancias para evitar la reflexión excesiva del ultrasonido en la propia superficie de la piel.

Aplicaciones físicas

Las aplicaciones físicas de los ultrasonidos se centran, esencialmente en la medida de las propiedades elásticas y las condiciones de propagación en los sólidos. La idea aquí es, simplemente, el estudio de la propagación de un ultrasonido en el material. Otras aplicaciones se centran en el estudio de explosiones, determinación de las propiedades físicas de líquidos y gases, localización de baches de aire (fundamental para la navegación aérea), etc.

• El infrasonido es justo lo contrario al ultrasonido, es otro tipo de onda acústica que posee una frecuencia menor a la que el oido humano es incapaz de percibir (inferor a los 20 Hz). El infrasonido es utilizado por animales grandes como el elefante para comunicarse en amplias distancias  sin problema alguno. Los desastres naturales como erupciones volcánicas, terremotos y tornados producen sonidos de una intensidad comparable con el sonido que hace una bomba atómica en su explosión, con la diferencia de que al estar por debajo de los 20 Hz son inaudibles al oído humano; lo que ha permitido iniciar investigaciones vulcanológicas y meteorológicas, para evitar futuros desastres.

Los elefantes utilizan los infrasonidos para comunicarse en largas distancias

La principal aplicación de los infrasonidos es la detección de objetos. Esto se hace debido a la escasa absorción de estas ondas en el medio, a diferencia de los ultrasonidos.

El inconveniente es que los objetos a detectar deben ser bastante grandes ya que, a tales frecuencias, la longitud de la onda es muy grande lo cual limita el mínimo diámetro del objeto. Como ejemplo diremos que un infrasonido de 10 Hz tiene una longitud de onda de 34 m en el aire, luego los objetos a detectar deben tener un tamaño del orden de 20 m en el aire y 100 m en el agua.

Futuras aplicaciones del infrasonido

Los investigadores del infrasonido están interesados en sonidos de 10 Hz y más bajos (hasta 0,001 Hz). De hecho, este rango de frecuencias es el mismo que utilizan los sismógrafos para monitorear terremotos o los sensores infrasónicos para descubrir las señales acústicas provenientes de las explosiones. Debido a que tanto volcanes, tornados, turbulencias como meteoros, producen infrasonido, se podría detectar dichas ondas y prevenir algún desastre natural.

Ondas de Choque

Una onda de choque es una onda de presión abrupta producida por un objeto que viaja más rápido que la velocidad del sonido en dicho medio, que a través de diversos fenómenos produce diferencias de presión extremas y aumento de la temperatura (si bien la temperatura de remanso permanece constante de acuerdo con los modelos más simplificados). La onda de presión se desplaza como una onda de frente por el medio.

Una de sus características es que el aumento de presión en el medio se percibe como explosiones.

También se aplica el término para designar a cualquier tipo de propagación ondulatoria, y que transporta, por tanto energía a través de un medio continuo o el vacío, de tal manera que su frente de onda comportamiento un cambio abrupto de las propiedades del medio.

Un caso de este efecto lo podemos ver cuando un avión supera la barrera del sonido. Estos provocan ondas de choque al volar por encima de régimen transónico (Mach > 0,8) pues aparecen zonas donde el aire supera la velocidad del sonido localmente, por ejemplo sobre el perfil del ala, aunque el propio avión no viaje a Mach > 1.

Para medir la velocidad relacionada con las ondas de choque se emplea el Número de Mach.

Es una medida de velocidad relativa que se define como el cociente entre la velocidad de un objeto y la velocidad del sonido en el medio en que se mueve dicho objeto. Dicha relación puede expresarse según la ecuación

Es un número adimensional típicamente usado para describir la velocidad de los aviones. Mach 1 equivale a la velocidad del sonido, Mach 2 es dos veces la velocidad del sonido, etc.

La utilidad del número de mach reside en que permite expresar la velocidad de un objeto no de forma absoluta en km/h o m/s, sino tomando como referencia la velocidad del sonido, algo interesante desde el momento en que la velocidad del sonido cambia dependiendo de las condiciones de la atmósfera. Por ejemplo, cuanto mayor sea la altura sobre el nivel del mar o menor la temperatura de la atmósfera, menor es la velocidad del sonido. De esta manera, no es necesario saber la velocidad del sonido para saber si un avión que vuela a una velocidad dada la ha superado: basta con saber su número de mach.

Normalmente, las velocidades de vuelo se clasifican según su número de Mach en:

Subsónico M < 0,7
Transónico 0,7 < M < 1,2
Supersónico 1,2 < M < 5
Hipersónico M > 5

La Audición

Este apartado lo dedicaremos a explicar como oye el ser humano, tanto las partes que tiene el oído como los limites de audición de nuestro organo auditivo.

Partes del Oído

El oído es un órgano conformado de tres partes:

• oído externo
• oído medio
• oído interno

Las dos primeras partes -oído externo y medio- son las encargadas de recoger las ondas sonoras para conducirlas al oído interno y excitar una vez aquí a los receptores de origen del nervio auditivo.

El oído externo comprende dos partes: el pabellón y el conducto auditivo externo. Por su parte, el oído medio está formado por un conjunto de cavidades llenas de aire, en las que se considera tres importantes porciones: la caja del tímpano conformada por tres huesecillos -martillo, yunque, estribo- , la trompa de Eustaquio íntimamente relacionada con las vías aéreas superiores (rinofaringe).

El oído interno también tiene su complejidad y está comprendido por el laberinto óseo y membranoso. De este último nacen las vías nerviosas acústicas y vestibulares.

El laberinto, cuya función principal es la de mantener la orientación espacial y el equilibrio estático y dinámico del individuo, consta de tres partes: el vestíbulo, los conductos semicirculares y el caracol.

Aquí tenemos una imagen que nombra todos los componentes del oído, separados en sus correspondientes partes: Oído externo, medio e interno.

Proceso de audición

El proceso de audición demora segundos desde que se genera el sonido hasta llegar al cerebro de la siguiente manera:

En primer lugar, las ondas sonoras son recogidas por el pabellón auricular. Luego esas ondas son transmitidas a través del conducto auditivo externo hasta la membrana timpánica, la cual separa al oído externo del oído medio.

La membrana timpánica vibra en respuesta a los cambios de presión del aire. Esta vibración la pone en contacto con los huesecillos martillo, yunque y estribo. Los huesecillos trasladan esta señal hasta la cóclea o caracol en el oído interno y en la cóclea, las células auditivas las convierten en impulsos nerviosos que van al cerebro por el nervio auditivo.

Finalmente, los impulsos nerviosos son interpretados en el centro auditivo del cerebro.

En este video se explica es funcionamiento del oído y la explicación de porqué podemos escuchar una gama tan amplia de sonidos:

Límites de audición

El nivel del sonido es perjudicial por encima de los 100 dB.  No es muy recomendable siempre que sea posible utilizar protectores para los oídos. Si la exposición es prolongada, por ejemplo en puestos de trabajos, se considera necesario el utilizar protectores en ambientes con niveles de 85 dB, siempre y cuando la exposición sea prolongada. Los daños producidos en el oído por exposiciones a ruidos muy fuertes son acumulativos e irreversibles, por lo que se deben de extremar las precauciones.  La exposición prolongada a ruidos pueden provocar trastornos nerviosos, cardiacos y mentales.

• 90 Decibelios

El estar expuesto por períodos prolongados a cualquier ruido de más de 90 decibelios puede causar la pérdida gradual del oído

• 100 Decibelios

No se recomienda estar expuesto sin ninguna protección por más de 15 minutos.

• 110 Decibelios

El estar expuesto con regularidad por más de 1 minuto podría resultar la pérdida permanente del oído.

Para lo que una persona es volumen fuerte para otra es moderado. Por ello, los físicos deben tratar con definiciones mesurables explicitas; por tanto, intentan correlacionar los efectos sensoriales con las propiedades físicas de las ondas; dichas correlaciones pueden resumirse como:

Para medir la intensidad del sonido se emplea el dB (Decibelio). Es la unidad relativa empleada en acústica y telecomunicaciones para expresar la relación entre dos magnitudes, acústicas o eléctricas, o entre la magnitud que se estudia y una magnitud de referencia. El decibelio, cuyo símbolo es una unidad logarítmica.

Se utiliza una escala logarítmica porque la sensibilidad que presenta el oído humano a las variaciones de intensidad sonora sigue una escala aproximadamente logarítmica, no lineal. Por ello el belio (B) y su submúltiplo el decibelio (dB), resultan adecuados para valorar la percepción de los sonidos por un oyente. Se define como la comparación o relación entre dos sonidos porque en los estudios sobre acústica fisiológica se vio que un oyente, al que se le hace escuchar un solo sonido, no puede dar una indicación fiable de su intensidad, mientras que, si se le hace escuchar dos sonidos diferentes, es capaz de distinguir la diferencia de intensidad.

Contaminación Acústica

En este apartado hablaremos de los efectos negativos del sonido sobre el ser humano, las formas de combatir la contaminación acústica y las técnicas mas utilizadas en la actualidad para el aislamiento acústico.

Efectos del sonido sobre el ser humano

El oído humano sólo puede soportar ciertos niveles máximos de ruido, sin embargo el nivel que se acumula en las regiones centrales de la ciudad en reiteradas ocasiones supera ese máximo. Algunos ruidos de la ciudad se encuentran por encima del «Umbral del dolor». (por encima de los 120 dB.)

Estos ruidos pasan a formar parte de la contaminación acústica de una ciudad y deben ser restringidos y controlados por las autoridades para mantener la salud de los ciudadanos que circulan por las calles.

Las vibraciones y el ruido pueden generar efectos crónicos sobre los vasos arteriales y capilares.

La exposición continuada produce la pérdida progresiva de la capacidad auditiva y especialmente en expuestos industrialmente, así como en jóvenes que utilizan habitualmente «mp3» y motocicletas o los que acuden regularmente a discotecas.

Además, el ruido puede causar efectos sobre:

Sistema cardiovascular, con alteraciones del ritmo cardíaco, riesgo coronario, hipertensión arterial y excitabilidad vascular por efectos de carácter neurovegetativo.

Glándulas endocrinas, con alteraciones hipofisiarias y aumento de la secreción de adrenalina.

Aparato digestivo, con incremento de enfermedad gastroduodenal por dificultar el descanso.

Otras afecciones, por incremento inductor de estrés, aumento de alteraciones mentales, tendencia a actitudes agresivas, dificultades de observación, concentración, rendimiento y facilitando los accidentes.

Sordera por niveles de 90 dB y superiores mantenidos. Está reconocida la sordera, incluso como «enfermedad profesional», para ciertas actividades laborales, siempre que se constate 1a relación causa-efecto.

A continuación mostramos una gráfica donde aparece la comparación entre las distintas intensidades sonoras, asi como una tabla donde clasifica los distintos grados de intensidad con su correspondiente ejemplo:

Formas de combatir la contaminación acústica

La causa principal de la contaminacion acustica es la actividad humana. El ruido ha existido de la antigüedad, pero está en fecha el siglo pasado, como resultado de la revolución industrial, del desarrollo del medio de transporte nuevo y del crecimiento de las ciudades, cuando comienza a aparecer el problema de la contaminacion acustica urbana.

Hoy en día,  la mejor solución puede consistir en incorporar un estudio de niveles acústicos a la planificación urbanística, con el fin de crear «islas sonoras», es decir espacios con el menor ruido posible y otra solución es, insonorizar los edificios próximos a los «puntos negros» de contaminación acústica, pero ello conlleva coste elevadísimo. Es más eficaz adoptar medidas preventivas, ya que son más rentables económica y socialmente. Hay que potenciar campañas de educación medio ambiental, para que todos contribuyan y exijan disminución de los niveles de ruido si es preciso.

Campaña contra la contaminación acústica

Materiales para la insonorización

El aislamiento acústico permite proporcionar una protección al recinto contra la penetración del ruido, al tiempo, que evita que el sonido salga hacia el exterior.

Actualmente exsisten diversas técnicas y materiales para reducir o eliminar por completo, los problemas de la contaminacion acusticas. Veamos a nombrar algunos de ellos:

Bafles acústicos: Son placas absorbentes suspendidas en el aire permiten que obtener notables reducciones de ruido ambiental por efecto de la eliminación total o parcial de las reflexiones y reverberaciones del techo del local.

Difusores-resonadores: Su misión es la de eliminar las reflexiones indeseables que se producen cuando el sonido incide directamente sobre las superficies de la sala, sin disminuir el tiempo de reverberación.

Barreras acústicas: Las barreras acústicas son la solución para amortiguar ruido de equipos de climatización o maquinaria en campo abierto, por su bajo coste y buena eficiencia.

Silenbox: Silenciador rectangular modular.  Está formado por piezas preformadas de material absorbente y envolvente metálica.

Su dimensionado y modulación permiten obtener silenciadores de dimensiones y eficacia variables mediante utilización de varios elementos. Realizado en chapa galvanizada en su envolvente y anclajes.

Los módulos absorbentes están recubiertos con una capa de protección especialmente diseñada para evitar el desgarro de las fibras de que componen.

Panel acústico: se utiliza en la construcción de Cabinas acústicas, Cerramientos acústicos, Barreras acústicas y Pantallas acústicas, tanto exteriores como interiores para resolver los problemas de ruidos de todo tipo de maquinaria.

Las cámaras de aire: (un espacio de aire hermético) entre paredes. Para que esta cámara sea más efectiva se le puede añadir materiales absorbentes entre los tabiques tales como lana de roca o lana de vidrio.

El plomo es el mejor aislante de todos ya que aísla de las vibraciones acústicas y absorbe la totalidad de las ondas sonoras sin reflejar ninguna.