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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

M= \frac {V} {V_s}

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

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