252 FÍSICA. Capítulo 13. Ondas sonoras.
El sonido es una de las formas de comunicación más importantes para los seres huma-
nos y para otros seres vivos, como los animales, que pueden entenderse a través de los
sonidos que emiten, y obtener información del medio que habitan por los sonidos que
perciben.
El rápido avance tecnológico en el campo de las comunicaciones entre personas, que
incluye no solo ondas mecánicas como las del sonido sino también ondas electromagné-
ticas, permite mejorar las formas de acceso a información de distintas índoles. A modo de
ejemplo, se puede citar la evolución en las comunicaciones aprovechando los avances de
la informática, que utiliza las redes de computación para la integración de sonidos e
imágenes. También todos los sistemas de grabación y reproducción que almace-
nan señales sonoras como música, videos con imágenes, o películas.
En otros campos, las ondas sonoras se aplican para la detección de
objetos. En la pesca se utiliza un aparato llamado sonar que permite
detectar bancos de peces, u objetos perdidos en el fondo de mares,
océanos, u otros cuerpos de agua de gran profundidad.
En medicina, los ecógrafos permiten el diagnóstico de las carac-
terísticas y situación de distintas partes del cuerpo humano a través
de la emisión y reflexión de ondas sonoras.
En otro orden, la relación del sonido con la música es uno de los
campos más explorados por el ser humano y tiene miles de años de histo-
ria, ya que la actividad musical es anterior a la invención de la escritura.
Para la comprensión de muchos fenómenos sonoros, como algunos de
los que aquí se mencionan, es necesario estudiar las propiedades físicas del
sonido y sus aplicaciones, temas que serán tratados en este capítulo.
13
ONDAS SONORAS
CONTENIDOS
❚ Propagación, producción
y percepción del sonido
❚ Aplicaciones de los
ultrasonidos
❚ Las ondas sonoras
❚ Intensidad del sonido
y sonoridad
❚ Características del sonido
❚ Reflexión y refracción
del sonido
❚ Resonancia
❚ Efecto Doppler
❚ La audición y el oído humano
❚ Contaminación sonora
Cuando mi voz calle con la muerte, mi corazón te seguirá hablando.
Rabindranath Tagore
Habla para que yo te conozca.
Sócrates
Este es el sonar utilizado
por The Nacional
Geographic en la
búsqueda del barco
A. R. A. General Belgrano.
253
Desde la Antigüedad, la Física y la música han estado estrechamente unidas. Homero, el
poeta griego del siglo VIII a.C, ya hace referencia en sus obras a las condiciones físicas de pro-
ducción de sonidos, sobre todo en la descripción de las escenas de combate o naufragio.
Las investigaciones de los pensadores de la escuela pitagórica (fundada por Pitágoras alre-
dedor del año 530 a.C) en la rama de la Física conocida como Acústica, se refieren a dos temas
diferentes: la teoría de la naturaleza del sonido y la teoría matemática de la escala musical.
Aristóteles (384-322 a.C) por su parte, describe el sonido como un aliento con impulso.
En los siglos XVI, XVII y XVIII, junto con el desarrollo de la Mecánica, la Acústica se
separa del arte musical para convertirse en una ciencia que estudia los fenómenos sonoros.
En este contexto, uno de los problemas fundamentales en las investigaciones teóricas
sobre la emisión de sonidos, es el tema de las vibraciones de las cuerdas.
Galileo (1564-1642) en 1638 enuncia la noción de frecuencia de las vibraciones de
una cuerda y demuestra que ésta depende de una serie de factores, tales como la longi-
tud, la tensión y la masa de la cuerda. Newton (1642-1727) en 1687 considera que las
vibraciones de las cuerdas provocan directamente el sonido y se lo imagina como choques
que se propagan de partícula en partícula uniformemente y en todas direcciones.
Los estudios sobre la luz realizados durante el siglo XVII comienzan a vincular el soni-
do con una forma de propagación (el movimiento ondulatorio) similar a la de la luz.
Una serie de experimentos durante los siglos XVII y XVIII confirman que el sonido se
propaga a mayor velocidad en un líquido que en el aire, y que no lo hace en el vacío.
Los estudios teóricos y prácticos del siglo XIX parten de la concepción del sonido como
una vibración que se propaga en un medio material, y llegan a investigar los fenómenos de
reflexión y refracción del sonido. También se avanza en las explicaciones sobre los fenóme-
nos de interferencia y resonancia, y en 1842 se descubre el efecto Doppler acústico.
La lira es un instrumento de cuerdas
cuyo origen se desconoce pero que se
utiliza desde la Antigüedad. Las notas se
producen por la vibración de las cuerdas.
Auditorio Nacional de Música. Andalucía,
España.
254 FÍSICA. Capítulo 13. Ondas sonoras.
Producción, propagación y percepción del sonido
Para comprender la naturaleza del sonido, es necesario describir y analizar cómo se
produce, cómo se propaga y cómo se percibe.
Todos los sonidos se producen por las vibraciones de algún objeto o medio material.
Si se golpea, por ejemplo, una olla, una campana, una puerta, etc., se produce un sonido
que perdura hasta que el objeto deja de vibrar.
En otros casos, el sonido se produce por la vibración de una columna de aire conteni-
da en un tubo, como en un silbato.
Los instrumentos musicales de viento, trompetas, flautas y similares, también emi-
ten sonidos debido a la vibración de una columna de aire. Se diferencian entre sí por el
tamaño, la forma que adopta la columna o tubo de aire y el modo como se generan las
vibraciones.
Algunos de ellos, como el clarinete, tienen una lengüeta o lámina fina. La corriente de
aire que se produce cuando la persona sopla, hace vibrar la lengüeta, y ésta a su vez, hace
vibrar la columna de aire en el instrumento.
En los instrumentos de cuerda como la guitarra o el violín, el sonido se produce por la
vibración de las cuerdas.
Para la producción de sonidos es necesario que exista una fuente que vibre, como la
campana, una columna de aire, una cuerda, etc., pero además, es imprescindible que la
vibración se propague en algún medio material.
El sonido puede propagarse en los sólidos, líquidos y gases aunque no lo hace con la mis-
ma velocidad, ya que ésta varía según las características físicas y las propiedades del medio.
Mientras que en el acero la velocidad es de 5900 m/s, en el agua a 20 ºC es de 1500 m/s.
La temperatura del medio también influye en la velocidad de propagación. Por ejem-
plo: la velocidad de propagación del sonido en el aire a 20 ºC es de 343 m/s, mientras que
si la temperatura es de 0 ºC su valor desciende a 331 m/s.
Puede ocurrir que exista una fuente que produzca vibraciones que se propagan en un
medio, pero que no pueden ser percibidas por el oído humano. Entonces para hablar de
sonidos también debe considerarse su percepción.
El rango de audición para el oído humano está comprendido entre frecuencias de 20
Hz a 20 000 Hz, límites mínimo y máximo respectivamente de percepción del sonido. Se
trata de valores promedio, ya que varían de persona a persona.
La mayor sensibilidad está comprendida normalmente entre las frecuencias de 1000 Hz a
5000 Hz. Algunas personas ancianas son menos sensibles a frecuencias superiores a 1000 Hz.
Aquellos procesos sonoros inferiores a los 20 Hz se denominan infrasonidos, y los
superiores a 20 000 Hz se llaman ultrasonidos. Normalmente estas frecuencias no pueden
ser percibidas por las personas, por lo cual no se consideran fenómenos
sonoros para los seres humanos.
El sonido de una campana se produce
por las vibraciones de este objeto. La
campana más grande en funcionamiento
se encuentra en Cologne, Nordrhein-
Westfalen, Alemania.
La trompeta es un instrumento de viento
que puede producir sonidos estridentes
pero también suaves dependiendo de
las vibraciones que sufre el aire mientras
se propaga en el interior de los tubos
metálicos. El instrumento tiene más de
3500 años de antigüedad: en el interior de
la tumba del faraón egipcio Tutankamon
se encontraron trompetas de bronce y
de plata.
El violín, un instrumento de cuerda. No es
posible establecer con exactitud si es de
origen europeo u oriental. En el siglo XVII
el violín (violino) se encontraba bastante
difundido en Italia aunque carecía de
todo prestigio. El compositor Claudio
Monteverdi fue uno de los que apreció
sus posibilidades sonoras, y lo usó para
complementar las voces corales en su
ópera Orfeo (1607). Desde entonces se le
dio creciente importancia.
255
Aplicaciones de los ultrasonidos
En el campo de la medicina, los ultrasonidos son muy utilizados en
distintas especialidades para explorar y obtener información sobre algu-
nas partes del cuerpo humano. Por ejemplo, en obstetricia, la ecografía
o ultrasonografía es un método diagnóstico que emplea ondas sonoras
de alta frecuencia (ultrasonidos) parar obtener imágenes de los órganos
internos de un feto al captar el eco o reflejo de estas ondas.
Esta exploración no utiliza radiación electromagnética como los rayos
X, que son más invasivos y riesgosos. La ecografía obstétrica puede con-
firmar un embarazo, estimar el tiempo de gestación, diagnosticar malfor-
maciones congénitas, valorar la posición del feto, determinar si un emba-
razo es múltiple, etc.
Un ecógrafo está formado por un sistema de transductores o
dispositivos que transforman señales eléctricas en ultrasoni-
dos, y luego, cuando reciben el eco, transforman el ultraso-
nido en pulsos eléctricos. Cuando se coloca el transductor
sobre la piel de la persona, se producen ultrasonidos que
se propagan en la pelvis y el interior del abdomen. Al llegar
al feto y a los tejidos que lo rodean, como los del útero o
la placenta, las ondas se reflejan y el eco es captado por el
transductor, que al traducir estas señales sonoras en eléctricas
permite obtener en tiempo real la imagen de un feto en un moni-
tor. Esto significa que es posible captar las características físicas y el
movimiento del feto en el mismo tiempo en que se está efectuando el estudio médico.
Estas imágenes se pueden grabar en un video y también imprimir en una placa o papel.
Los actuales ecógrafos permiten obtener imágenes 3D (tridimensionales) en movi-
miento, también en tiempo real.
Otras especialistas médicos como urólogos, gastroenterólogos, nefrólogos utilizan
ecógrafos que funcionan con ultrasonidos para determinar posibles anomalías en las
características físicas y funcionamiento de los órganos.
El nefrólogo, especialista en riñones, utiliza un nefroscopio que permite no solo visuali-
zar los riñones de un paciente, sino también, en algunos casos, eliminar cálculos renales.
En los últimos años se produjo un sorprendente incremento de las técnicas de ultra-
sonido aplicadas al control de calidad de los alimentos. En ellas se aplica el principio que
señala que las propiedades del medio a través del cual se propaga una onda sonora afec-
tan su velocidad de propagación.
Por ejemplo, si en la leche, que se presupone esterilizada, hay un crecimiento de los
microorganismos, el receptor de ultrasonidos detectará una variación en la velocidad
normal de propagación de la onda. De esta forma no es necesario abrir los envases para
descubrir una contaminación microbiana.
También se han desarrollado métodos para el control de las carnes y quesos por medio
de ultrasonidos, que permiten evaluar la composición y la textura de estos alimentos.
En el ámbito de la industria se utilizan técnicas por ultrasonidos de alto rendimiento
para oclusión de piezas metálicas, y para remachado y soldadura de algunos objetos de
plástico poroso producidos en serie como lapiceras, bolígrafos, o focos traseros de auto-
móviles.
Las ecografías obstétricas
permiten controlar el estado de
un embarazo.
Imágenes de un bebé en gestación
captada por un ecógrafo.
Esta es la imagen tridimensional
de un bebé en gestación obtenida
por un ecógrafo.
256 FÍSICA. Capítulo 13. Ondas sonoras.
Las ondas sonoras
Las ondas sonoras son ondas longitudinales que se propagan en un medio material y
se originan en las vibraciones que provoca una fuente emisora.
Para ejemplificar la propagación del sonido en un medio fluido como el aire, se puede
analizar la siguiente experiencia: se coloca una regla de metal sobre una mesa, se sujeta
un extremo mientras se levanta el extremo libre y luego se lo suelta. Las vibraciones que
se producen llegan a las partículas sucesivas de aire en la dirección de propagación de la
onda. Si el extremo libre de la regla oscila con movimiento armónico simple, se propagan
en el aire un conjunto de ondas longitudinales periódicas que se alejan de la fuente.
De igual modo un diapasón (horquilla de metal que se utiliza para afinar instrumentos
musicales) al vibrar produce ondas armónicas longitudinales, ya que las partículas del
aire vibran en la misma dirección en que se propaga la onda.
También es posible describir este fenómeno considerando las variaciones de presión
que se producen en cada punto del aire alcanzado por la onda de sonido.
Se puede suponer que cada pequeño volumen de aire alcanzado por la onda es como
un tubo de sección A con un émbolo o dispositivo móvil, que contiene una determinada
cantidad de aire. Si el pistón del émbolo se encuentra en reposo, el aire del tubo está en
equilibrio, lo cual implica que la presión y densidad se mantienen constantes.
Si el pistón se mueve, las vibraciones de la capa de aire más cercana se moverán en la
misma dirección en que se propaga la perturbación. Esta capa de aire ejerce presión sobre
las capas vecinas y se forma una región de compresión donde los valores de presión y
densidad del aire son mayores que los que corresponden a la situación de equilibrio.
El movimiento de regreso del pistón, se forma una zona de enrarecimiento del aire donde
la presión y la densidad alcanzan valores más bajos que los de la situación en equilibrio.
El movimiento oscilatorio del pistón produce una serie de compresiones y enrareci-
mientos del aire que se propagan a lo largo del tubo. De esa manera se propaga una onda
sonora en el aire: en cada punto se producen pequeñas variaciones de presión.
Es posible representar gráficamente la pre-
sión p de cada punto del aire en función del des-
plazamiento x. La distancia entre dos compre-
siones o enrarecimientos sucesivos determina la
longitud de onda.
El gráfico (a) muestra las compresiones y enrarecimientos de
una onda sonora en el aire en un determinado tiempo.
El gráfico (b) muestra la variación sinusoidal de la presión p en
función del desplazamiento x.
Compresión
Rarefacción
p
x
λ
λ
(a)
(b)
Un diapasón que vibra produce ondas
sonoras.
Si el émbolo de la
sección A se pone en
movimiento, el aire
aumenta su presión y su
densidad.
A Aire
Émbolo
Tubo de
sección A
A Aire
Émbolo
Tubo de
sección A
Las compresiones y
enrarecimientos del aire se
deben a las variaciones de
presión en cada punto del
aire, a medida que avanza la
onda sonora.
257
Intensidad del sonido y sonoridad
La intensidad de una onda sonora es una medida de la energía que se propaga por
unidad de tiempo y por unidad de área.
Si una fuente emisora, por ejemplo un parlante, vibra, se genera una onda que avanza
en todas las direcciones con una velocidad característica para el medio, transfiriendo
energía en una superficie esférica.
Si el parlante tiene una potencia (rapidez con que se emite energía) de 1000 watt,
emite más energía por segundo que otro de 500 watt, y además, a medida que la onda
esférica se propaga, la energía se distribuye en áreas esféricas cada vez mayores.
Se define entonces la intensidad sonora como la potencia transferida por una onda
sonora a través de una superficie colocada perpendicularmente a la dirección de propaga-
ción de la onda. Matemáticamente:
I =
P
__
S
donde P es la potencia, S la superficie perpendicular a la dirección de propagación, e
I la intensidad sonora.
La intensidad sonora se mide en W/m
2
, es decir, watt sobre metro cuadrado.
La menor intensidad de sonido que puede percibir el oído humano es del orden de
10
–12
W/m
2
; a este valor se lo denomina umbral de la audición.
La intensidad de sonido máxima llamada umbral de dolor es de 1 W/m
2
. Este valor
representa el máximo tolerado por el oído humano, y es un billón de veces mayor que el
valor mínimo audible. Si se supera este valor máximo la sensación se vuelve dolorosa y
con riesgo de daños físicos u otros tipos de trastornos en la salud.
No todas las personas tienen la misma sensibilidad frente a los sonidos, pero es indudable
que este intervalo de intensidades detectadas por el oído humano es muy amplio. Debido a esto
se adopta una escala logarítmica para analizar y comparar las intensidades de distintos sonidos.
La unidad de esta escala es el decibel (dB) en homenaje a Alexander Graham Bell (1847-1922),
científico e inventor inglés a quien se le atribuye la invención del teléfono. El valor 10
–12
W/m
2
corresponde a 0 dB; las restantes escalas son factores de diez, con lo cual un sonido diez veces más
intenso que el umbral de la audición, tiene una intensidad de 10 decibeles (corresponde al valor 10
–11
W/m
2
). Un sonido de 20 dB corresponde a un sonido 100 veces más intenso que el umbral
de la audición.
La intensidad relativa, β, de un sonido en decibeles se expresa de la siguiente forma:
β = 10 · log
I
___
I
0
= 10 · log
I
__________
10
–12
W/m
2
donde I es la intensidad del sonido e I
o
representa al umbral de la audición.
Se denomina sonoridad a la sensación de intensidad del sonido (no a la intensidad
misma) relacionada con las características fisiológicas del sistema auditivo de cada per-
sona y además con la frecuencia del sonido.
La intensidad sonora es
una medida de la potencia
con que la onda atraviesa una
unidad de superficie perpendicular
a la dirección de propagación.
I
=
P
__
S
AP
Esquema gráfico del campo de audibilidad
del oído humano.
Energía ( Watt)
10
-4
10
-8
10
-12
10
-16
Campo de
audibilidad
Frecuencia (Hertz)
U
m
b
r
a
l
d
e
a
u
d
i
b
i
l
i
d
a
d
U
m
b
r
a
l
d
e
d
o
l
o
r
8 32 128 512 2048 8192
Tabla del nivel de sonoridad de algunos fenómenos
Nivel de sonido
Umbral de
audibilidad
Susurro Conversación Tráfico urbano Concierto de rock
Reactor a 10 m
de distancia
dB 0 30 60 90 120 150
a
ACTIVIDADES
1. ¿Cuántas veces más intenso es un
sonido de 70 dB respecto de otro de
40 dB?
258 FÍSICA. Capítulo 13. Ondas sonoras.
Características del sonido
Para distinguir un sonido de otro es necesario conocer sus características, que son la
intensidad, la altura y el timbre.
Cuando se habla de sonidos fuertes como el de un avión al despegar y débiles como el
murmullo de voces, se hace referencia a la intensidad de los sonidos, que como ya se ha
dicho, está relacionada con la sonoridad.
Cuando la propagación se produce en el aire, la intensidad del sonido depende de las
diferencias de presiones máximas y mínimas que puede alcanzar el medio en cada punto
considerado. Si se representa gráficamente la propagación de la onda sonora en el aire,
la intensidad está asociada a la amplitud de la onda. Los sonidos más intensos o fuertes
tienen mayor amplitud de onda que los sonidos menos intensos o débiles.
La altura o tono de un sonido determina si es grave o agudo. Se relaciona con la frecuencia
de la onda: los sonidos agudos corresponden a mayores frecuencias que los sonidos graves.
Por ejemplo, el sonido más grave de una guitarra corresponde a una frecuencia de 82,4
Hz, y el sonido más agudo, a 698,5 Hz.
Una cuerda de violín produce un sonido más agudo que la cuerda en la misma posición
de una viola.
En música se designa el tono por las notas, por ejemplo, una nota fundamental o
estándar es el LA que tiene una frecuencia de 440 Hz, es decir que al tocar la tecla corres-
pondiente de un piano se producen en la cuerda 440 oscilaciones por segundo.
Las notas musicales se obtienen variando las frecuencias de las fuentes sonoras que vibran
en el instrumento musical, lo que se logra modificando el tamaño, la tensión o la masa del
cuerpo que al oscilar emite el sonido. Cuando los guitarristas o violinistas afinan su instrumen-
to lo hacen ajustando las clavijas, ya que de este modo varían las tensiones de las cuerdas.
En los instrumentos de viento, el largo de la columna de aire que vibra se puede modi-
ficar como en el caso de la trompeta. En otros instrumentos, como la flauta, el clarinete o
el saxofón, se puede variar la altura o tono de las notas que se ejecutan abriendo y cerran-
do agujeros que forman parte de estos instrumentos.
Aunque el oído humano puede detectar frecuencias entre los 20 Hz y 20 000 Hz, las fre-
cuencias de las notas musicales llegan solamente a los 4500 Hz, como el caso del piano, cuyo
rango de frecuencias (32 Hz a 3950 Hz) cubre el rango de todos los otros instrumentos.
Teniendo en cuenta que el oído humano puede diferenciar sonidos con 1 Hz de diferencia,
se podrían tener unas 4000 notas en la escala musical, aunque solo hay 88 en un piano.
La voz humana está comprendida entre frecuencias del orden de los 80 Hz, la más
grave, de bajo, y 1200 Hz, la más aguda, de soprano.
Representación de la onda sonora emitida
por un piano. Este gráfico indica los
valores de presión o amplitud que toma
el aire en cada punto, representados en
el eje vertical, en función del tiempo,
representado en el eje horizontal.
Un cicloAmplitud
Forma de onda
Tiempo
Propagación de una onda de sonido en el aire.
Intensidad del sonido
Sonido intenso
Sonido débil
Tiempo
Presión
Partículas de aire
Tono del sonido.
Sonido agudo
Sonido grave
Tiempo
Presión
Tiempo
Presión
Tiempo
Presión
Tiempo
Presión
259
Timbre de un sonido
El timbre es la cualidad del sonido que permite distinguir qué instrumento lo está
emitiendo, aun cuando tenga igual tono e intensidad que otro. Una nota emitida por un
violín, por ejemplo, suena diferente de la misma nota emitida por una guitarra.
Debido a esta cualidad es posible reconocer a una persona por su voz, que resulta una
característica de cada individuo. Las oscilaciones que se producen en las cuerdas vocales
por el pasaje del aire que llega de los pulmones y pasa por la laringe hacia la boca, permi-
ten la emisión de la voz humana. La lengua, el paladar, la boca y los labios, la nariz y la
garganta son verdaderas cajas de resonancia que producen un efecto de amplificación de
los sonidos emitidos y caracterizan el timbre de voz propio en cada ser humano.
El timbre está relacionado con la complejidad de las ondas sonoras que llegan al oído.
Pocas veces las ondas sonoras corresponden a sonidos puros, como el caso del diapasón
que emite un sonido de una única frecuencia.
Los instrumentos musicales, por el contrario, emiten sonidos que resultan de vibraciones
complejas. Según se ha visto en el capítulo anterior, el Teorema de Fourier permite analizar
una onda compleja como la suma de ondas armónicas simples de una frecuencia y amplitud
determinadas, cada una de las cuales, en forma separada, corresponde a un sonido puro.
La frecuencia que más se percibe se denomina frecuencia fundamental que es la más
baja que emite el instrumento. A esta onda se le suman otras denominadas armónicas
o sobretonos, cuya frecuencia es múltiplo de la fundamental, pero de amplitudes (volu-
men) muy inferiores. Por ejemplo, la primera armónica tiene una frecuencia igual al doble
de la fundamental. Cuando un sonido tiene el doble de frecuencia que el otro, se dice que
está una octava por encima, o que es una octava más agudo.
En un piano se disponen grupos de siete teclas blancas y cinco teclas negras. Cada octa-
va tecla cierra un grupo y abre otro. Por esta razón la distancia musical entre esas teclas se
llama octava. La frecuencia de cada tecla de la octava que sigue es el doble de la tecla de
la octava anterior y la frecuencia de la misma nota que corresponde a la octava anterior, es
la mitad.
También se pueden analizar las frecuencias armónicas de un sonido mediante un grá-
fico del espectro sonoro emitido por el instrumento, como se muestra en la siguiente
figura.
En el eje de las abscisas se representan los valores de la frecuencia y en el eje de las orde-
nadas, la amplitud de la onda. Para un sonido armónico como el de una guitarra o un piano, el
gráfico que se obtiene es una sucesión de barras.
Los ruidos no tienen frecuencias definidas, de modo que el espectro ya no se muestra
+
ƒ
2 ƒ
3 ƒ
+
=
440
=
880 1320 Hz
Alrededor del año 1695
un italiano llamado
Bartolomeo Cristofori construyó
un instrumento muy similar al piano
que hoy conocemos.
Las primeras composiciones
específicas para piano aparecieron
en 1732. Son las famosas 12 sonatas
para piano de Giustini.
Juan Sebastián Bach tomó
contacto por primera vez con un
piano hacia el año 1750.
Frecuencia fundamental y armónicas
de una onda sonora de un piano, donde
ƒ es frecuencia fundamental o primera
armónica, 2 ƒ es la segunda armónica
(frecuencia doble de la fundamental), 3ƒ es
la tercera armónica (frecuencia triple de la
fundamental).
Forma de onda
=
A
Espectro
ƒ
260 FÍSICA. Capítulo 13. Ondas sonoras.
Reflexión y refracción del sonido
Cuando una onda se encuentra con un obstáculo o con una superficie de separación
de otro medio, se refleja en forma parcial o total.
Si la superficie reflectora no tiene rugosidades de dimensiones parecidas a la longitud
de onda, la onda incide sobre ella y regresa al medio del cual proviene, con una dirección
de propagación que forma un ángulo igual al ángulo de incidencia.
El eco es un fenómeno que se explica por la reflexión del sonido. El oído humano
puede captar sonidos distintos si estos le llegan separados entre sí por lo menos por un
intervalo de 0,1 segundo, en caso contrario, los sonidos se superponen y no se diferen-
cian unos de otros. Por este motivo y dado que el sonido viaja en el aire a una velocidad
de aproximadamente 340 m/s, para que una persona que se encuentra en una habitación
cerrada con paredes reflectantes oiga su voz, este sonido debe viajar ida y vuelta en un
intervalo de por lo menos 0,1 segundo. Con lo cual, el sonido debe llegar a la pared en por
lo menos 0,05 segundo. Como la velocidad del sonido se considera constante, la distancia
a la que debe encontrarse la persona de la pared es:
x = v · Δt = 340 m/s · 0,05 s = 17 m
O sea, la persona debe ubicarse a 17 m o más de la pared para escuchar su voz reflejada.
La reflexión del sonido es aprovechada en la navegación para localizar objetos perdi-
dos en el fondo del mar, en la pesca comercial para encontrar grandes bancos de peces, y
en operaciones militares para determinar la posición de los submarinos.
En 1912 se hundió el enorme trasatlántico Titanic con casi todos sus pasajeros. La causa
de esta catástrofe fue el choque con un iceberg. A partir de este hecho, se intentó emplear
el eco para evitar casos semejantes y descubrir estos obstáculos de hielo durante la noche
y en los días de niebla. Este procedimiento fracasó, pero impulsó otra idea muy acertada: la
de medir la profundidad de los mares valiéndose de la reflexión del sonido en el fondo.
Los sonares modernos utilizan ultrasonidos de muy alta frecuencia, imperceptibles
para el oído humano, en el orden de varios millones de oscilaciones por segundo.
El eco es también utilizado por distintas especies animales para localizar
presas y obstáculos. Por ejemplo, los murciélagos, que son los únicos mamíferos
que pueden volar, utilizan una especie de sonar natural. Emiten sonidos de alta
frecuencia (ultrasonidos del orden de los 80 kHz) por la boca y la nariz, que les per-
miten no solo volar en plena oscuridad o en lugares de luz muy tenue, sino también
dirigirse hacia insectos, que son sus presas.
Los delfines emiten sonidos cuya frecuencia oscila entre menos de 2000 Hz y más de
100 000 Hz para obtener información sobre el ambiente, localizar a sus presas e
informar su propia localización. Son sonidos audibles como una serie
de golpecitos, que pueden presentarse separados o como una
sucesión de sonidos unidos entre sí. Las emisiones
de los golpecitos nacen dentro de la cabeza
del delfín, probablemente en la protube-
rancia que tiene en la frente, y se refle-
jan en la sustancia grasa de los cos-
tados de la cabeza y la mandíbula
inferior; se producen incluso mien-
tras el animal está bajo el agua.
La voz puede reflejarse al llegar a una
pared. En ciertas condiciones se produce
el eco de la propia voz.
Los murciélagos emiten sonidos inaudibles
muy agudos (ultrasonidos entre 40 000 y
80 000 Hz), y reciben ecos que les aportan
información de su medio.
Los delfines
utilizan un sonar
natural para
orientarse.
17 m
261
Ondas sonoras emitidas, reflejadas y
refractadas en el agua.
Además de la reflexión del sonido, puede producirse, al mismo tiempo, la absorción
parcial de la onda sonora por el obstáculo, según las propiedades del material y las carac-
terísticas del objeto.
En algunos espacios cerrados, el sonido puede reflejarse sucesivamente en las paredes
en las que es parcialmente absorbido y en otros objetos, lo que hace que su intensidad
disminuya hasta hacerse inaudible.
Se llama tiempo de reverberación al intervalo necesario para que un sonido se haga
un millón de veces menos intenso por absorción.
El tiempo de reverberación depende de las dimensiones de los espacios y de los obje-
tos que se encuentran en él, y disminuye al aumentar la absorción sonora de las super-
ficies del recinto. Por lo tanto, recubriendo las paredes, el piso y/o el cielorraso con
materiales absorbentes, es posible reducir el tiempo de reverberación.
En general los materiales comunes de construcción (hormigón o concreto, mampos-
tería, mosaicos, cerámicos) suelen ser poco absorbentes, por lo cual si no son tratados
implican tiempos de reverberación demasiado largos.
En cambio, los materiales blandos y porosos, como la lana de vidrio, la espuma de
poliuretano, las alfombras gruesas, las cortinas pesadas y con muchos pliegues, y los pla-
fones o baldosas de fibra vegetal, en general aumentan la absorción sonora.
En un recinto con superficies poco absorbentes, las ondas sonoras se reflejan, vol-
viendo la energía sonora al ambiente. Esta energía reflejada se suma a la nueva energía
que está emitiendo la fuente, y, por consiguiente, aumenta el nivel de ruido.
En el diseño de un auditorio, sala de conferencias o de conciertos, recintos de graba-
ciones de música, etc., se intenta buscar un equilibrio entre los fenómenos de reverbera-
ción y absorción para mantener la armonía sonora.
Cuando la onda sonora atraviesa distintos medios de diferentes propiedades, sufre un
cambio en la velocidad de propagación. Este fenómeno se denomina refracción del sonido.
La propagación del sonido en el aire sufre refracciones debido a que la temperatura
del aire no es uniforme.
Como la velocidad del sonido aumenta con la temperatura, en un día caluroso es mayor en
las capas de aire bajas o más próximas a la superficie de la Tierra que en las más alejadas.
Como consecuencia de la refracción, el sonido se
desvía hacia arriba. En esta situación, la comunica-
ción entre dos personas lo suficientemente separadas
se dificulta.
El fenómeno contrario ocurre en un día frío o
por las noches, cuando las capas de aire cercanas a
la superficie terrestre se encuentran a menor tempe-
ratura que las capas de aire más alejadas. Las ondas
sonoras se desvían hacia el suelo y esto permite que el
sonido se pueda escuchar a mayores distancias y con
más nitidez.
La refracción del sonido en el agua es muy impor-
tante para los barcos que emiten ultrasonidos. Como la
temperatura del agua tampoco es uniforme, la refrac-
ción del sonido deja como huecos, y es allí donde se
ubican los submarinos, por ejemplo, para no ser detec-
tados por los barcos enemigos en época de guerra.
Onda reflejadaOnda incidente
Onda transmitida
Cuando una onda sonora llega a un
obstáculo, parte se refleja, parte es
absorbida por el objeto, y parte se refracta.
Reverberación y absorción del sonido en un
recinto cerrado, por ejemplo, un auditorio.
262 FÍSICA. Capítulo 13. Ondas sonoras.
Resonancia en una columna
de aire
Materiales
Una probeta. Un diapasón. Agua.
Procedimiento
1. Coloquen un poco de agua en la
probeta.
2. Hagan vibrar el diapasón
dándole un golpe y ubíquenlo en la
boca abierta de la probeta.
3. Varíen la longitud de la columna
de aire de la probeta, agregando o
quitando agua.
4. Repitan el procedimiento 2 y
observen si notan algún cambio.
5. Registren lo que sucede. Expliquen
la situación en términos físicos.
Resonancia con diapasones
Materiales
Dos diapasones iguales. Dos cajas
de madera con soportes para
diapasones.
Procedimiento
1. Coloquen los diapasones sobre
las cajas de madera con una
boca abierta, a modo de caja de
resonancia.
2. Ubiquen los diapasones uno
cerca del otro.
3. Hagan vibrar uno de ellos, por
ejemplo, con un golpe fuerte.
4. Registren lo que sucede. Expliquen
la situación en términos físicos.
Resonancia
Cuando los objetos o sistemas materiales vibran,
lo hacen con una frecuencia natural que depende de
algunas características de dichos sistemas, tales
como la elasticidad del material, la distribución
de su masa y la forma en que se
produce la perturbación que los
hace vibrar.
Por ejemplo, el sonido de un
golpe en un vaso de vidrio es diferente
del emitido por uno de metal, porque al ser
de distintos materiales, vibran con distintas frecuen-
cias. Si un sistema, en este caso un vaso de vidrio,
se somete reiteradamente a una fuerza externa y la
frecuencia de las vibraciones que se producen coincide con la frecuencia de vibración
natural del sistema, se genera un importante aumento de la amplitud de las vibraciones.
A este fenómeno se lo llama resonancia. Se presenta siempre que se apliquen impul-
sos sucesivos a un objeto que vibra en concordancia con la frecuencia natural de vibra-
ción del objeto.
Por ejemplo, con impulsos pequeños aplicados al ritmo de frecuencia natural de una
hamaca, se puede lograr que la hamaca se mueva con gran amplitud. Para mantener o
aumentar las oscilaciones de la hamaca se tienen que dar las siguientes condiciones:
❚ la perturbación tiene que ser periódica, con una frecuencia igual a la frecuencia
natural del sistema;
❚ el sentido de la perturbación tiene que estar en fase con la oscilación, es decir, que
debe coincidir con el sentido del movimiento;
❚ si la perturbación es muy intensa y el rozamiento es despreciable o existe poco roza-
miento, el aumento de la amplitud de las oscilaciones puede provocar roturas en el sistema.
Por ejemplo, en el puente de Tacoma Narrows, en el estado de Washington, Estados
Unidos, en el año 1940, comenzó a soplar un viento que produjo la resonancia del puente.
Este importante aumento de la amplitud de su vibración provocó su destrucción.
También los mecanismos o sistemas resonantes de los instrumentos musicales pueden
variar. En los instrumentos de viento (flautas, quenas, etc.) la columna de aire tiene una
frecuencia de vibración natural que puede modificarse si se tapan o destapan los orificios
del instrumento. En los instrumentos de cuerda (guitarra, violín, etc.) la forma de la caja,
su masa, y el material utilizado en su construcción producen fenómenos de resonancia
para determinadas frecuencias que les dan el sonido característico.
No solo las oscilaciones mecánicas pueden producir resonancia; también las oscila-
ciones eléctricas y magnéticas provocan efectos similares. Por ejemplo, al sintonizar una
emisora de radio girando la perilla del sintonizador u oprimiendo las teclas, se produce
un cambio en el circuito eléctrico que altera su frecuencia natural. Este es un ejemplo
de resonancia electromagnética. Los principios de este fenómeno se utilizan también en
algunas técnicas de diagnóstico médico, como las resonancias electromagnéticas. Esta
técnica se basa en el envío de una señal sonora sobre un objeto imantado, en este caso
el cuerpo humano, y la recogida de la señal electromagnética o de retorno al estado de
equilibrio, con posterior localización de los órganos o sistemas analizados y formación de
la imagen.
Una hamaca puede resonar si se la
impulsa con una frecuencia que coincida
con su frecuencia natural de oscilación.
ae
ACTIVIDADES
EXPERIMENTALES
263
El efecto Doppler
El físico austríaco Christian Doppler (1803-1853) explicó los cambios de frecuencia de
las ondas debido al movimiento del emisor o receptor, fenómeno que hoy se conoce como
efecto Doppler.
Si el receptor está detenido y el emisor se mueve, el tono del sonido emitido por la
fuente no se percibe igual que cuando el emisor está en reposo.
Por ejemplo, el silbato de un tren al aproximarse se percibe más agudo que el del tren
detenido. A medida que el tren se aleja, el tono del sonido que se escucha es más bajo que
el normal, es decir el sonido emitido por la fuente en reposo.
Lo mismo ocurre con la sirena de una ambulancia. Por el cambio en la altura del soni-
do de la sirena, se puede saber si se está alejando o acercando al receptor.
Este fenómeno no se restringe al movimiento del emisor. Si la fuente de sonido está
detenida y es el receptor quien se mueve hacia la fuente, también percibirá un aumento
en la frecuencia del sonido. En cambio, si se aleja, advertirá un sonido de tono más bajo.
En general, el efecto Doppler explica el cambio aparente en la frecuencia de una fuen-
te de sonido cuando hay un movimiento relativo entre el emisor y el receptor.
Para explicar este fenómeno se considera la representación gráfica de las ondas perió-
dicas emitidas por una fuente en forma de círculos concéntricos que se mueven en forma
radial. La distancia entre los círculos representa la longitud de onda del sonido que se
propaga con una determinada velocidad.
Si el emisor S se mueve hacia un observador, A, detenido, las ondas emitidas por S se
acercan al receptor A. Como cada onda sucesiva se emite desde un punto más cercano al
receptor que la onda anterior, la distancia entre las onda sucesivas, es decir la longitud de
onda, es menor que la que corresponde a la onda sonora emitida por la fuente en reposo.
Una disminución de la longitud de onda implica un aumento de la frecuencia, lo que
provoca un aumento en el tono del sonido.
Si el emisor S se aleja de otro observador, B, detenido, se produce un aumento de la
longitud de las ondas que llegan al receptor, por lo cual B percibe un sonido de menor
frecuencia. El cambio de la frecuencia depende de la velocidad relativa entre el emisor y el
receptor y se puede calcular mediante la siguiente expresión matemática:
f ’ =
v – v
r
_____
v – v
e
.
f
donde f ’ es la frecuencia medida por el receptor, f es la frecuencia medida por el
emisor, v es la velocidad de la onda que depende del medio en el cual se propaga, v
r
es la velocidad del receptor y v
e
la velocidad del emisor con respecto al medio en el
que se propaga el sonido.
El efecto Doppler se origina
cuando hay un movimiento
relativo entre la fuente sonora y el
receptor. El resultado es la aparente
variación de la altura del sonido ya
que se produce un cambio de la
frecuencia que percibe el receptor
comparada con la frecuencia de
ondas que origina el emisor.
Si el emisor se acerca al receptor A en
reposo, éste percibirá un tono más alto
del sonido emitido, es decir de mayor
frecuencia, mientras que el receptor B,
también en reposo, percibirá un sonido
de menor frecuencia ya que el emisor se
aleja de él.
Esquema de las ondas sonoras emitidas
por una fuente fija.
λλ
S
v
s
= 0
Oyente
inmóvil
Oyente
inmóvil
v
o
= 0
v
o
= 0
AB
λλ
v
v
v
v
S
v
s
264 FÍSICA. Capítulo 13. Ondas sonoras.
El fenómeno de resonancia
El fenómeno de la resonancia se
puede comprobar con algunas
actividades experimentales sencillas.
Objetivo
Comprobar la resonancia en sólidos.
Resonancia mecánica con péndulos
Materiales
Seis péndulos. Dos hilos de 10 cm
cada uno. Dos hilos de 15 cm cada
uno. Dos hilos de 20 cm cada uno. Un
soporte construido con dos varillas
de más de 20 cm de altura sobre
un pie como se ve en la figura que
soportan entre ellas un hilo.
Aplicaciones del efecto Doppler
1. Si la frecuencia del sonido emitido por la bocina de un automóvil descompuesto
detenido en una autopista es 500 Hz, ¿cuál es la frecuencia que percibe un auto de
auxilio que se aproxima al automóvil a una velocidad de 90 km/h?
La velocidad del sonido en el aire es v = 340 m/s. Como el receptor se mueve hacia
la fuente emisora, se puede considerar el signo positivo (+) para v y negativo (–) para
v
r
, ya que el auxilio se mueve en sentido opuesto al sonido de la bocina. Dado que el
auto va a una velocidad de 90 km/h, el valor de v
r
es 25 m/s. Además, la velocidad
del emisor, v
e
, es cero porque el auto está detenido. Luego:
f ´ =
v –
v
r
_____
v –
v
e
· f =
340 m/s – (–25m/s)
_______________
340 m/s
· 500 Hz = 537 Hz
El auxilio percibe una frecuencia de aproximadamente 537 Hz.
2. Una ambulancia viaja por una calle con una velocidad de 40 m/s y su sirena emite
un sonido de 400 Hz. ¿Qué frecuencia de esta sirena mediría un conductor que viajase
a 20 m/s en sentido contrario, alejándose de la ambulancia?
Si se considera como positivo el sentido de la propagación del sonido desde la
ambulancia hacia el otro conductor, la velocidad v
r
de su vehículo se considera tam-
bién positiva (+). En cambio, la velocidad de la ambulancia, v
e
, que se desplaza en
sentido opuesto, se considera negativa.
Con lo cual:
f ' =
v –
v
r
______
v –
v
e
· f =
340 m/s – 20 m/s
________________
340 m/s – (– 40 m/s)
· 400 Hz = 337 Hz
Por lo tanto el conductor del auto mide una frecuencia aproximada de 337 Hz.
Procedimiento
1. Coloquen un hilo en cada
péndulo.
2. Aten un hilo de cada medida al
hilo del soporte, como se indica en
la figura a una distancia de 6 cm.
3. Tomen un péndulo entre los
dedos y háganlo oscilar.
4. Registren lo que sucede. Expliquen
la situación en términos físicos.
5. Repitan lo anterior para los
péndulos de las otras dos longitudes.
No es conveniente que los soldados
marchen todos juntos cuando cruzan un
puente ya que sus pasos acompasados
pueden provocar la resonancia del puente.
ae
ACTIVIDADES
EXPERIMENTALES
265
La audición y el oído humano
La percepción del sonido en los seres humanos es un fenómeno muy comple-
jo en el que se pueden señalar los siguientes procesos:
❚ captación y procesamiento mecánico de las ondas sonoras;
❚ conversión de las señales sonoras en impulsos nerviosos;
❚ transmisión de dichos impulsos hasta los centros sensoriales del cerebro;
❚ procesamiento de la información codificada en forma de impulsos nerviosos.
En el sistema auditivo se pueden diferenciar dos regiones o partes.
La región periférica
En ella los estímulos sonoros conservan su carácter original de ondas
mecánicas hasta el momento de su conversión en señales electroquímicas.
La región central
En ella se transforman las señales en sensaciones. En esta región también
intervienen procesos cognitivos, mediante los cuales los sonidos tienen sen-
tido según un contexto, es decir, se puede reconocer una palabra, una música o el
sonido de un violín o de un piano.
El oído o región periférica se divide usualmente en tres zonas, llamadas oído externo,
oído medio y oído interno, de acuerdo con su ubicación en el cráneo.
El oído externo está formado por el pabellón de la oreja que se encarga de captar las
ondas sonoras; éstas se propagan hacia la membrana timpánica o tímpano, que constitu-
ye la entrada al oído medio.
El oído medio está formado por una cavidad llena de aire, en cuyo interior se encuentran
tres pequeños huesos, denominados martillo, yunque y estribo, articulados entre sí, y que
cumplen la función de amplificar la señal recibida. Uno de los extremos del martillo está unido
al tímpano, lo que le permite captar las vibraciones y transmitirlas al yunque y al estribo; éste
comunica con la ventana oval, orificio que permite la entrada del sonido al oído interno.
En el oído interno se encuentra la cóclea o caracol, un conducto rígido en forma de
espiral de unos 35 mm de longitud, lleno de fluidos de distintas composiciones químicas.
Las vibraciones captadas por la membrana oval son transmitidas a estos fluidos dentro
del caracol.
Sobre una membrana ubicada dentro de la cóclea, llamada membrana basilar, se encuentra
el órgano de Corti, que contiene células ciliares internas y externas; cuando son estimuladas al
recibir las vibraciones, llevan estos impulsos al cerebro, que decodificará la información.
En el complejo fenómeno de la audición humana se destacan los siguientes procesos.
❚ Los sonidos llegan a través del conducto auditivo hasta el tímpano.
❚ Los cambios de presión en la pared externa de la membrana timpánica, asociados a
la señal sonora, provocan la vibración del tímpano.
❚ Las vibraciones del tímpano se transmiten a lo largo de una cadena de pequeños huesos.
❚ Estos huesos se encuentran en contacto con los fluidos contenidos en el oído inter-
no; por lo tanto, el tímpano y la cadena de pequeños huesos actúan como un mecanismo
para transformar las vibraciones del aire en vibraciones de los fluidos.
❚ El movimiento del líquido provoca, a su vez, las vibraciones de una membrana elásti-
ca que hace que sus células ciliares se compriman contra las partes rígidas del caracol.
❚ Los estímulos de las células ciliares son transmitidos hasta el cerebro por las fibras
nerviosas.
Estructura del oído humano.
Tímpano
Martillo
Yunque
Pabellón
auricular
Estribo
Conducto
auditivo
externo
Orificio auditivo
266 FÍSICA. Capítulo 13. Ondas sonoras.
a
ACTIVIDADES
2. Luego de esta lectura respondan.
a. ¿Qué otras medidas se pueden
adoptar para disminuir el ruido en
una ciudad, en una casa, o en una
escuela?
b. ¿Cómo se puede promover
una campaña de difusión de este
problema?
c. Busquen artículos en diarios
y revistas que traten este tema.
Señalen y analicen las ideas
principales.
La contaminación sonora
La contaminación sonora es una característica de las sociedades industrializadas y
los grandes núcleos urbanos, que se suma a otros agentes de contaminación atmosférica
como el smog, el humo, las partículas en suspensión de polvo y de materiales tóxicos
como el plomo, los gases, el monóxido de carbono, los óxidos de nitrógeno, dióxido de
azufre, radiaciones, microbios, entre otros.
En las últimas décadas se produjo un aumento importante de los ruidos ambientales
debido al crecimiento de la densidad de población, al uso de maquinarias muy ruidosas
como martillos neumáticos o palas mecánicas, sirenas, incremento de la cantidad de auto-
móviles y otros vehículos como motocicletas, ómnibus, camiones, aviones, trenes, etc.
Los adolescentes y personas jóvenes están expuestos a elevados niveles de ruido debi-
do al uso de aparatos para escuchar música, como el walkman, el discman o mp3, o a los
ruidos de los lugares bailables, de diversión, etcétera.
Según la OMS (Organiza-
ción Mundial de la Salud) el
nivel máximo tolerable por el
oído humano es de 70 dB, si
bien estos valores son subje-
tivos y dependen de la sensi-
bilidad de percepción de cada
persona. Sin embargo, se ha
comprobado que las exposi-
ciones prolongadas a niveles
superiores a este valor máxi-
mo tolerable pueden producir
trastornos en la salud, como
cefaleas (dolores de cabeza),
disminución de la percepción auditiva, alteraciones en los ritmos cardíacos y respiratorios,
problemas digestivos, daños en el sistema nervioso, dificultades en la capacidad de concentra-
ción, cambios del comportamiento, conductas agresivas, trastornos en el sueño, estrés, etc.
Si los ruidos superan los 120 dB pueden causar dolor en los oídos, y si la intensidad
sonora es mayor que 140 dB, puede provocar desorientación en el espacio y hasta sordera
permanente; más allá de los 160 dB el tímpano puede estallar.
Es necesario tomar conciencia de estos factores y niveles de contaminación sonora y
adoptar medidas que tiendan a mejorar este problema de las sociedades modernas y sus
grandes ciudades.
Algunas de estas acciones para tener en cuenta son las siguientes.
❚ El uso de protectores del oído, como audífonos, en las profesiones o empleos que
exponen a niveles altos de ruido.
❚ La instalación de pantallas o sistemas de protección entre el foco de ruido y los
oyentes, por ejemplo pantallas antirruido en las autopistas.
❚ Colocación de revestimientos aislantes o absorbentes del sonido en los lugares rui-
dosos, las máquinas u otras fuentes de sonido intenso.
❚ Reducción de la circulación de vehículos en zonas residenciales.
❚ Realización de campañas de educación ambiental para la real toma de conciencia de
este problema.
En una calle céntrica de una ciudad
ruidosa, la intensidad del sonido
puede superar los 75 dB.
Los martillos neumáticos pueden
superar los 130 dB.
En los salones de baile y en los recitales
de música como el rock, se pueden
superar los 120 dB.
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