Hoy iniciamos un nuevo apartado en el blog de EOM para hablar del sonido (y próximamente de producción musical).
¡Esperamos que os guste!
Índice de contenidos
Introducción
Cuando hablamos de sonido nos referimos a una sensación producida en el órgano del oído debido al movimiento vibratorio de los cuerpos. Desde un punto de vista físico, el sonido es la vibración de las partículas que componen un medio elástico (sólido, líquido o gaseoso) que se propaga en forma de ondas.
Para que se produzca el sonido son necesarios:
- El emisor u objeto que vibra, foco.
- Un medio elástico transmisor.
- El receptor que percibe la vibración.
Propagación del sonido
La propagación del sonido se produce cuando un objeto vibra en el espacio y modifica a su alrededor la densidad del medio en que se encuentra, propagándose a lo largo del espacio y el tiempo.
Imaginemos la cuerda de una guitarra en reposo. Si no existe otra perturbación, las moléculas que componen el aire estarán en equilibrio, distribuidas uniformemente en el espacio.
Si hacemos vibrar la cuerda, su movimiento romperá el equilibrio y producirá zonas de alta presión (compresión) y zonas de baja presión (rarefacción) que se desplazarán a lo largo del espacio y el tiempo.
Zonas de presión producidas por distintas vibraciones
(Fuente: https://uapa.cuaieed.unam.mx/sites/default/files/minisite/static/940d57bb-b822-4ca5-8394-2fcc4e68e5e2/principios_propagacion_luz_calor_sonido/index.html)
Representación matemática
Este movimiento vibratorio se puede expresar matemáticamente a través de la función seno que representa la forma de vibración más sencilla posible, el movimiento armónico simple:
x=sin(t)
Las crestas de la onda corresponden con las zonas de compresión, mientras que los valles se asocian a las zonas de rarefacción.
Longitud de onda, frecuencia y amplitud
La longitud de onda (
) es la distancia que recorre una onda hasta completar un ciclo, y se mide en metros.
La amplitud es la presión máxima que alcanza la onda.
La frecuencia es el número de ciclos que se producen por segundo. Se mide en hercios en honor a Heinrich Rudolf Hertz (1857 – 1894).
La longitud de onda y la frecuencia están relacionadas de la siguiente forma:
v=\lambda f \rightarrow \lambda=\frac{v}{f}Donde 
es la constante de la velocidad de la luz (aproximadamente 3*10^8 m/s)
El rango de frecuencias que es capaz de detectar el oído humano se encuentra comprendido entre los 
y los 
, clasificándose de la siguiente manera:
En el gráfico anterior, se observa que cada frecuencia tiene un volumen asociado (altura de la barra). En el ejemplo se observa que las frecuencias graves han alcanzado un nivel de saturación (zona de color rojo).
Cualidades del sonido
El sonido tiene las siguientes cualidades:
- El tono es la sensación auditiva que diferencia a los sonidos agudos de los medios y de los graves.
- El timbre es la cualidad que nos permite diferenciar entre dos sonidos de igual frecuencia, i.e. igual tono, emitidos por dos instrumentos diferentes.
- La intensidad diferencia un sonido suave de un sonido fuerte. Depende de la fuerza con la que el instrumento vibre o sea ejecutado y de la distancia a la fuente sonora.
- La sonoridad está relacionada con la intensidad. Es la medida de la intensidad subjetiva con la que un sonido es percibido por el oído humano. La sonoridad nos permite ordenar sonidos en una escala de mayor a menor intensidad percibida. La unidad que mide la sonoridad es el fon.
- La duración es el tiempo durante el cual existen las vibraciones que producen un sonido.
Los armónicos: el timbre y la fase
Supongamos la onda simple de amplitud A y frecuencia 
mostrada en la siguiente figura:
Supongamos también la onda simple con la amplitud 
y frecuencia 
mostrada a continuación:
Si sumamos las dos ondas obtendremos la siguiente forma de onda:
Supongamos ahora que sumamos otra onda simple de amplitud y frecuencia 
.
Podemos ver cómo la onda senoidal sencilla se va distorsionando a medida que sumamos componentes. Pues bien, el proceso puede ser revertido, y toda onda compleja, como la de la figura anterior, puede ser descompuesta en ondas senoidales sencillas.
La onda senoidal con frecuencia se denomina la fundamental; 
se denomina segundo armónico, y 
se le llama tercer armónico. El cuarto y el quinto armónico tienen cuatro y cinco veces respectivamente la frecuencia fundamental, y así sucesivamente.
La cualidad del sonido, que denominábamos timbre en el apartado anterior, depende directamente de la cantidad de armónicos que tenga un sonido y de la intensidad de cada uno de ellos. La nota la, de 
, producida por la vibración de una trompeta es distinta a la nota la, de la misma frecuencia, emitida por la vibración de una flauta, porque ambos tienen distintos armónicos. En las figuras anteriores, las tres componentes 
comienzan en 
al mismo tiempo. Se dice, pues, que las tres componentes se encuentran en fase.
Reflexión, Refracción y Difracción
Cuando una onda acústica se propaga por un medio 
e incide sobre la superficie de otro medio 
, que es perpendicular a la dirección en la que se propaga, parte de la onda se refleja en el medio y parte se refracta pasando al medio .
El ángulo con el que se refleja la onda es idéntico al ángulo con el que incide en la superficie, de modo que, si el ángulo de incidencia es perpendicular a la superficie que separa ambos medios, la onda reflejada se superpone a la incidente. Cuando el ángulo de la onda incidente es superior a un ángulo denominado crítico, esta no penetra en el medio y, por tanto, solo existe onda reflejada.
La relación existente entre las impedancias acústicas de los medios en los que se propaga la onda determina la energía que adquirirá tanto la onda reflejada como la onda refractada. Las frecuencias graves se transmiten fácilmente en medios sólidos y son más difíciles de aislar.
Cuando una onda se refracta en un medio sólido, le hace vibrar, lo que lo convierte en un nuevo foco de emisión. Este mecanismo es lo que se denomina transmisión estructural del sonido, y es el responsable de la transmisión de sonido a recintos colindantes.
La transmisión de sonido puede ser por vía aérea cuando la onda de presión sonora incide en un paramento y lo excita, produciendo la transmisión del sonido hasta estancias o viviendas adyacentes.
La transmisión puede ser mecánica cuando la excitación del paramento se produce por medios mecánicos, por ejemplo, cuando una persona con tacones pasea por una vivienda. Los impactos se transmiten a través del forjado y son escuchados en la vivienda inferior.
Los medios sólidos transmiten mejor las bajas frecuencias y en especial la coincidente con la frecuencia de resonancia del material. Las altas frecuencias se atenúan rápidamente y tienen un recorrido mucho menor dentro del material.
Cuando una onda se propaga por el aire e incide sobre la superficie del agua, la mayor parte de la energía se refleja, ya que las impedancias de ambos medios son muy distintas. Sin embargo, cuando una onda se propaga por una capa de aire frío e incide sobre una capa de aire caliente (en este caso, se pueden considerar medios diferentes ya que tienen diferente densidad, que viene determinada por el gradiente de temperatura existente), la mayor parte de la energía de la onda incidente pasa a formar parte de la onda refractada, ya que los valores de impedancia acústica de los medios son muy similares.
La atmósfera terrestre representa un medio idóneo para la propagación del sonido, debido a su estabilidad y uniformidad. No obstante, en ocasiones, el aire en las proximidades de la superficie de la tierra es más cálido que el existente en capas más elevadas, y al contrario, puede ocurrir que el aire cercano a la superficie de la tierra esté más frio que el existente en capas superiores.
Cuando existe un gradiente térmico entre el aire frío cerca de la superficie de la tierra y el aire más cálido que está arriba, afecta a los frentes de onda del sonido. El sonido viaja más rápido en el aire caliente que en el aire frío, lo que hace que las partes superiores de los frentes de onda vayan más rápido que las partes más bajas. La inclinación de los frentes de onda dirige los rayos de sonido hacia abajo. Bajo tales condiciones, el sonido se inclina continuamente hacia la superficie de la tierra y puede seguir la curvatura de la tierra y ser escuchado a distancias relativamente grandes.
Cuando el gradiente térmico se invierte, ya que el aire cerca de la superficie de la tierra es más cálido que el aire que está más arriba, las partes inferiores de los frentes de onda viajan más rápido que las partes superiores, lo que provoca una refracción hacia arriba de los rayos de sonido.
La difracción del sonido se produce cuando una onda se encuentra con un obstáculo y varía su trayectoria original en línea recta.
Por ejemplo, imaginemos una pared que separa una zona industrial y una zona residencial. Las ondas acústicas se comportarán de forma similar a como actúa la luz cuando se encuentra con un obstáculo; por tanto, se produce una sombra acústica creada por dicho obstáculo. Esta sombra es diferente según la frecuencia de la onda incidente y conlleva una reducción de la intensidad del sonido. La reducción en la intensidad del sonido producida por la sombra acústica es menor en las bajas frecuencias y mayor en las altas.
Por tanto, podemos decir que las bajas frecuencias sufren más difracción que las altas. En otras palabras, cuando un sonido de baja frecuencia se difracta su trayectoria se curva en un mayor grado rodeando el obstáculo. Esta difracción es mayor que la existente en los sonidos de alta frecuencia.
Como veis, el sonido es todo un mundo muy interesante en el que seguiremos profundizando en próximas entradas.
