Ondas Sonoras

¿Qué es una onda sonora?

Es una onda mecánica periódica que propaga una sobrepresión (una presión superior a la «normal») en un medio material (un gas, un líquido o un sólido)

Una capa de material sometida a sobrepresión se comprime, lo que va acompañado de una disminución de su volumen (esta disminución es, sin embargo, mayor para un gas que para un sólido o un líquido). Al relajarse y recuperar su presión y volumen iniciales, la capa de materia comprime a su vecina, que a su vez se relaja y transmite el exceso de presión a su vecina, y así sucesivamente. Este mecanismo es el que permite la propagación de la onda sonora.

Los diferentes tipos de ondas sonoras

Según su frecuencia, las ondas sonoras pueden clasificarse en tres categorías: audibles, infrasónicas y ultrasónicas

Ondas sonoras audibles

Por definición, corresponden a sonidos que el sistema auditivo humano puede detectar, es decir, ondas con una frecuencia entre 20 Hz y 20 kHz.

Estos límites (20 Hz y 20 kHz) son sólo valores de referencia porque cada persona tiene su propia capacidad auditiva, que tiende a cambiar con la edad. Las frecuencias altas (cercanas a los 20 kHz) suelen ser mejor percibidas por los jóvenes que por los adultos.
Además, la frecuencia de una onda sonora está relacionada con el «tono» del sonido percibido:

  • Cuanto más baja es la frecuencia, más baja parece
  • Cuanto mayor sea la frecuencia, mayor será el tono

Las notas de cada escala están asociadas a su propio valor de frecuencia.

La voz humana produce sonidos con frecuencias de aproximadamente 100 a 500 Hz, pero una voz cantada puede ir más allá de estos valores: una voz grave puede alcanzar frecuencias de unos 70 Hz, mientras que una soprano puede superar los 1000 Hz

  • Los sonidos audibles tienen un periodo entre 5,0,10-5 s y 5,0,10-2s.
  • Los sonidos audibles tienen una longitud de onda de entre 17 cm y 17 m en el aire a una temperatura de 20 °C y una presión de una atmósfera.

Infrasonido

El infrasonido es una onda sonora con una frecuencia demasiado baja para ser detectada por el sistema auditivo humano.

Por lo tanto, se considera que el infrasonido es un sonido inaudible con una frecuencia inferior a 20 Hz.

Hay animales como las ballenas, las jirafas y los elefantes que son capaces de oír algunos infrasonidos.

Por lo tanto, los infrasonidos también se caracterizan por:

  • Un periodo superior a 5,0,10-2 s
  • Una longitud de onda en el aire (con T=20°C y P =1 atm) superior a 17 metros

Ultrasonido

El ultrasonido es una onda sonora con una frecuencia demasiado alta para que el sistema auditivo humano la detecte.

El ultrasonido es, por tanto, un sonido inaudible con una frecuencia superior a 20 kHz

Algunas especies pueden percibir algunos ultrasonidos, como los perros, los gatos y los delfines.

Por lo tanto, los ultrasonidos también pueden distinguirse por:

  • Un periodo inferior a 5,0,10-5 s
  • Una longitud de onda en el aire (con T=20°C y P =1 atm) inferior a 17 centímetros

Propagación

Por definición, una onda sonora sólo puede propagarse en un medio material, ya que la presión es una magnitud física relacionada con la materia. Por lo tanto, el sonido no puede existir en el vacío (¡las películas de ciencia ficción que acompañan las explosiones espaciales con detonaciones te están mintiendo!)

Velocidad

La velocidad de una onda sonora depende del medio en el que se propaga. En general, cuanto menor sea la compresibilidad del medio y mayor su densidad, mayor será su velocidad.

El estado gaseoso es el menos denso y el más compresible, por lo que la velocidad de las ondas sonoras es menor que en los sólidos y líquidos

El estado sólido es generalmente más denso y menos elástico que el estado líquido y, por tanto, la propagación es más rápida.

En general, se puede decir lo siguiente para el sonido: cgas < cliquid < csolid

En el aire, a temperatura ambiente (20°C) y bajo presión atmosférica, la velocidad de propagación del sonido es de aproximadamente:

340 m/s o unos 1220 km/h

La densidad de un gas está estrechamente relacionada con la presión y la temperatura y, por tanto, la velocidad de propagación depende de estos parámetros:

  • En un gas comprimido, donde tanto la presión como la densidad son mayores, la velocidad también es mayor.
  • Por el contrario, en un gas expandido, la densidad es menor y la velocidad también.
  • Cuando la temperatura de un gas aumenta, su densidad disminuye, por lo que la velocidad del sonido también disminuye.
  • Cuando la temperatura de un gas disminuye, la densidad aumenta y la velocidad también.
  • Como la presión atmosférica disminuye con la altitud, la velocidad del sonido en el aire también disminuye con la altitud.

La longitud de onda depende de la velocidad (como muestra la relación λ = c/f) por lo que cualquier parámetro que afecte a la velocidad también modifica la longitud de onda. Por tanto, la longitud de onda de una onda de una frecuencia determinada en el aire depende de la presión atmosférica, la temperatura y la altitud.

Velocidad en diferentes sustancias

Sustancia Velocidad del sonido (en m/s)
Plomo 1200
Agua líquida1480
Hormigón 3100
Hielo 3200
Titanio 4950
Vidrio 5300
Acero 5600 a 5900

 

Velocidad del sonido en el aire a diferentes temperaturas

Bajo una presión atmosférica de 1 atm (101325 Pa)

Temperatura (°C)Velocidad del sonido (m/s)
-25315,77
-20318,94
-15322,07
-10325,18
-5328;25
0331,30
5334,32
10337,31
15340,25
20343,21
25346,13
30349,02
35351,88

Producción de una onda sonora

Una onda sonora sólo puede obtenerse de una fuente mecánica vibrante que produzca periódicamente sobrepresiones:

  • Cuerdas vocales
  • Cuerdas de guitarra
  • La membrana de un altavoz o auricular
  • Cualquier superficie capaz de vibrar bajo el efecto de un impacto (mesa, suelo, tambor, xilófono…)

Las características de la onda sonora producida dependen de las de la fuente:

  • La frecuencia es la misma que la frecuencia de vibración de la fuente
  • Las amplitudes de las sobrepresiones (y por tanto la intensidad sonora) dependen de la amplitud de las vibraciones de la fuente.

En el caso de las cuerdas, la frecuencia de vibración está directamente relacionada con la longitud de la cuerda.

Sonido puro y sonido complejo

Al igual que la luz puede ser policromática y estar formada por ondas electromagnéticas de diferentes frecuencias, un sonido también puede estar formado por ondas sonoras de diferentes frecuencias, en cuyo caso se dice que es «complejo». Un sonido formado por ondas sonoras de la misma frecuencia se llama «puro».

Transmisión, reflexión y absorción de una onda sonora

Al igual que la luz, cuando una onda sonora alcanza la superficie de separación de dos medios materiales puede sufrir

  • Transmisión, es decir, sigue propagándose en el segundo medio
  • Un reflejo, es decir, se devuelve al medio del que procede
  • Absorción, el segundo medio puede absorberla y convertirla en otra forma de energía

En la práctica, los tres fenómenos suelen coexistir, una parte de la onda se transmite, otra se refleja y la última se absorbe.

Hay un cuarto fenómeno posible que es la difracción de la onda (visto en el último año de la escuela secundaria)