5.7: Sonido

Objetivos de aprendizaje

• Definir el sonido y la audición.
• Describir el sonido como una onda longitudinal.
• Distinguir entre sonido audible, ultrasonido e infrasonido.

Figura\(\PageIndex{1}\): Este vidrio ha sido destrozado por una onda sonora de alta intensidad de la misma frecuencia que la frecuencia resonante del vidrio. Si bien el sonido no es visible, los efectos del sonido prueban su existencia. (crédito: ||leer||, Flickr)

El sonido se puede utilizar como una ilustración familiar de las ondas. Debido a que la audición es uno de nuestros sentidos más importantes, es interesante ver cómo las propiedades físicas del sonido corresponden a nuestras percepciones del mismo. La audición es la percepción del sonido, así como la visión es la percepción de la luz visible. Pero el sonido tiene aplicaciones importantes más allá de la audición. El ultrasonido, por ejemplo, no se escucha pero se puede emplear para formar imágenes médicas y también se utiliza en el tratamiento.

El fenómeno físico del sonido se define como una perturbación de la materia que se transmite desde su fuente hacia afuera. El sonido es una onda. En la escala atómica, se trata de una perturbación de átomos que está mucho más ordenada que sus movimientos térmicos. En muchos casos, el sonido es una onda periódica, y los átomos experimentan un simple movimiento armónico. En este texto, exploraremos tales ondas sonoras periódicas.

Una cuerda vibratoria produce una onda de sonido como se ilustra en la Figura\(\PageIndex{2}\)\(\PageIndex{3}\), Figura y Figura\(\PageIndex{4}\). A medida que la cuerda oscila de un lado a otro, transfiere energía al aire, principalmente como energía térmica creada por la turbulencia. Pero una pequeña parte de la energía de la cuerda se destina a comprimir y expandir el aire circundante, creando presiones locales ligeramente más altas y menores. Estas compresiones (regiones de alta presión) y rarefacciones (regiones de baja presión) se mueven hacia fuera como ondas de presión longitudinales que tienen la misma frecuencia que la cuerda, son la perturbación que es una onda sonora. (Las ondas sonoras en el aire y la mayoría de los fluidos son longitudinales, porque los fluidos casi no tienen resistencia al cizallamiento. En sólidos, las ondas sonoras pueden ser tanto transversales como longitudinales.) La figura\(\PageIndex{4}\) muestra una gráfica de la presión manométrica frente a la distancia de la cuerda vibratoria.

Figura\(\PageIndex{2}\): Una cuerda vibratoria que se mueve hacia la derecha comprime el aire frente a ella y expande el aire detrás de ella.

Figura\(\PageIndex{3}\): A medida que la cuerda se mueve hacia la izquierda, crea otra compresión y rarefacción a medida que las de la derecha se alejan de la cuerda.

Figura\(\PageIndex{4}\): Después de muchas vibraciones, hay una serie de compresiones y rarefacciones que salen de la cuerda como una onda sonora. El gráfico muestra la presión manométrica versus la distancia desde la fuente. Las presiones varían solo ligeramente de las atmosféricas para sonidos ordinarios.

La amplitud de una onda sonora disminuye con la distancia de su fuente, debido a que la energía de la onda se extiende sobre un área cada vez mayor. Pero también es absorbido por objetos, como el tímpano en la Figura\(\PageIndex{5}\), y convertido en energía térmica por la viscosidad del aire. Además, durante cada compresión un poco de calor transfiere al aire y durante cada rarefacción incluso menos transferencias de calor del aire, de manera que la transferencia de calor reduce la perturbación organizada en movimientos térmicos aleatorios. Si la transferencia de calor de la compresión a la rarefacción es significativa depende de lo lejos que estén, es decir, depende de la longitud de onda. La longitud de onda, la frecuencia, la amplitud y la velocidad de propagación son importantes para el sonido, como lo son para todas las ondas.

Cuando la frecuencia de la onda sonora está en un rango audible de 20 a 20,000 Hz, se puede observar la vibración de los tímpanos a estas frecuencias, que es lo que escuchamos. Las ondas sonoras de frecuencia superior a 20 kHz se denominan ondas de ultrasonido. Algunos equipos de construcción producen ondas infrasónicas de frecuencias menores a 20 Hz, las cuales, aunque no se pueden escuchar, aún pueden afectar al cuerpo humano a amplitudes suficientemente grandes.

Figura\(\PageIndex{5}\): Las compresiones y rarefacciones de ondas sonoras viajan por el canal auditivo y obligan al tímpano a vibrar. Existe una fuerza neta sobre el tímpano, ya que las presiones de las ondas sonoras difieren de la presión atmosférica que se encuentra detrás del tímpano. Un mecanismo complicado convierte las vibraciones en impulsos nerviosos, los cuales son percibidos por la persona.

Resumen de la Sección

• El sonido es una perturbación de la materia que se transmite desde su fuente hacia afuera.
• El sonido es un tipo de onda.
• La audición es la percepción del sonido.

Glosario

rango audible

frecuencias entre 20 Hz y 20,000 Hz

infrasonido

ondas sonoras por debajo de las frecuencias audibles (menos de 20 Hz)

audiencia

la percepción del sonido

sonido

una perturbación de la materia que se transmite desde su fuente hacia afuera

ultrasonido

ondas sonoras por encima de las frecuencias audibles (mayores de 20,000 Hz)