El sonido y sus propiedades
Ondas mecánicas
A todo movimiento ondulatorio que se transmite a través de un medio material, se llama onda mecánica. Lo que se propaga es la energía de las oscilaciones mecánicas de las partículas del medio. La onda mecánica más característica es el sonido, que es un movimiento ondulatorio longitudinal (las partículas del medio vibran en la dirección de propagación del campo), transmitido en el medio por colisiones elásticas entre las partículas adyacentes.
La velocidad de propagación del sonido en los gases se calcula como:
Frentes de onda
Para explicar la propagación de las ondas mecánicas se recurre frecuentemente a un modelo geométrico en el que se distinguen:
- El foco emisor primario, del que parte la perturbación ondulatoria.
- Los frentes de onda, o lugares geométricos de los puntos del medio que tienen igual fase (estado de vibración) en un instante dado.
- Los rayos de onda, que son rectas perpendiculares a los frentes de onda y determinan gráficamente las direcciones de propagación.
Ilustración de los conceptos de frentes de onda y rayos de onda.
Difracción de ondas
Se define difracción como la cualidad de una onda según la cual el movimiento ondulatorio, aun cuando se propague en línea recta, es capaz de sortear obstáculos, doblar esquinas o difundirse a través de una rendija.
Este fenómeno puede explicarse mediante el modelo geométrico de los frentes de onda secundarios, por el cual cada punto del frente de ondas se convierte en emisor de ondas esféricas cuya envolvente engendra el nuevo frente de ondas.
Intensidad del sonido
En el estudio del sonido, desde el punto de vista de su percepción por el hombre, se analizan propiedades diferentes de las puramente ondulatorias (periodo, longitud de onda, frecuencia, fase, amplitud). Entre estas propiedades destaca la intensidad de la onda, que se define como la energía que esta transporta por unidad de tiempo a través de una unidad de superficie perpendicular a la dirección de propagación.
El valor de la intensidad de una onda armonica, se expresa:
siendo r la densidad del medio, v la velocidad de propagación, w la frecuencia angular de la vibración y A la amplitud o elongación máxima de la onda. En el Sistema Internacional, esta intensidad de onda se mide en vatios por metro cuadrado (W/m2).
La energía que transporta la onda por la sección del medio en un intervalo de tiempo dado es absorbida por las partículas que se contienen en el volumen considerado.
Nivel de intensidad sonora
La intensidad sonora mínima que percibe el oído humano se denomina intensidad umbral, y tiene un valor aproximado de 10-12 W/m2 ; por su parte, la intensidad máxima perceptible antes de sentir dolor en el oído es de 1 W/m2, aproximadamente. Para representar la escala de audición del hombre, se utiliza una escala logaritmica relativa que comprima graficamente los valores.
El nivel de intensidad sonora b de un sonido con intensidad I se define:
Timbre y tono
Otras cualidades importantes del sonido, desde el punto de vista de la percepción, son el timbre y el tono.
El timbre, se define como el conjunto formado por el armónico fundamental de la misma y sus armónicos secundarios. Es la cualidad que permite distinguir, por ejemplo, el sonido de un piano del de un violín.
Por su parte, el tono es la frecuencia fundamental de la onda periódica, es decir, la onda predominante en la sucesión de sus armónicos. En virtud del tono, los sonidos se clasifican en graves (con frecuencia fundamental baja) y agudos (cuya frecuencia fundamental es elevada).Christiaan Huygens
Modelo de los focos secundarios de Huygens: cada punto de la envolvente de las ondas elementales emitidas por cada punto engendra un nuevo frente de ondas global, de manera que sus puntos se convierten en focos emisores de ondas esféricas secundarias.
El neerlandés Christiaan Huygens (1629-1695) ofreció una primera explicación plausible del fenómeno de la difracción de la luz. Su exposición era coherente con su interpretación de que la luz estaba formada por ondas que se difundían al doblar esquinas o atravesar rendijas.
Ultrasonidos
Los ultrasonidos son ondas sonoras cuya frecuencia es superior al umbral máximo de audición del hombre. Para una persona joven, los límites de audición se sitúan en 20 Hz (por debajo) y 20.000 Hz (por encima). Así, los ultrasonidos tienen frecuencias superiores a 20.000 Hz. Estas ondas sonoras de alta frecuencia poseen diversas aplicaciones, como el uso del sonar en los submarinos para detectar objetos mediante el eco, o los procedimientos utilizados en medicina para romper los cálculos de riñón sin necesidad de una intervención quirúrgica. Algunos animales, como los murciélagos y los perros, son capaces de detectar ultrasonidos.