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El sonido y sus efectos
por Enrique Hernández
El sonido
La acústica es la parte de la física que estudia la naturaleza del sonido, su forma de propagarse y los fenómenos que lo producen. Es fundamental para algunos profesionales como los músicos, arquitectos, ingenieros en electrónica y los médicos.
El sonido se origina por la vibración de un objeto y es una mecánica, es decir que requiere de un medio para su propagación y de éste depende su velocidad, aunque su valor es constante para cada medio. Se propaga en sólidos, líquidos y gases, pero la mayoría de los sonidos que llegan
a nuestros oídos viajan por el aire. Figura 1. Listen (Flickr, 2005).
La velocidad del sonido en el aire es de 340 m/s, en el agua es de 1.400 m/s y en el hierro es de 5,100 m/s. Como puedes observar, el sonido se propaga con mayor velocidad en sólidos que en gases.
Cuando un sonido es fuerte, los objetos cercanos a la fuente sonora vibran, ya que junto con el sonido se propaga energía. El proceso de propagación del sonido se comporta como una onda mecánica de tipo longitudinal.
En la tabla 1 se muestra la velocidad del sonido en diferentes sustancias.
Sustancia Velocidad (m/s)
Aire (0°C) 331
Hidrógeno 1269
Agua 1435
Alcohol 1213
Hierro 5130
Vidrio 5000
Tabla 1. Velocidad del sonido en diferentes sustancias.
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Sin embargo, experimentos realizados demuestran que la velocidad del sonido depende también de la temperatura. Para el sonido que viaja a través del aire se tiene la siguiente relación:
T v=331+0.6 Donde T es la temperatura del aire en grados centígrados.
Ejemplo
Calcular la velocidad del sonido a través del aire cuando la temperatura es de 28°C.
Solución
Sustituyendo valores en la expresión v=331+0.6T tienes:
s m v
v
/ 8 . 347
) 28 ( 6 . 0 331
= +
=
Ejemplo
Calcular la temperatura del aire cuando el sonido alcanza una velocidad de 347.5 m/s.
Solución
Sustituyendo valores en la expresión v=331+0.6T y despejando T tienes:
C T
C T
T s m s
m
°
=
− °
=
+
=
7 . 56
6 . 0
331 5 . 347
6 . 0 / 331 /
5
.
347
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Reflexión del sonido
Cuando las ondas sonoras, durante su trayecto, encuentran un obstáculo chocan pero se siguen propagando en el mismo medio aunque con una dirección diferente. Este fenómeno de propagación recibe el nombre de reflexión.
La reflexión del sonido depende del tipo de material con el que chocan las ondas sonoras. Algunos materiales como los sólidos o líquidos lo reflejan bien, pero existen algunos otros que lo absorben, como es el caso de la seda, los tapices, el corcho, etc.
Como una consecuencia de la reflexión del sonido, se producen dos fenómenos: el eco y la reverberación.
El eco se produce cuando un mismo sonido se percibe más de una vez, lo cual se debe a la reflexión de las ondas sonoras.
La reverberación es la persistencia del sonido después de
haber cesado la vibración del foco sonoro. En los cines y teatros se evita la reverberación recubriendo las paredes de materiales que en lugar de reflejar el sonido lo absorben, estos materiales pueden ser corcho o madera.
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Figura 2. Reflexión del sonido.
Cualidades del sonido
El sonido presenta tres cualidades que lo caracterizan: intensidad, tono y timbre.
• Intensidad. Está determinada por la amplitud de la onda sonora, es una medida de la energía que transporta. Dependiendo de la intensidad, los sonidos se clasifican en sonidos fuertes y débiles. La unidad de sonoridad (intensidad del sonido) se llama decibel (dB) y por encima de los 140 dB, una onda sonora puede causar daños irreversibles en el oído.
• Tono. Es la propiedad que permite distinguir entre sonidos agudos y graves y depende de su frecuencia. Los sonidos graves tienen una frecuencia baja y los agudos una frecuencia alta.
El ser humano solamente percibe como sonido las vibraciones comprendidas entre 20 y 20, 000Hz, pero fuera de este rango esas vibraciones no son percibidas por el oído humano.
Algunos animales perciben sonidos con frecuencias superiores (ultrasonidos) como los perros que perciben hasta 80,000 Hz.
• Timbre. Es una propiedad que permite distinguir la procedencia de los sonidos. Una misma nota musical tiene diferente timbre dependiendo del instrumento que la emite, ya sea un violín, una piano o una trompeta.
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dBA Nivel aproximado de ruido asociado a diferentes actividades Son esperables daños en la
audición
140 Umbral del dolor
130
120
110
Figura 3. Airplane (Avila, 2008).
100
90
Figura 4. Drill (Livingston, 2010).
80
Son esperables molestias en función del tipo de trabajo
70
Figura 5. 2012 Mercedes-Benz C63 AMG Car Review (NRMA Motoring and Services, 2011).
60
50
Fig
Figura 6. Royal portable typewriter (alexkerhead, 2007).
No son esperables daños ni molestias
40
Figura 7. Conversation (Flickr, 2008).
30
20
10
Figura 8. Doves (Tolle, 2007).
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UMBRAL DE AUDICIÓN
Tabla 2. Valores de sonoridad.
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Efecto Doppler
Figura 9. Christian Doppler (Wikimedia Commons, s.f.).
Christian Johann Doppler, de nacionalidad austriaca, presentó en 1842 una memoria que explicaba por qué el calor de un cuerpo luminoso, lo mismo que la frecuencia de un cuerpo sonoro, se percibe diferente como
consecuencia del movimiento relativo del cuerpo y del observador. La explicación a este fenómeno se conoce como efecto Doppler.
Cuando un observador que escucha se mueve hacia una
fuente sonora en reposo, la altura (frecuencia) del sonido que se percibe es superior que cuando se halla en reposo.
Si el observador se está alejando de la fuente fija, percibe un sonido más bajo que cuando está en reposo (González, s.f., p. 81).
Pasa lo mismo con la frecuencia del sonido cuando la fuente se encuentra en movimiento, acercándose o alejándose de un observador en reposo. Por ejemplo, la frecuencia de un silbato de un tren es mayor cuando la fuente se acerca al observador que cuando lo ha pasado y se aleja.
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El efecto Doppler se puede aplicar a todo tipo de ondas, pero aquí se usará exclusivamente para las ondas sonoras. Observa los siguientes casos:
Caso 1. El observador se acerca a una fuente sonora en reposo.
⎟ ⎠
⎜ ⎞
⎝
= ⎛ +
vv f v
fO O
Caso 2. El observador se aleja a una fuente sonora en reposo.
⎟ ⎠
⎜ ⎞
⎝
= ⎛ −
vv f v
fO O
Para el caso 1 y 2 se tiene que:
fO: frecuencia que percibe el observador f : frecuencia emitida por la fuente sonora vO: velocidad del observador
v : velocidad del sonido
Caso 3. El observador se encuentra en reposo y la fuente sonora se acerca.
fO: f : vO: v :
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Caso 4. El observador se encuentra en reposo y la fuente sonora se aleja.
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜ ⎝
⎛
= +
S
O v v
f v f Para el caso 3 y 4 se tiene que:
sonido del
velocidad :
fuente la de velocidad :
sonora fuente
la por emitida frecuencia
:
observador el
percibe que
frecuencia :
v v f f
S O
Ejemplo
La sirena de una ambulancia emite un sonido de 1000Hz. Si la ambulancia se aleja de un
observador a una velocidad de 10 m/s, ¿cuál es la frecuencia del sonido que percibe el observador?
Solución
En este caso el observador se encuentra en reposo y la fuente sonora se aleja, es decir corresponde al caso 4, por lo que aplicas la relación:
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜ ⎝
⎛
= +
S
O v v
f v f
Hz f
Hz f
O O
67 . 970
10 331 1000 331
=
⎟ ⎠
⎜ ⎞
⎝
⎛
= +
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Un automóvil que se mueve a una velocidad de 108 km/h se acerca a un silbato instalado en un edificio que emite un sonido de 500 Hz, ¿cuál es la frecuencia del sonido que percibe el conductor del auto?
Solución
En este caso el observador se encuentra en movimiento acercándose a la fuente sonora que está fija, por lo que corresponde al caso 1.
⎟ ⎠
⎜ ⎞
⎝
= ⎛ +
vv f v
fO O
⎟ ⎠
⎜ ⎞
⎝
⎛ +
= 331
30 500Hz 331
fO
Hz f
O= 546 . 96
Ejemplo
En el caso del ejemplo anterior supón que ahora el automóvil se aleja de la fuente. ¿Cuál es la frecuencia del sonido que percibe el conductor del auto?
Solución
En este caso el observador se encuentra en movimiento alejándose de la fuente sonora que está fija, por lo que corresponde al caso 2.
⎟ ⎠
⎜ ⎞
⎝
= ⎛ −
vv f v
fO O
⎟ ⎠
⎜ ⎞
⎝
⎛ −
= 331
30 500Hz 331
fO
Hz
f
O= 454 . 68
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Referencia
González, R. (s.f.). Tema tres (Movimientos Armónico y Ondulatorio). En Apuntes de Física para Segundo de Bachillerato. Recuperado de
http://www.iesfernandorios.es/files/fisicayquimica/t3.pdf
Referencias de imágenes
Alexkerhead. (2007). Royal portable typewriter. Recuperada de
http://www.flickr.com/photos/alexkerhead/3495304775/ (Imagen publicada bajo licencia Creative Commons Atribución 2.0 Genérica, de acuerdo a:
http://creativecommons.org/licenses/by/2.0/deed.es).
Avila, M. (2008). Airplane. Recuperada de
http://www.flickr.com/photos/marinaavila/2816658790/ (Imagen publicada bajo licencia Creative Commons Atribución 2.0 Genérica, de acuerdo a:
http://creativecommons.org/licenses/by/2.0/deed.es).
Cliff. (2010). Coffe Talk with School Board Member, Sally Baird. Recuperada de
http://www.flickr.com/photos/nostri-imago/5099123259/ (Imagen publicada bajo licencia Creative Commons Atribución 2.0 Genérica, de acuerdo a:
http://creativecommons.org/licenses/by/2.0/deed.es).
Livingston, S. M. (2010). Drill. Recuperada de
http://www.flickr.com/photos/39747297@N05/5229733311/ (Imagen publicada bajo licencia Creative Commons Atribución 2.0 Genérica, de acuerdo a:
http://creativecommons.org/licenses/by/2.0/deed.es).
NRMA Motoring and Services. (2011). 2012 Mercedes-Benz C63 AMG Car Review.
Recuperada de http://www.flickr.com/photos/nrmadriversseat/6937142471/
(Imagen publicada bajo licencia Creative Commons Atribución 2.0 Genérica, de acuerdo a: http://creativecommons.org/licenses/by/2.0/deed.es).
Tolle, T. (2007). Doves. Recuperada de http://www.flickr.com/photos/angstdei/572278279/
(Imagen publicada bajo licencia Creative Commons Atribución 2.0 Genérica, de acuerdo a: http://creativecommons.org/licenses/by/2.0/deed.es).
Wikimedia Commons. (s.f.). Christian Doppler. Recuperada de
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Christian_Doppler.jpg (Imagen de dominio público, de acuerdo a: http://en.wikipedia.org/wiki/Public_domain).
Bibilografía
Hewitt, P. (2007). Física Conceptual (10ª. ed.; V. A. Flores, Trad.). México:
Pearson Educación.
Tippens, P. (2007). Física, conceptos y aplicaciones (7ª. ed.; A. C. González y Universidad Nacional Autónoma de México, Trads.). México: Mc Graw Hill.
