Conceptos de Ondas y Sonido.

Ondas mecánicas: Son perturbaciones de un medio elástico. Es importante notar que no todas las perturbaciones son necesariamente mecánicas. Por ejemplo las ondas luminosas, las ondas de radio y la radiación térmica propagan su energía por medio de perturbaciones eléctricas y magnéticas.

Principio de superposición: O de interferencia, es un fenómeno en el que dos o más ondas se superponen para formar una onda resultante de mayor o menos amplitud.

Onda estacionaria: Se forma por la interferencia de dos ondas de la misma naturaleza con igual amplitud, longitud de onda (o frecuencia) que avanza en sentido opuesto a través de un medio. Permanecen confinadas en un espacio.

Onda estacionaria en una cuerda

Sonido

Recepción del sonido: El oído puede dividirse en tres partes: oído externo, medio e interno.

Oído externo: está constituido por el pabellón auditivo (oreja), el conducto auditivo externo y el tímpano. Las ondas sonoras son recogidas por el pabellón que las conduce a través del conducto auditivo hacia la membrana del tímpano.

Oído medio: es una cavidad limitada por el tímpano por un lado, y por la base de la cóclea por el otro. En su interior hay tres huesecillos, denominados martillo, yunque y estribo. La cabeza del martillo se apoya sobre el tímpano y transmite vibraciones a través del yunque al estribo. A su vez éste último se apoya en una de las dos membranas que cierran la cóclea, la ventana oval.

Oído interno: es una cavidad hermética cuyo interior está anegado por un líquido denominado linfa. Consta de tres elementos: los canales semicirculares, el vestíbulo y la cóclea. Los canales semicirculares no tienen relación directa con la audición, tienen que ver con el equilibrio. Las vibraciones de la ventana oval del vestíbulo son transformadas en la cóclea. Las señales de la cóclea son codificadas y transformadas en impulsos electroquímicos que se propagan por el nervio acústico hasta llegar al cerebro.

Intensidad: La distancia a la que se puede oír un sonido depende de su intensidad, que es el flujo medio de energía por unidad de área perpendicular a la dirección de propagación. En el caso de ondas esféricas que se propagan desde una fuente puntual, la intensidad es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia, suponiendo que no se produzca ninguna pérdida de energía debido a la viscosidad, la conducción térmica u otros efectos de absorción. Por ejemplo,en un medio perfectamente homogéneo, un sonido será nueve veces más intenso a una distancia de 100 metros que a una distancia de 300 metros. En la propagación real del sonido en la atmósfera, los cambios de propiedades físicas del aire como la temperatura, presión o humedad producen la amortiguación y dispersión de las ondas sonoras, por lo que generalmente la ley del inverso del cuadrado no se puede aplicar a las medidas directas de la intensidad del sonido.

Nivel de intensidad: Para el oído humano el umbral de audición, para una frecuencia de 1.000 Hz, es 10^-12 W/m², y el umbral de dolor es de aproximadamente 1 W/m².

Es decir solo es capaz de percibir sonidos cuya intensidad es superior a 10^-12 W/m²  y no soporta sonidos de intensidad superior a 1 W/m².

Debido al enorme margen de intensidades audibles y a que la sensación sonora varía con la intensidad de modo no lineal, sino casi de modo logarítmico, se usa la escala logarítmica para describir el nivel de intensidad sonora. El nivel de intensidad b se mide en decibelios (dB) y se define:

b = 10 log ( I / Io )

donde I es la intensidad e I₀ es un nivel arbitrario de referencia que se considera como el umbral de audición. I₀ = 10^-12 W/m².

Tono: es la propiedad de los sonidos que los caracteriza como agudos o graves, en función de su frecuencia.

Timbre: Es una de las cuatro cualidades esenciales del sonido junto con el tono, la duración y la intensidad. Se trata del matiz característico de un sonido, que puede ser agudo o grave según la altura de la nota que corresponde a su resonador predominante.

El timbre depende de la cantidad de armónicos que tenga el sonido y de la intensidad de cada uno de ellos.

A través de timbres sonoros somos capaces de diferencia dos sonidos de igual frecuencia fundamental o tono, e intensidad.
Si se toca el la situado sobre el do central en un violín, un piano y un diapasón, con la misma intensidad en los tres casos, los sonidos son idénticos en frecuencia y amplitud, pero muy diferentes en timbre. De las tres fuentes, el diapasón es el que produce el tono más sencillo, que en este caso está formado casi exclusivamente por vibraciones con frecuencias de 440 Hz. Debido a las propiedades acústicas del oído y las propiedades de resonancia de su membrana vibrante, es dudoso que un tono puro llegue al mecanismo interno del oído sin sufrir cambios. La componente principal de la nota producida por el piano o el violín también tiene una frecuencia de 440 Hz. Sin embargo, esas notas también contienen componentes con frecuencias que son múltiplos exactos de 440 Hz, los llamados tonos secundarios, como 880, 1.320 o 1.760 Hz. Las intensidades concretas de esas otras componentes, los llamados armónicos, determinan el timbre de la nota.

Amplitud: La amplitud de una onda de sonido es el grado de movimiento de las moléculas de aire en la onda, que corresponde a la intensidad del enrarecimiento y compresión que la acompañan. Cuanto mayor es la amplitud de la onda, más intensamente golpean las moléculas el tímpano y más fuerte es el sonido percibido. La amplitud de una onda de sonido puede expresarse en unidades absolutas midiendo la distancia de desplazamiento de las moléculas del aire, o la diferencia de presiones entre la compresión y el enrarecimiento, o la energía transportada. Por ejemplo, la voz normal presenta una potencia de sonido de aproximadamente una cienmilésima de vatio. Sin embargo, todas esas medidas son muy difíciles de realizar, y la intensidad de los sonidos suele expresarse comparándolos con un sonido patrón; en ese caso, la intensidad se expresa en decibelios.

Frecuencia: Existen distintos métodos para producir sonido de una frecuencia deseada. Por ejemplo, un sonido de 440 Hz puede crearse alimentando un altavoz con un oscilador sintonizado a esa frecuencia. También puede interrumpirse un chorro de aire mediante una rueda dentada con 44 dientes que gire a 10 revoluciones por segundo; este método se emplea en las sirenas. Los sonidos de un altavoz y una sirena de la misma frecuencia tendrán un timbre muy diferente, pero su tono será el mismo, equivalente al la situado sobre el do central en un piano. El siguiente la del piano, la nota situada una octava por encima, tiene una frecuencia de 880 Hz. Las notas situadas una y dos octavas por debajo tienen frecuencias de 220 y 110 Hz respectivamente. Por definición, una octava es el intervalo entre dos notas cuyas frecuencias tienen una relación de uno a dos.

Una ley fundamental de la armonía afirma que dos notas separadas por una octava producen una combinación eufónica cuando suenan simultáneamente. Cuando el intervalo es de una quinta o de una tercera mayor, la combinación es progresivamente menos eufónica. En física, un intervalo de una quinta implica que la relación de las frecuencias de ambas notas es de tres a dos; en una tercera mayor, la relación es de cinco a cuatro. La ley de la armonía afirma que dos o más notas producen un sonido eufónico al sonar de forma simultánea si la relación entre sus frecuencias corresponde a números enteros pequeños; si las frecuencias no presentan dichas relaciones, se produce una disonancia. En un instrumento de tonos fijos, como un piano, no es posible establecer las notas de forma que todas estas relaciones sean exactas, por lo que al afinarlo es necesario un cierto compromiso de acuerdo con el sistema de tonos medios o escala temperada.

Parte tomada de FisicaNet