La propagación del sonido

Una oscilación que se extiende en un medio (con velocidad finita) recibe el nombre de onda. En dependencia de la relación que exista entre el sentido de la oscilación y el de la propagación, charlamos de ondas longitudinales, transversales, de torsión, etcétera En el aire el sonido se extiende en forma de ondas longitudinales, o sea, el sentido de la oscilación coincide con el de la propagación de la onda.

Medio de transmisión del sonido

Podemos definir un medio como un conjunto de osciladores capaces de entrar en vibración por la acción de una fuerza. Cuando charlemos de un medio, y salvo que se indique particularmente otra cosa, nos vamos a estar refiriendo al aire. Esto se debe de nuevo a razones prácticas, en tanto que el aire es el medio más frecuente en el que se efectúa la propagación del sonido en los actos sociables a través de sistemas acústicos entre humanos, así sea a través de el charla o bien la música.

A fin de que una onda sonora se extienda en un medio, este debe cumplir por lo menos 3 condiciones fundamentales: ser flexible, tener masa y también inercia. Las ondas sonoras no se extienden en el vacío, mas hay otras ondas, como las electromagnéticas, que sí lo hacen.

El aire en tanto medio tiene por si fuera poco otras peculiaridades relevantes para la propagación del sonido:

  • la propagación es lineal, que desea decir que diferentes ondas sonoras (sonidos) pueden extenderse por exactamente el mismo espacio al tiempo sin afectarse mutuamente.
  • un medio no dispersivo, con lo que las ondas se extienden a exactamente la misma velocidad con independencia de su frecuencia o bien amplitud.
  • un medio homogéneo, de forma que el sonido se extiende esféricamente, esto es, en todas y cada una de las direcciones, produciendo lo que se llama un campo sonoro.

La propagación del sonido

Un cuerpo en oscilación pone en movimiento a las moléculas del medio que lo rodean… Estas, por su parte, transmiten ese movimiento a las moléculas vecinas y de esta manera consecutivamente. Cada molécula de aire entra en oscilación en torno a su punto de reposo. Esto es, el desplazamiento que padece cada molécula es pequeño.

Entre la fuente sonora (el cuerpo en oscilación) y el receptor (el humano) tenemos entonces una transmisión de energía, no un traslado de materia. No son las moléculas de aire que rodean al cuerpo en oscilación las que hacen entrar en movimiento al tímpano, más bien las que están al lado del mismo, que fueron puestas en movimiento conforme la onda se fue extendiendo en el medio.

El (pequeño) desplazamiento (oscilatorio) que padecen las diferentes moléculas de aire produce zonas en las que hay una mayor concentración de moléculas (mayor densidad), zonas de condensación, y zonas en las que hay una menor concentración de moléculas (menor densidad), zonas de rarefacción. Esas zonas de mayor o bien menor densidad producen una alteración alterna en la presión estática del aire (la presión del aire en ausencia de sonido). Es lo que se conoce como presión sonora.

Si el cuerpo que produce la oscilación efectúa un movimiento armónico simple, las alteraciones de la presión en al aire pueden representarse a través de una onda sinusoidal. Por contra, si el cuerpo efectúa un movimiento complejo, las alteraciones de presión sonora van a deber representarse por medio de una manera de onda igual a la resultante de la proyección en el tiempo del movimiento del cuerpo.

Como afirmamos, en el aire el sonido se extiende esféricamente, o sea en todas y cada una direcciones. Podemos imaginarnos al sonido propagándose como una esfera cuyo centro es la fuente sonora y que se marcha haciendo poco a poco más grande. O bien, lo que es exactamente lo mismo, que va incrementando cada vez su radio. Por razones de comodidad, para estudiar el sonido vamos a poder hacerlo desde uno de esos 2 puntos de vista, en ocasiones como una esfera medrando, o bien como un radio (ocasionalmente todos y cada uno de los radios) de exactamente la misma (rayos).

Imaginemos entonces una cadena de partículas (moléculas) entre la fuente sonora y el receptor (un rayo). Entre el momento en que la fuente sonora pone en movimiento a la partícula más próxima y el momento en que la primer partícula transmite su movimiento a la segunda transcurre un tiempo determinado. O sea, cuando la primer partícula entra en movimiento, la tercera -por servirnos de un ejemplo- todavía está en su situación de reposo. Recordemos asimismo que las partículas de aire solo fluctúan en torno a su situación de reposo.

Podemos decir entonces que cada partícula se hallará en una situación diferente del movimiento oscilatorio. O sea, cada partícula va a tener una situación de fase (ángulo de fase) diferente. En algún sitio de la cadena encontraremos una partícula cuya situación de fase coincide con la de la primera, si bien la primer partícula va a estar empezando su segundo ciclo oscilatorio, al paso que la otra recién va a estar empezando su primer ciclo.

La distancia que existe entre 2 partículas sucesivas en igual situación de fase tiene por nombre longitud de onda (). Asimismo podemos delimitar la longitud de onda como la distancia que recorre una onda en un período temporal T. La longitud de onda está relacionada con la frecuencia f (inversa del periodo T) a través de la velocidad de propagación del sonido (c), de forma que c = · f. Las ondas sonoras tienen longitudes de onda de entre dos cm y veinte m más o menos.

No debemos confundir la velocidad de propagación de la onda con la velocidad de desplazamiento de las partículas. Estas efectúan un movimiento oscilatorio rapidísimo, cuya velocidad es diferente a la velocidad de propagación de la onda.

La velocidad de propagación de la onda sonora (velocidad del sonido) depende de las peculiaridades del medio en el que se efectúa dicha propagación y no de las peculiaridades de la onda o bien de la fuerza que la produce. En el caso de un gas (como el aire) es de manera directa proporcional a su temperatura concreta y a su presión estática y también inversamente proporcional a su densidad. Puesto que si cambia la presión, cambia asimismo la densidad del gas, la velocidad de propagación continúa incesante frente a los cambios de presión o bien densidad del medio.

Mas la velocidad del sonido sí cambia frente a los cambios de temperatura del aire (medio). Cuanto mayor es la temperatura del aire mayor es la velocidad de propagación. La velocidad del sonido en el aire aumenta 0,6 m/s por cada 1º C de incremento en la temperatura.

La velocidad del sonido en el aire es de más o menos trescientos cuarenta y cuatro m/s a 20º C de temperatura, lo que equivale a unos 1.200 km/h (1.238,4 km/h, para ser precisos). Esto es que precisa unos tres segundos para recorrer 1 km.

Ondas estacionarias

Hasta el momento hemos hablado de ondas propagándose en un medio, o sea ondas viajantes.

Las ondas estacionarias son el desenlace de la interferencia de 2 ondas viajantes iguales propagándose en direcciones contrarias. Por servirnos de un ejemplo, una onda que llega perpendicularmente a una pared y se refleja sobre sí.

La característica de las ondas estacionarias es que se producen puntos (ocasionalmente líneas o bien planos) en los que la amplitud de oscilación es siempre y en toda circunstancia cero (nodos) y otros en los que es siempre y en todo momento máxima.

Dada una frecuencia que produce una onda estacionaria, los múltiplos de dicha frecuencia (o sea los armónicos) asimismo generarán ondas estacionarias. El orden del armónico determinará la cantidad de nodos que se generan. Por poner un ejemplo, el primer armónico producirá un nodo, el segundo 2 y de esta forma consecutivamente.

Las ondas estacionarias son relevantes en el funcionamiento de los instrumentos (las cuerdas, las columnas de aire encerradas en un cilindro), mas asimismo en las resonancias modales (los modos de resonancia) de las habitaciones.

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