Las ondas y el sonido

El sonido es una onda mecánica, tridimensional y longitudinal. Es mecánica porque necesita de un medio elástico para propagarse, es tridimensional porque se propaga en tres dimensiones y es longitudinal porque el movimiento de las partículas del medio sigue la misma dirección en que se propaga la onda.

Recordamos que una onda es la propagación de una perturbación de alguna propiedad del espacio, implicando un transporte de engería sin transporte de materia. En el caso de sonido la propiedad perturbada es la presión, que se define como fuerza por unidad de superficie. La propagación de estas variaciones de presión es lo que se conoce como onda sonora y esa variación de presión es lo que percibimos y denominamos sonido.

¿Como percibimos el sonido?

Percibimos las ondas sonoras a traves del oído, que nos permite captar los cambios de presión en el aire generados por las ondas sonoras. Estas ondas mecánicas son captadas y transformadas en impulsos eléctricos que el cerebro puede interpretar. 

Pero no solo el oído nos va a permitir percibir estos cambios de presión, nuestro cuerpo también va a notar las vibraciones, sobre todo aquellas causadas por frecuencias bajas. Frecuencias que va a hacer vibrar diferentes tejidos y cavidades de nuestros cuerpos.  

Asi que recordar que, si tenéis algún alumno con una pérdida parcial o total de audición, aun va a poder percibir sonido, percibir música a traves de su cuerpo y por supuesto también crearla. Para conseguir ondas sonoras con frecuencias bajas podéis probar con instrumentos de percusión como un bombo y para reproducir frecuencias bajas con un altavoz necesitareis un subwoofer. 

El espectro audible

"El espectro audible,​ también denominado campo tonal, se encuentra conformado por las audiofrecuencias, es decir, toda la gama de frecuencias que pueden ser percibidas por el oído humano. Un oído sano y joven es sensible a las frecuencias comprendidas entre los 20 Hz y los 20 kHz." ("Espectro audible", 2022)

Figura 1. Espectro audible humano en naranja, y de diferentes animales.

Por debajo del espectro audible humano, 20Hz se encuentran los infrasonidos que nuestros oídos no pueden percibir, sin embargo, son absorbidos por nuestro cuerpo y perceptibles para los oídos de algunos animales. Por encima de 20 kHz se encuentran los ultrasonidos que tampoco percibe nuestro oído, pero si el de algunos animales como los gatos o los delfines. Los ultrasonidos se utilizan comúnmente en medicina para realizar imágenes del interior del cuerpo ya a traves de los tejidos de nuestros órganos se propagan estos ultrasonidos. Como vimos anteriormente cuando una onda llega a límite entre dos medios se producen los fenómenos de reflexion y refracción, esto sucede dentro de nuestros cuerpos con las ondas ultrasónicas de una ecografía, y el registro de esas reflexiones es lo que nos permite crear una imagen del interior de nuestros cuerpos (Diplomado en Ultrasonografía Médica, 2017).

Si nos fijamos, los principios básicos de gran parte del desarrollo de herramientas tecnológicas son los mismos que encontramos en el desarrollo de los sentidos del mundo animal y en general en los fenómenos que constituyen el mundo que nos rodea. Es interesante, revelador e inspirador comparar o tomar como referencia estos fenómenos a la hora de observar y trabajar en el desarrollo tecnológico. Nuestro oído es un sensor que capta un determinado rango de ondas sonoras, es nuestro micrófono y nuestras cuerdas vocales por ejemplo son nuestro altavoz. En el capítulo anterior veíamos la vista y las ondas electromagnéticas, el ojo es el sensor que nos permite percibir una parte de esta radiación electromagnética. 

Al igual que nuestros ojos y oídos que tiene un rango de valores perceptibles, cuando trabajemos en Arduino con sensores nos pasara lo mismo, y cada sensor registrara un rango especifico de una variable del espacio. Es importante pues, elegir el sensor adecuado en el rango adecuado para lo que queramos medir. La ficha técnica de estos componentes os dará información acerca de ese rango, también conocido como sensibilidad, y de las condiciones de trabajo del componente. (Si quieres les podemos presentar aquí el sensor de color como ejemplo) 

Intensidad, volumen y amplitud

Cuando hablamos del volumen de un sonido nos referimos a la intensidad con la que percibimos ese sonido. Esta intensidad viene determinada por la amplitud de la onda sonora, que como vimos en el capítulo anterior es el valor máximo alcanzado por un punto del medio en cada repetición. A mayor amplitud de onda, percibiremos un sonido como más fuerte, mayor sera su volumen. 

Cuando trabajemos con sonido en Pure data vamos a regular el volumen modificando la amplitud. Estas modificaciones de amplitud también nos van a ser útiles a la hora se sumar ondas para crear sonidos más complejos, digamos que nos permitirá regular cuanta cantidad de una onda mezclamos con otra, como si de una receta de cocina se tratara, cuanta sal le echamos al gazpacho para potenciar su sabor, la cantidad de sal va a ser la amplitud. 

Escala logaritmica.

Frecuencia, tono y resonancia

Cuando hablamos del tono de un sonido nos referimos a la frecuencia. Esta frecuencia viene determinada por el número de repeticiones por unidad de tiempo y la medimos es Hercios Hz. La frecuencia guarda cierta relación con la longitud de onda. Recordemos que la velocidad de propagación de una onda depende del medio por el que se propaga, y en un mismo medio se mantiene constante. Por ejemplo, la velocidad de propagación del sonido en el aire, a una temperatura de 20º es siempre 343 m/s. Tambien veíamos que la velocidad de propagación es igual a la longitud de onda por la frecuencia, que distancia recorre cada repetición en el tiempo que dura una repetición?.

v = λ f = λ / T

En un mismo medio una onda con una mayor frecuencia tendrá menores longitudes de onda, y una onda con menor frecuencia tendrá una longitud de onda mayor. 

Ejemplo: La longitud de onda de un sonido que se propaga en el aire con una frecuencia de 50 Hz sera igual a: 

343 = λ 50;   λ=343/50;   λ=6,86 m

La longitud de onda de un sonido que se propaga en el aire con una frecuencia de 10.000 Hz sera igual a: 

343 = λ 10.000;   λ=343/10.000;   λ=0,0343 m

Para nuestros oídos la frecuencia es lo que determina como de grave o agudo es un sonido, también determina las notas de la escala musical. Cada nota de la escala musical es una vibración con una frecuencia especifica, por ejemplo, un Do de la octava X tiene una frecuencia de X. 

¿Cuando una onda cambia de medio la frecuencia se mantiene constante luego lo que va a variar es la longitud de onda.?

La resonancia es una propiedad de la materia, por eso es importante para las ondas sonoras ya que son ondas mecánicas que necesitan de un medio para propagarse. 

Altavoz

Volumen, longitud de onda, amplitud y energía 

Para dos ondas con las mismas condiciones (misma velocidad de propagación y misma amplitud), pero diferente frecuencia se cumplirá lo siguiente: La onda con unas longitudes de onda menores portara mayor energia que la onda con unas longitudes de onda mayores, recordar que habiamos dicho que la velocidda de propagacion de una onda dependia del medio. 

Para dos ondas con las mismas condiciones, pero diferente amplitud se cumplirá lo siguiente: La onda con una amplitud mayor portara mas energia que la onda con una amplitid menos. 

Luego a mayor amplitud, mayor energia, y a mayor frecuencia mayor energia tambien. 

Las variaciones en la longitud de onda y la frecuencia las vamos a percibir a nivel sonoro como cambios en el tono, sonidos mas agudos, o sonidos mas graves. En este caso las diferentes frecuencias va a ser los ingredientes de nuestra rezeta para hacer gazpacho

Las variaciones en la amplitud de una onda las vamos a percibir a nivel sonoro como cambios de volumen, sonidos mas fuertes, o sonidos mas suaves. A mayor amplitud de onda, mayor energia y percibiremos un sonido como mas fuerte.

Cuando trabajemos con sonido en Pure data vamos a regular el volumen modificando la amplitud. Estas modificaciones de amplitud tambien nos van a ser utiles a la hora se sumar ondas para crear sonidos mas complejos, digamos que nos permitira regular cuanta cantidad de una onda mezclamos con otra, como si de una receta de cocina se tratara, cuanta sal le echamos al gazpacho para potenciar su sabor, la cantidad de sal va a ser la aplitud. 

En las ondas sonoras cuanta mayor cantidad de energía se propague mayor sera la amplitud de la onda. Luego para una onda con la misma frecuencia, mayores amplitudes nos darán sonidos con un volumen mayor

Cuando el sonido se graba por primera vez en un disco (edison), sonido analgico, sonido digital.

Resonancia

Figuras:

Figura 1. Espectro audible humano en naranja, y de diferentes animales. https://www.fisic.ch/contenidos/ondas-y-sonido/caracter%C3%ADsticas-del-sonido/

Referencias:

Espectro audible. (2022, septiembre 24).  En Wikipedia. https://es.wikipedia.org/wiki/Espectro_audible 

Diplomado en Ultrasonografía Médica. (2017, julio 11). Principios físicos del ultrasonido. Diplomado en Ultrasonografia. https://diplomadomedico.com/principios-fisicos-del-ultrasonido-2/