Introducción a la física de los sonidos y de los ultrasonidos
INTRODUCCIÓN.
Ondas sonoras: son ondas longitudinales. Consisten en una serie de compresiones y/o enrarecimientos que se generan en el medio que las propaga, a una velocidad que depende de las propiedades elásticas del medio. Dichas ondas se originan en un foco sonoro en el que se produce una vibración. Precisan para su propagación de la existencia de un medio material elástico (el sonido no se propaga en el vacío).
Conviene distinguir claramente entre el modo de producirse un sonido y el proceso de su propagación.
Parámetros:
Período: tiempo que tarda la onda en completar un ciclo.
Ciclo: cadencia u onda completa de una variable acústica.
Amplitud: altura máxima de la curva (decibelio o máximo cambio o variación de la onda). La intensidad es proporcional al cuadrado de la amplitud. Intensidad 1 es la que corresponde a una intensidad umbral de un sonido de: 1000 Hz = 10 W/cm2 .
Longitud de onda (l): es la distancia entre dos puntos idénticos de la onda.
Frecuencia: número de ciclos por segundo. Su unidad es el Hertzio (1 Hz = 1ciclo/segundo).
Velocidad de propagación (v): distancia recorrida por la onda en la unidad de tiempo.
Velocidad según medios:
Aire:
· La velocidad del sonido en el aire es independiente de la presión atmosférica.
· La velocidad varía proporcionalmente a la raíz cuadrada de la temperatura.
· La velocidad del sonido será mayor en una atmósfera húmeda que en otra seca, debido a los pesos moleculares de N, O y H2O.
En otro medios:
Cualidades del sonido.
Un sonido está caracterizado en cuanto a su percepción por cuatro cualidades:
1º.-· Intensidad: según sean fuertes o débiles. Esta puede ser tanto fisiológica o subjetiva como física u objetiva.
o La intensidad física depende de la energía que porta la onda, por lo tanto, es la energía que atraviesa por segundo la unidad de superficie colocada perpendicular a la dirección de propagación. Se medirá en ergios/cm2 x seg o en W/cm2.
o La intensidad fisiológica o sensación sonora es la sensación que nos produce una determinada onda sonora y por lo tanto depende del observador.
Es fácil comprobar que no existe proporcionalidad entre la intensidad física de un sonido que llega al oído y la sensación sonora que nos produce (a la que denominamos sensación, sonoridad o intensidad fisiológica). Dos focos sonoros idénticos actuando simultáneamente no producen una sensación doble que uno solo. Esto se debe a que la sensación obedece aproximadamente a la psicofísica general de Weber - Fechner: “La sensación es función lineal del logaritmo de la excitación”, es decir, “la sensación crece en progresión aritmética mientras que la excitación lo hace en progresión geométrica”. Por lo tanto, si designamos por S1 y S0 las sensaciones producidas por dos sonidos de intensidades físicas I1 y I0:
S1- S0 = log (I1/I0)
Y si la I0 es la correspondiente al valor umbral, podemos determinar su intensidad fisiológica por:
S = log (I/ I0)
Por tanto, diremos que un sonido produce una sensación unidad cuando su intensidad física es 10 veces mayor que la umbral. Esta unidad se denomina bel, y su décima parte es el decibelio (dB). La sonoridad se suele expresar en esta segunda unidad:
S = 10log (I/ I0) decibelios
En los sistemas electroacústicos, la intensidad sonora emitida por el aparato es proporcional al cuadrado de la tensión aplicada, o al de la intensidad de la corriente eléctrica, por lo tanto la variación de la sonoridad estará ligada a la de aquellas magnitudes:
S = 20log (I/ I0) = 20log (V/ V0)
Donde I, I0, V y V0 son, respectivamente, las intensidad o diferencia de potencial de la corriente que produce en el dispositivo electroacústico la sensación umbral; por esta razón, está normalmente graduado en decibelios, aunque en realidad lo que se mida es la intensidad de corriente o diferencia de potencial.
2º.-· Tono o altura es la cualidad que nos permite distinguir entre un sonido agudo y uno grave. Físicamente esta cualidad corresponde a la mayor o menor frecuencia respectivamente.
3º.-· Timbre de un sonido es la cualidad en virtud de la cual podemos distinguir dos sonidos de igual frecuencia e intensidad emitidos por dos focos sonoros diferentes. El timbre se debe, en general, a que un sonido no es puro, es decir, las ondas sonoras correspondientes no son sinusoidales sino que las ondulaciones reales resultan ser la suma de varios movimientos periódicos sinusoidales puros superpuestos.
4º.-· Potencia sonora: es la energía emitida por un foco sonoro por segundo en todas las direcciones. Si se conoce la intensidad I del sonido producido por el foco emisor a una distancia R es evidente por la definición de la intensidad I que:
Potencia sonora = 4pR2I
Por lo tanto, la potencia sonora es medible.
ULTRASONIDOS
El término ultrasonido se refiere a una vibración de un medio material, similar a las ondas sonoras pero cuya frecuencia es demasiado elevada para su percepción por el oído humano normal.
La frecuencia límite superior del oído humano varía entre 10Hz y 18KHz aproximadamente. Para los humanos esta frecuencia umbral disminuye conforme aumenta la edad.
Espectro de las vibraciones sónicas: la intensidad de una onda es la velocidad a la cual la energía es transferida a través de un área unidad, perpendicular a la dirección de propagación de la onda o, lo que es lo mismo, la potencia transferida por unidad de área.