Se podrían distinguir varios tipos de ondas en función de cómo estén relacionados los movimientos de las moléculas presentes en la materia respecto a las direcciones de propagación de las ondas en el medio elástico.

Pero seguidamente se definirán tres tipos de ondas básicos:

Ondas esféricas: se producen en un espacio libre -en un medio homogéneo-; cuándo la fuente emisora de sonido emite en todas las direcciones, formando un campo acústico esférico (fig.2a y 2b).

Ondas transversales: se producen cuando el movimiento de las partículas del medio portador de la onda vibra perpendicularmente a la dirección de propagación de las ondas (fig.3).

Ondas longitudinales: se producen cuando el movimiento de las partículas del medio, alrededor de su posición de equilibrio, se crean vibraciones realizadas a lo largo de la misma dirección en que se propaga el movimiento de las ondas. (Grafic)

EL fenómeno físico del sonido

El sonido se propaga en forma de ondas, que no son otra cosa que variaciones de la presión del aire.
Una cuerda de guitarra puesta en vibración desplaza el aire que se halla a su alrededor como consecuencia de la agitación a que se somete a las moléculas de aire. El choque que se produce entre ellas, provoca la transmisión de las vibraciones originales de la cuerda de guitarra a través del espacio existente entre el foco emisor y el receptor auditivo. El emisor puede ser cualquier cosa: la voz humana, la vibración de las láminas de una armónica. Si se trata de un sonido generado electrónicamente: el fenómeno de agitación de las moléculas del aire se origina en el cono del altavoz. En el ejemplo de la guitarra o de cualquier cuerpo en vibración que emite ondas sonoras, se produce una constante alternancia de compresión y descompresión de las moléculas del medio donde se propague, en los casos que comentamos, es el aire el medio. El proceso de un sonido se puede representar en función del tiempo sobre un eje de coordenadas, con lo que obtendríamos una onda alterna (fenómeno periódico, ya que se produce idénticamente en intervalos de tiempo iguales). En la figura se puede observar una (pag13-equipos de sonido) el comportamiento.

Velocidad del sonido

La velocidad de propagación dependerá siempre de las características del medio donde se propague: la masa y la elasticidad.

El sonido se propaga en el aire a una velocidad relativa, dada por la temperatura: a 0 grados centígrados de temperatura la velocidad es de 331 m. por segundo, y a 20 grados es de 343 m. por segundo. Se ha establecido una velocidad estándar para efectuar los cálculos de 340 m. por segundo en el aire.

La frecuencia del sonido: la serie de compresiones y descompresiones de las moléculas del aire que ejerce el cuerpo emisor; la velocidad de vibración de dicho proceso, define la frecuencia del sonido emitido por la fuente. A más número de vibraciones mayor frecuencia.
Pero una cuestión que deseo aclarar, antes de seguir; es la relacionada con la confusión que se comete con cierta asiduidad con el tono. Si bien es cierto que la frecuencia de un sonido guarda una estrecha relación con el tono percibido, en realidad, en la física del sonido son dos componentes del sonido totalmente diferentes. El tono siempre será una magnitud subjetiva, basada en la amplitud de una serie de componentes armónicas contenidas en el propio sonido, o sea, que el tono es una propiedad intrínseca de cada sonido; en cambio la frecuencia es una magnitud referida a formas de onda de estricta periodicidad.

La intensidad sonora

Cuando un cuerpo que vibra, por ejemplo una lámina metálica, aumenta la amplitud de sus vibraciones, se incrementará la energía transportada al medio; como consecuencia, la energía que llegará al oído de un individuo será mayor, provocando una vibración más acentuada en el tímpano.

Diremos que la intensidad sonora -I- por unidad de superficie se expresa en Watios por metro cuadrado (W/m2). Lo que seria:

I= W/4pir2

W: la potencia acústica generada por la fuente sonora.
r: es el radio de la esfera, desde el origen o centro de la fuente sonora hasta la superficie afectada expresada en metros.

Así se obtiene lo que se denomina nivel de intensidad sonora: que se define como la cantidad de energía acústica que atraviesa por segundo en un punto del campo sonoro la unidad de superficie, se mide en W/m2, aunque su representación más común sea en decibelios.
Un dato interesante sobre la sensibilidad del oído humano relacionado con la intensidad sonora sería el siguiente: La intensidad umbral para una frecuencia de 1000 Hz es de 10 elevado a la 12 W/m2 (0,000000000001 Wm2), dicha magnitud se utiliza como nivel de referencia. Que correspondería a 0dB (0 decibelios). Cuanto mayor es la superficie cubierta por la onda sonora, menor será la intensidad Fig. 2b

El umbral mínimo referido anteriormente, tiene también su antagónico se denomina: umbral de sensación dolorosa. Para la frecuencia de 1000 Hz se establece también un nivel, que cuando se sobrepasa, produce un nuestro oído una sensación dolorosa de una magnitud equivalente de 1W/m2, que es superior al de intensidad umbral absoluta de audición que se establece en 120dB.

En cuanto a las sensaciones auditivas subjetivas se refiere, la respuesta no es lineal, sino logarítmica, es en función de las variaciones de potencia. Por este motivo, los controles de volumen de los amplificadores de sonido son del tipo logarítmico. Las variaciones de volumen sonoro aumentan y disminuyen de acuerdo con las potencias de 10. Por ello la sensación subjetiva se define como "sonoridad " y depende de factores tales como la frecuencia, ancho de banda y duración del sonido percibido.

Presión sonora

Las variaciones de presión producidas por una onda sonora en su propagación a través del espacio, ejerce una determinada fuerza sobre cada centímetro cuadrado de superficie. Estas presiones son muy pequeñas en comparación a la presión atmosférica ambiental y están superpuestas a ésta.
La presión sonora se comprueba con un medidor de nivel llamado sonómetro. El nivel de referencia para estas medidas es 0,0002 dina por cm2; que es la presión sonora mínima, es la que es capaz de producir sensación auditiva mínima -umbral de audición mínimo-. También se pueden utilizar otras unidades: el micro-bar= 1dina/cm2; el pascal (PA) =10 dinas/cm2 y el newton por metro cuadrado.
Cualquier medida que se tenga que hacer sobre presión sonora de un local, o vehículos a motor, y cualquier fuente de emisión de sonido; para optimizar instalaciones industriales que produzcan ruido molesto, se procede a medir mediante el instrumento llamado: sonómetro, el cual expresa las medidas en decibelios (dB).

Timbre

El timbre permite identificar la diferencia de un foco emisor en relación con otros referidos. El ser humano puede comparar e identificar diferentes focos de sonido: voz humana, instrumentos musicales, motores de moto o de coche, animales, etc. Algunos en tiempo real: cuando hay una o varias emisiones simultaneas en un instante. Otras veces recurriendo al registro de memoria: cuando se oye una conversación de alguien, pero no se ve el rostro; un locutor de radio, por ejemplo. Entonces se recurre a la memoria auditiva y se reconoce al individuo. Bien eso se debe a la riqueza armónica de cada sonido, por eso hay tantos y diferentes sonidos entre voces humanas, ruidos de la naturaleza, industria, etc...Cada persona emite una serie de componentes armónicas diferentes. No obstante la frecuencia de emisión puede ser la misma. Por ejemplo: cada instrumento musical que suene con una misma nota sostenida - si están afinados -: la frecuencia será la misma - el número de vibraciones por segundo -, pero cada uno de ellos sonará de diferente manera ¿ porque?, Por la componente armónica que emite cada uno de ellos. El timbre depende del número y de la intensidad de los armónicos que acompañan a un sonido fundamental cuando este se produce, y de las características propias de cada fuente sonora.

Jean Fourier demostró matemáticamente que toda función periódica no senoidal puede ser descompuesta en una serie de funciones senoidales. Por el contrario, una onda senoidal no puede ser descompuesta (fig.5). Lo que demuestra que las formas de ondas senoidales son las más puras obtenibles.

Mediante la sencillez del ejemplo de la figura 6 se puede explicar cómo se crea una onda compleja. Si se observa la figura hay dos líneas de puntos designadas como A y B. Si te fijas, apreciarás que la frecuencia de la senoide B es 2 veces la de A; entonces B es el segundo armónico de la fundamental A. Si la frecuencia de la señal fuera tres veces de la de A, sería entonces el tercer armónico, y así sucesivamente. La resultante en el tiempo es la señal representada con trazo grueso. Es diferente en cuanto a la forma de onda, pero es igual en frecuencia a la fundamental, en este caso, a la referida cómo A. Si se añadieran sucesivamente armónicos de tercer, cuarto, y quinto orden; la forma de onda seguiría cambiando, pero la frecuencia fundamental permanecería inalterable. Las amplitudes de cada armónico varían en función de la forma de onda. Pero siempre la de mayor amplitud se considera la fundamental.

El ejemplo de la figura 7 es interesante. Se puede ver de cómo se construye una onda cuadrada a partir de un número finito de señales simples, senoidales.

La fase

La magnitud periódica de una onda varía en función del tiempo, entonces se le llama fase en el instante o momento de la onda que se procede a analizar. Dos ondas de la misma frecuencia están en fase, cuando sus semi-periódos de compresión (positivos) y descompresión (negativos) coinciden exactamente en el tiempo y en el espacio. Si se superponen dos señales en fase de igual amplitud se obtiene otra señal de la misma frecuencia pero del doble de amplitud (fig. 8). Y entonces se dice que están en contrafase cuando el semiperiodo positivo de una señal coincide con el negativo de la otra. Si se suman estas señales se cancelarán entre sí y el resultado será una ausencia o disminución de señal (fig.9 y 10). Los dos ejemplos citados son los extremos, pero hay una serie de momentos parciales entre dos o más sonidos. Pueden existir varios grados de desfase entre sonidos (fig. 11). El oído humano sólo puede detectar retrasos o adelantos en dos o más sonidos. Evidentemente la detección auditiva de estos momentos del sonido vendrá determinado por los factores fisiológicos del oído y phicológicos del oyente.

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Esta Web es interesante por la serie de demostraciones que propone sobre algunos conceptos del sonido. Mediante Windows media podrás escuchar el efecto sonoro de la frecuencia o la forma de onda que te describa el texto. Tiene hipervínculos con otros textos, algunos con demos interesantes.
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OBSERVACIÓN: Para no crear confusión, quiero decir lo siguiente: el texto de esta página, menciona la palabra moléculas; otros textos de diferentes fuentes de información la denominarán como partículas. ¿Es lo mismo, emplear un término o el otro?, si, pero con matices: La molécula es la partícula más pequeña de una sustancia, que mantiene las propiedades químicas específicas de la misma. Por ejemplo: una molécula de aire se compone básicamente de nitrógeno y oxigeno con un 2% de otros gases. Diremos también que las moléculas de aire tiene las moléculas de nitrógeno, oxigeno, etc., pero, cuando las moléculas de los gases mencionados se descomponen a nivel atómico en electrones, protones, neutrones, etc.; normalmente diremos que son partículas dichos componentes atómicos. Pero eso no evita nombrar a componentes diminutos en el lenguaje coloquial con el siguiente uso: Me entró una partícula de polvo en el ojo, ten cuidado que al cortar no te caigan partículas de aluminio encima del pantalón, etc. ¿Se puede llamarle partículas a las moléculas del aire? Si; las partes más diminutas de un componente o sustancia, sean líquidos, gases, luz (fotones) o sólidos se les pueden llamar partículas.

Fig.1 Para comprender fácilmente la naturaleza del sonido, se puede tomar como una lámina de acero bien sujeta en un extremo como se puede ver en la figura -en un tornillo mecánico, por ejemplo-. Supongamos el medio que le rodea a la lámina es el aire -el más común para el ser humano- la doblamos hasta la posición a"; si se soltara, se observará cómo empezará a vibrar a la vez que se percibirá un sonido que se propagará por el aire. Me explico, cuando la lámina se sitúa en la posición a'-sola- después de haberla soltado en la posición a", produce un efecto que es el siguiente: descomprime el aire que está por encima de a"; y en su recorrido hasta a' comprime el aire de la zona inferior. La lámina volverá a la posición a" con menor fuerza y repetirá una serie de ciclos hasta que se reduzca a cero la vibración -posición a de reposo-. De ello se desprende que las alternancias de compresión y descompresión del aire produce una modulación a las moléculas de aire que permiten hacer vibrar la membrana timpánica del oído y entonces percibir la sensación sonora del medio que nos rodea.

Fig.2a. Como se ve en la figura las ondas esféricas se expanden radialmente a partir de la fuente de origen, por lo cual, no mantienen su intensidad constante, ya que, ésta disminuye a medida que la onda se aleja de la fuente

Fig.2b. En esta figura se deduce muy fácilmente que, cuanto mayor es la superficie cubierta por la onda sonora, menor será la intensidad sonora en dicha superficie.

Fig.3 La perturbación del medio se produce en dirección perpendicular a la de propagación. Las ondas producidas en la superficie del agua al caer una piedra en un estanque producen el fenómeno que se ve en la figura: las moléculas vibran de arriba a abajo y viceversa (eje vertival-"dirección de la perturbación"), mientras que el movimiento ondulatorio progresa en el plano perpendicular (eje horizontal- dirección de propagación de la onda)

Fig.4 Se puede observar cómo la perturbación producida en la piel del tambor, al ser golpeada, crea una serie de ondas que son de dirección longitudinal en relación a la dirección de la perturbación.

Fig.5 La onda senoidal que se ve en la figura, es el elemento básico de cualquier estructura de ondas acústicas o eléctricas imaginables. Es el componente de partida para construir ondas complejas

Fig.6 El trazo discontnuo A representa la onda senoidal fundamental, y la B la onda armónico de A. Como se aprecia la fundamental -A- tiene mayor amplitud. La onda de trazo más grueso es la resultante de A y B

Fig. 7 En la figura -a- se representa la señal fundamental que, es igual a la frecuencia de la cuadrada que se quiere construir. La otra señal de menor amplitud es el tercer armónico. En la figura -b- se añade un quinto armónico, se puede observar que el semblante con una onda cuadrada se hace realidad. Si proseguimos con la figura -c- se añade un séptimo armónico, que es siete veces la frecuencia de la fundamental, pero la amplitud es una septima parte de esta.

Fig. 8 Al sumar dos ondas de idéntica fase se obtiene una onda de la misma frecuencia y del doble de amplitud A1+A2= A

Fig. 9 Cuando dos ondas de diferente amplitud están en contrafase, se obtiene una onda de la misma frecuencia y de menor amplitud A1 - A2= A

Fig. 10 Cuando dos ondas de la misma amplitud están en contrafase se obtiene una anulación total de ambas. A1 - A2= 0

Fig. 11 La suma de dos ondas desfasadas parcialmente, crea una onda de fase y amplitud, resultante de la suma punto a punto de las otras dos.