Llamaremos "sonido" al conjunto de sensaciones que es capaz de percibir nuestro sistema auditivo. En el mundo del sonido debemos distinguir dos ámbitos, que, siendo ambos importantes, son en cierto modo complementarlos. Por una parte está la física del sonido, disciplina conocida con el nombre de acústica, que se aboca a estudiar los fenómenos que ocurren fuera de la conciencia humana, y por otro, lo que podría denominarse la psicoacústica, disciplina que se dedica a analizar las impresiones subjetivas que el sonido induce en cada persona. Esto es, la forma en que el cerebro interpreta los estímulos sonoros registrados por el oído. En estos apuntes analizaremos sólo algunos aspectos físicos del mundo del sonido.


Generación y propagación del sonido

Al observar, o también al palmar una cuerda de guitarra, nos damos cuenta de inmediato que ella emite sonido sólo cuando está en movimiento. De hecho, para que una fuente sonora emita un tono, ella debe realizar un movimiento periódico. Podemos fácilmente visualizar este comportamiento oscilatorio de una fuente sonora en el caso de un diapasón, trasladándolo (mientras emite sonido) de manera que toque delicadamente un vidrio ennegrecido con hollín de vela (ver figura l). Sobre el vidrio quedan dibujadas oscilaciones que se hacen más pequeñas a medida que el sonido del diapasón se desvanece.

Para conocer algo sobre la propagación del sonido, analicemos el siguiente experimento: bajo una campana de vidrio colocamos, sobre un trozo de espuma una campanilla (ver figura 2). El sonido de la campanilla se escucha bien mientras no evacuemos el aire desde su interior. Si realizamos precisamente esto, con la ayuda de una bomba de vacío, a medida que el aire se enrarece la intensidad del sonido disminuye hasta desvanecerse completamente. De este experimento deducimos que el sonido requiere de un medio para propagarse (en el vacío no hay propagación de sonido).

¿Cómo modifica la fuente sonora al medio? Al vibrar una fuente sonora, como por ejemplo, la membrana de un parlante, ella sucesivamente comprime y enrarece el aire que se encuentra a su alrededor. Tal perturbación de la densidad del aire se propaga luego en forma análoga a como se propaga una ola generada en una laguna al lanzarse una piedra.

Al propasarse, una onda de sonido induce sólo un pequeño movimiento del aire. Las partículas de aire no se trasladan una distancia neta, aún cuando el sonido continúa alejándose de la fuente sonora. Esto es análogo a lo que ocurre en un líquido; un objeto que flota en el agua sólo describe un pequeño círculo al pasar una ola; el objeto no es arrastrado por el oleaje.

El sonido no sólo se propaga en el aire; también lo hace a través de todos los demás cuerpos sólidos, líquidos y gases. La mayoría de los sólidos y líquidos son buenos conductores del sonido. Un experimento que ilustra la buena conductividad del sonido de un sólido se muestra en la figura 3. Allí nos alejamos de un reloj que descansa sobre un cojinete del algodón, hasta que deje de escucharse su tic-tac. Al apoyar una varilla de madera sobre el reloj y colocar el oído junto a ella percibimos nuevamente en forma nítida su tic-tac.

Existen buenos y malos conductores del sonido. Los gases y las sustancias porosas y sueltas como el algodón, la lana y el plumavit, son malos conductores del sonido, y por consiguiente son precisamente los materiales que se usan como aislantes acústicos.


Velocidades del sonido

Numerosas experiencias de la vida cotidiana nos enseñan que el sonido se propaga a una velocidad menor que la de la luz. Por ejemplo, el ruido de un avión a turbina que nos sobrepasa a gran altura pareciera no provenir del lugar donde observamos el avión. Otro ejemplo ocurre durante las tempestades eléctricas. De hecho, es usual medir el tiempo transcurrido entre el relámpago y el trueno para estimar la distancia a la que se encuentra la tormenta.

En el aire (a 15°C) el sonido se propaga con una velocidad n₀ =340m/s. Las velocidades de propagación del sonido en algunas otras sustancias se muestran en la tabla 1.


Frecuencia

Hemos definido un tono como el sonido producido por una fuente sonora que realiza oscilaciones regulares. Hay cuatro propiedades básicas que caracterizan a un tono, a saber: frecuencia, intensidad, duración y timbre.

La frecuencia n es el número de oscilaciones por unida de tiempo realizada por la fuente sonora. La frecuencia se mide en Hertz (HZ), en honor al físico alemán Heinrich Hertz, descubridor de las ondas electromagnéticas, y corresponde a una oscilación por segundo.

Para oír cómo la frecuencia de un tono influye sobre nuestra percepción sonora, consideremos el dispositivo mostrado en la figura 4. Un disco con 48 perforaciones regularmente espaciadas y equidistantes del centro, lo hacemos girar en forma regular con la ayuda de un motor eléctrico cinco veces por segundo. Al soplar con una pajita a través de las perforaciones, el flujo de aire será interrumpido 48*5=240 veces por segundo. De esta manera se produce una perturbación periódica de la densidad del aire, o sea un tono de frecuencia n =240 HZ. Ahora bien, al aumentar la velocidad de giro del disco, es decir, al aumentar la frecuencia, encontramos que el tono se torna más agudo mientras que, al disminuir la frecuencia con que se interrumpe el flujo de aire, el tono se vuelve más grave.

El oído humano es capaz de percibir tonos de frecuencia entre 16Hz y ~20000Hz. Frecuencias menores de 16Hz se perciben como pulsaciones separadas. A su vez, ondas sonoras con frecuencias mayores de 20Khz no producen sensaciones auditivas en las personas; tales son los sonidos ultrasónicos. Ciertos animales pueden percibir frecuencias bastantes mayores que los humanos; en perros, el límite superior se extiende hasta ~40Khz, y los murciélago, que es bien sabido se orientan por medio de ultrasonido, pueden escuchar frecuencias de hasta 65 Khz.


La tabla 2 muestra el rango de frecuencia de la voz humana y una serie de instrumentos.

¿Cuál es la sensibilidad del oído para distinguir dos sonidos de frecuencias distintas pero parecidas?. Para sonidos con frecuencias entre 500-4000 Hz, en condiciones bien controladas, la sensibilidad es ~0.3%. Es decir, dos sonidos en el rango de frecuencias antes señalado, de igual timbre e intensidad y que suenen en forma consecutiva durante un tiempo no demasiado corto, deben diferir al menos 3 Hz para que puedan ser distinguidos.

Lo señalado, en el párrafo anterior explica el porqué de una de las normas de alta fidelidad (HiFi) exigidas para los tocadiscos: estos deben girar uniformemente, permitiéndose fluctuaciones no superiores al 0.2%.

Los sonidos pueden tener una amplia gama de intensidades. En el aire, la intensidad depende de la amplitud de las fluctuaciones de la densidad del aire generadas por la onda sonora. La figura 5 muestra en forma esquemática dos sonidos de la misma frecuencia pero de intensidad distinta.

Como es bien sabido, un aumento de la densidad del aire origina un aumento de su presión. La determinación de la presión atmosférica en presencia de una onda sonora es, por lo tanto, una buena manera de establecer su intensidad.

La presión se mide en Pascales. Por definición:
1 Pa = 1 N/m² = 0.00001 bar = 10^-5 bar o sea, 1 Pascal es igual a la presión ejercida por una fuerza de 1 Newton repartida uniformemente sobre una superficie de 1 m² (La presión de 1 bar corresponde aproximadamente a la presión atmosférica).

Al escuchar un tono, la presión atmosférica que actúa sobre el tímpano no es uniforme sino que varía periódicamente. Para que el oído perciba sonido, las variaciones de la presión deben ser al menos de 0.00002 Pa. Esta presión umbral es muy pequeña (de sólo 2 x 10^-10 atmósferas) y es una muestra de la extraordinaria sensibilidad de nuestro oído.

Otra unidad usada comúnmente para caracterizar la intensidad de un sonido es el decibel (dB). La tabla 3 muestra la presión sonora de varias fuentes de sonido, como también su equivalencia en decibeles. De la tabla se observa que el rango dinámico del oído es extraordinario. La presión sonora entre el umbral de sonido y el umbral de dolor difieren en un factor mayor que un millón.

Para un sonido de 1000 Hz, una persona subjetivamente percibe que la intensidad del sonido aumenta al doble cada vez que hay un aumento de 10 dB.

¿Cuál es la sensibilidad del oído a la intensidad de los sonidos? Bajo condiciones controladas una persona es capaz de percibir diferencias de 1 dB en la intensidad de un tono. Sin embargo, una secuencia de tonos distintos, todos dentro de un rango de 5 dB, son percibidos como de intensidad uniforme por el oído humano.

La unidad decibel es usada también por los fabricantes de equipos de alta fidelidad para caracterizar la calidad de sus productos. Para que un receptor de frecuencia modulada pueda ser considerado un equipo HiFi, debe tener una razón señal-ruido de al menos 54 dB. Esto significa que si la radio se escucha bastante fuerte de manera que el sonido emitido sea de 64 dB, entonces el ruido de fondo durante los silencios no debe exceder los 10 dB, o sea, no debe ser mayor que el ruido producido por la respiración de una persona.


Duración, decaimiento y color de un tono

E1 timbre y la duración de un sonido son las propiedades que nos permiten distinguir un Do central de un piano, de la misma nota producida por una flauta dulce.

La flauta dulce es capaz de producir un tono de larga duración y de intensidad relativamente constante. En comparación, la misma nota musical producida por un piano decae en intensidad rápidamente. La duración de un tono, la forma cómo decae y también la forma cómo se inicia (o se establece) son características típicas de los tonos generados por los distintos instrumentos musicales.

Obviamente, no sólo la evolución temporal de un tono permite distinguir dos instrumentos entre sí, sino también ese otro aspecto que se conoce como timbre o color del tono. El timbre de un sonido depende de la intensidad de los distintos armónicos que lo componen. Este concepto será discutido con mayor detalle en otra oportunidad.