Contenidos:
¿Necesitas clases particulares?
Conecta con un profesor particular personalizado para ti.
Contacta con nosotros
Teléfono
+34 648462395
Correo electrónico
Conecta con un profesor particular personalizado para ti.
Una onda sonora es una perturbación de presión longitudinal que se propaga a través de un medio elástico, caracterizada por intensidad, tono y timbre. La velocidad de propagación varía según el medio, siendo mayor en sólidos y dependiente de la temperatura en gases. La intensidad sonora disminuye con la distancia y se mide en decibelios.
Una onda sonora surge cuando un objeto en vibración genera perturbaciones en el aire (u otro medio elástico), propagando esta vibración como una onda de presión. Dicha onda implica el movimiento de las partículas del medio en la misma dirección que la onda, lo que la clasifica como una onda longitudinal. A medida que las partículas oscilan hacia adelante y hacia atrás, se forman zonas de mayor densidad y presión (compresiones) y zonas con menor densidad y presión (rarefacciones).
A diferencia de las ondas electromagnéticas, las ondas sonoras necesitan un medio material para propagarse; por ello, no pueden viajar en el vacío. Estas ondas transportan energía desde su fuente hasta el entorno, haciendo que las partículas del medio oscilen con características definidas, como su amplitud y frecuencia.
El sonido que percibimos es una combinación de dos aspectos: el fenómeno físico, que comprende la propagación de la onda sonora, y la sensación fisiológica, que depende del proceso auditivo humano.
El oído capta las ondas de presión, transmitiendo las vibraciones desde el tímpano hasta el cerebro, donde se interpretan como sensaciones sonoras. Es importante destacar que el rango de frecuencias percibidas por el oído humano se encuentra entre los 
y 
, aunque esta sensibilidad puede variar con la edad o la exposición a ruidos intensos.
El sonido tiene características que nos permiten diferenciarlo y clasificarlo. Entre las cualidades más destacadas se encuentran:
a 
), aunque animales como los murciélagos y delfines pueden captar frecuencias mucho más altas.
Además, algunas veces se considera la duración como una cualidad del sonido, ya que influye en cómo lo percibimos, aunque no siempre se incluye en las definiciones más técnicas.
La velocidad de una onda sonora depende directamente de las propiedades del medio en el que se propaga. En general, las ondas sonoras viajan más rápido en medios más rígidos debido a la mayor capacidad de transmisión de las vibraciones entre partículas. Por esta razón, el sonido se mueve con mayor velocidad en sólidos, seguido de los líquidos, y finalmente en los gases.
En el caso de los gases, la velocidad de propagación está influenciada por la temperatura absoluta, siguiendo una relación proporcional a la raíz cuadrada de esta:
donde 
es la velocidad, 𝑘 es una constante específica para cada gas y 𝑇 es la temperatura absoluta. Esto significa que un aumento en la temperatura provoca un incremento en la velocidad del sonido.
En condiciones normales, el sonido se propaga más lentamente en el aire que en otros medios debido a la baja densidad y rigidez relativa del gas. Por el contrario, en materiales sólidos como el hierro o las rocas, la velocidad es significativamente mayor, alcanzando valores de hasta 
en algunas rocas compactas.
Si se conoce la velocidad del sonido en un medio a una cierta temperatura, se puede obtener su velocidad a una temperatura diferente. En efecto, supongamos que la velocidad a temperatura 
es 
, nuestro objetivo es encontrar 
dada una temperatura 
:
La intensidad de una onda sonora se define como la energía que atraviesa por segundo una unidad de superficie colocada perpendicularmente a la dirección de propagación. En términos físicos, también puede expresarse como la potencia por unidad de área y su unidad de medida es el vatio por metro cuadrado (
).
La intensidad está directamente relacionada con el cuadrado de la amplitud de la onda. Por tanto, si la amplitud de una onda se duplica, su intensidad se cuadruplica. Además, cuando el sonido se propaga desde una fuente emisora, la intensidad disminuye proporcionalmente al cuadrado de la distancia, un fenómeno conocido como atenuación de la intensidad. Matemáticamente:
donde 
es la intensidad sonora (medida en 
), 
es la potencia emitida por la fuente (medida en 
) y 
es la distancia desde la fuente emisora (medida en 
). Nótese que, dado que el sonido se expande de manera tridimensional, se ha empleado que la superficie de una esfera es:
La disminución de la intensidad sucede debido a que la energía de la onda se reparte sobre superficies cada vez más grandes a medida que se aleja del centro de emisión.
Dado que la potencia que emite una fuente es la misma para cualesquiera dos puntos que se quieran medir se obtiene la siguiente relación:
Usando que la intensidad es proporcional al cuadrado de la amplitud, podemos deducir también que
En la práctica, además de la atenuación, parte de la energía se pierde debido a la absorción por las partículas del medio, que la transforman en calor. Este efecto depende de la naturaleza del material, representado por el coeficiente de absorción (
) y del espesor (
) del medio. La intensidad transmitida a través de un material se calcula con la Ley de Lambert:
donde 
es la intensidad inicial (medida en ), es el coeficiente de absorción (medido en 
) y es el espesor del material (medido en ).
El oído humano percibe los cambios de intensidad de manera no lineal. Para que notemos un sonido como el doble de intenso, la intensidad física debe aumentar unas diez veces. Por este motivo, se utiliza una magnitud logarítmica llamada nivel de intensidad sonora, que se mide en decibelios (
). Esta magnitud se calcula como:
donde es el nivel de intensidad sonora (medido en ), es la intensidad del sonido considerado (medida en ), 
es el umbral de audición (el nivel más bajo de intensidad que puede percibir el oído humano) y el logaritmo está en base 
.
En esta escala:
) corresponde a 0 dB.
) se sitúa en 120 dB.
1. Sabiendo que la velocidad del sonido en el aire es de 
a 
, calcula la velocidad a la que se propaga a 
.
Solución
Sabemos que la velocidad es 
cuando la temperatura es 
. Nuestro objetivo es encontrar dada la temperatura 
:
Operando, se tiene que 
.
Por lo tanto, la velocidad a la que se propaga a es 
.
2. Supongamos que al gritar una persona la intensidad del sonido es 
veces mayor que cuando habla. ¿Cuál es la diferencia en el nivel de sensación sonora en 
?
Solución
Para calcular la diferencia en el nivel de sensación sonora en decibelios (), usamos la fórmula para el nivel de intensidad sonora:
Dado que la intensidad del grito (
) es 
veces mayor que la intensidad al hablar (
), se tiene que:
La diferencia en nivel sonoro será:
Utilizando propiedades básicas de los logaritmos, la expresión anterior se puede simplificar:
Por lo tanto, la diferencia en el nivel de sensación sonora es de 27 aproximadamente.
3. Una ventana con una superficie de 
está abierta a una calle cuyo ruido produce un nivel de intensidad de 
. ¿Qué potencia acústica entra por la ventana?
Solución
Para calcular la potencia acústica que entra por la ventana, podemos usar la relación entre la intensidad del sonido y la potencia:
donde 
. Para calcular la intensidad sonora usamos el dato del nivel de intensidad proporcionado:
Entonces,
Por lo tanto, la potencia acústica que entra por la ventana es 
.
4. La intensidad debida a un número de fuentes de sonido independientes es la suma de las intensidades individuales. ¿Cuántos decibelios es mayor el nivel de intensidad sonora cuando lloran cuatro niños que cuando llora uno?
Solución
Sabemos que el nivel de intensidad sonora se calcula como:
Cuando lloran 
niños, la intensidad total es:
siendo 
la intensidad producida por cada niño. La diferencia en nivel sonoro será:
Utilizando propiedades básicas de los logaritmos, la expresión anterior se puede simplificar:
Por lo tanto, el nivel de intensidad sonora es 
mayor cuando lloran cuatro niños en comparación con uno.