1.8. Propagación de las ondas sonoras

Como vimos anteriormente una onda sonora es una onda mecánica con un rango de frecuencias de 20 Hz a 20.000 Hz que se propaga en un medio elástico, sea este gaseoso, líquido o sólido.

1.8.1. Velocidad de propagación del sonido

La velocidad de propagación del sonido depende de las características del medio transmisor y no de las características de la onda que lo genera. En general, cuanto mayor sea la compresibilidad del medio de transmisión, menor será la velocidad de propagación del sonido.

La velocidad de propagación del sonido en el aire a 0 ºC es de 331,4m/s y aumenta 0,6m/s por cada grado que aumenta la temperatura.

 

1.8.2. Frente de onda

El frente de onda es la superficie o línea formada por los puntos del medio de propagación que son alcanzados en un mismo instante por una onda mecánica.

La forma del frente de onda, cuando se propaga en el aire, se puede considerar plana o esférica, en la medida en que se aleja de la fuente emisora.

Se llama vector de radiación o rayo a la flecha perpendicular al frente de onda que marca la dirección de la propagación.

En un modelo ideal, el frente de onda se propaga omnidireccionalmente (en todas las direcciones por igual), pero dependiendo del tipo de fuente emisora nos encontramos con propagaciones más o menos direccionales.

 

1.8.3. Longitud de onda

La longitud de onda (λ) es la distancia que recorre una perturbación u onda en el intervalo de tiempo de un período (T) o la duración de un ciclo.

Entonces, para poder determinar la longitud de onda tenemos que multiplicar la velocidad de propagación del sonido por el período de la onda a evaluar:
λ = v.T

Como el período es inverso a la frecuencia, también podemos calcular la longitud de onda de la siguiente manera:
λ = v/f

Podemos deducir entonces que la longitud de onda es inversamente proporcional a la frecuencia del sonido. Los sonidos más graves (frecuencias bajas) tendrán longitudes de onda más grandes que los sonidos agudos (frecuencias altas).

1.8.4. Comportamiento de la propagación de las ondas sonoras en espacios cerrados

La ley de la conservación de la energía afirma que la energía no se pierde, no puede crearse ni destruirse, solo puede cambiar de un estado a otro.

La energía de una onda sonora que se propaga en un medio elástico como el aire, no se pierde, una parte se va disipando en forma de calor. Esto ocurre en frecuencias agudas y es perceptible a distancias mayores a cincuenta metros.

Cuando una onda sonora se propaga en un recinto se encuentra con los límites físicos de la habitación (paredes, techo, piso) y con los objetos u obstáculos que en ella se encuentren. Al encontrarse con una pared, parte de la energía se refleja (similar a la reflexión de la imagen en un espejo) y, otra parte, penetra en el material de la misma, cambiando el medio de propagación.

Estas transformaciones o redistribuciones de energía acústica se pueden describir tomando como referencia cuatro tipos de fenómenos.

Reflexión
La reflexión es el cambio de dirección que experimenta la onda sonora cuando se encuentra con un límite físico como, por ejemplo, una pared. Este cambio de dirección depende del ángulo de incidencia del frente de onda, sobre la superficie, similar a lo que ocurre cuando una bola de billar se encuentra con el límite de la mesa.

Absorción
Cuando una onda sonora se refleja sobre un medio como una pared, la reflexión nunca es completa. Parte de la energía de la onda cambia de medio y es absorbida por el segundo medio de transmisión.

El coeficiente de absorción es la relación entre la energía reflejada y la absorbida por el material y tiene valores que van de 0 a 1, siendo 0 la mínima absorción (por lo que toda la energía del sonido es reflejada), y 1, cuando la absorción es completa. La absorción depende de las características del material. En general los materiales blandos y porosos, como la lana de vidrio o roca son muy absorbentes y los materiales duros y lisos como el hormigón son muy poco absorbentes y muy reflejantes. Cabe aclarar que la absorción de los materiales no es igual en todas las frecuencias, por lo que no hay un coeficiente de absorción único. En general, la absorción de los materiales se mide a varias frecuencias.

Refracción
La refracción es el cambio de dirección que experimenta una onda sonora cuando pasa de un medio a otro. Este fenómeno se debe a la diferencia de la velocidad de propagación entre los dos medios. Es similar a lo que ocurre con la luz cuando metemos un lápiz en un vaso de agua y nos parece que se quiebra.
Cabe aclarar que esto ocurre cuando la onda incide oblicuamente sobre la superficie de separación de los medios. Cuando la incidencia es perpendicular, la dirección no cambia.

Difracción
La difracción es el cambio de dirección que experimenta una onda sonora cuando se encuentra con un obstáculo o atraviesa una abertura. Para que se dé este fenómeno, la longitud de onda de la onda debe ser mayor al tamaño del obstáculo, por lo que es más común que se produzca para las frecuencias graves que para las agudas.

Imaginemos que una onda sonora se encuentra con una columna (obstáculo): si la longitud de onda es superior al diámetro de la columna se produce difracción y las ondas rodean al obstáculo sin problema. Por el contrario, si la longitud de onda es menor al diámetro de la columna, no se produce difracción y la onda es reflejada por el obstáculo, produciendo del otro lado del mismo lo que se llama “sombra acústica”.

Podemos deducir que un mismo obstáculo producirá sombra acústica para las frecuencias cuyas longitudes de onda son menores que su tamaño y, por el fenómeno de difracción, las frecuencias menores podrán rodearlo. Esto es lo que ocurre cuando nos encontramos detrás de una columna en un espacio cerrado y percibimos que faltan frecuencias agudas y, cuando nos movemos, estas frecuencias reaparecen.

Cuando un frente de onda se encuentra con una abertura (puerta, ventana, etc.) la onda se dispersa como si se hubiera generado allí. Esto es lo que percibimos cuando escuchamos música saliendo por una ventana, no nos damos cuenta dónde se origina la onda dentro del recinto, todo nos indica que la onda proviene de la ventana.

1.8.5. Efecto Doppler

El efecto Doppler es el aparente cambio de frecuencia de una onda debido al movimiento relativo de la fuente respecto de su receptor.

Este efecto es el que percibimos cuando un móvil (auto, tren, etc.) se nos acerca o aleja. La onda sonora que produce la fuente es siempre la misma pero, a medida que la fuente se acerca, percibimos cómo aumentan la sonoridad y la frecuencia. Cuando la fuente nos alcanza, es el momento en el que la frecuencia aparente llega a su punto máximo. Cuando el móvil comienza a alejarse, percibimos cómo la frecuencia comienza a bajar.

Este fenómeno ocurre debido a la compresión que experimenta el frente de onda cuando la fuente sonora se desplaza en su misma dirección, disminuyendo la longitud de onda. Por el contrario, en las zonas en la que la dirección de la fuente es contraria al de los frentes de onda, estos experimentan una expansión, por lo que la longitud de onda aumenta.