Onda sonora

Unha onda sonora é unha onda lonxitudinal que transmite o que coñecemos como son. Se se propaga nun medio elástico e continuo xera unha variación local de presión ou densidade, que se transmite en forma de onda esférica periódica ou cuasiperiódica. Mecanicamente as ondas sonoras son un tipo de onda elástica.

As variacións de presión, humidade ou temperatura do medio producen o desprazamento das moléculas que o forman. Cada molécula transmite a vibración ás que se encontren na súa contorna, provocando un movemento en cadea. Esta propagación do movemento das moléculas do medio é o que produce no oído humano a sensación descrita como son.

Características

As características dunha onda sonora son a amplitude, a frecuencia, o período, a lonxitude de onda, a fase e a velocidade.

Amplitude

Exprésase como (A), é a distancia de presión entre o punto máximo da onda e o punto mínimo. Unha maior amplitude ofrece un maior volume.

Frecuencia

Exprésase como (f), é a cantidade de ciclos por segundo, a unidade de medida e o Hz. Non todos os sons son iguales, xa que non todas as frecuencias o son. A frecuencia inflúe no ton. Moita variación produce un son agudo, e pouca, un son grave.

O son humano non é perfecto, é imposible oír todas as frecuencias. Hai unha zona na que se pode oír o son, e outras nas que non. No home, esta zona vai dende os 20 Hz ata os 20000 Hz.

Tampouco a sensibilidade auditiva é igual a todas as frecuencias, entre 3 e 5 kHz prodúcese a maior sensibilidade do ser humano.

Lonxitude de onda

E a distancia que percorre o son durante un ciclo completo. Esta característica depende da frecuencia e da velocidade. Noméase e represéntase coa letra grega lambda e mídese en metros.

Período

Exprésase como (P), é o tempo que tarda unha onda sonora en completar un ciclo.

A velocidade do son

Exprésase como (c), é a distancia que percorre o son nun tempo determinado. A velocidade varía segundo a temperatura do aire.

Na seguinte táboa podemos comprobar a velocidade do son en diferentes medios.

Medio	Metros/segundo
Aire, 21º	344
Auga fresca	1480
Auga salgada, 21º	1520
Plexiglass	1800
Madeira (pino)	3350
Formigón	3400
Aceiro	5050
Aluminio	5150
Vidro	5200
Pladur	6800

Fase

É a diferenza en graos entre un punto dentro do círculo dunha onda e o seu comezo. É unha medida expresada en graos. 1 ciclo son 360º, mentres que 1/2 ciclo son 180º.

Desfase

É a diferenza en graos entre unha onda e outra nun tempo determinado.

Interferencia construtiva: 360º
Interferencia destrutiva: 180º

Modo de propagación

O son (as ondas sonoras) son ondas mecánicas elásticas lonxitudinais ou ondas de compresión. Iso significa que:

Para propagarse precisan dun medio material (aire, auga, corpo sólido) que transmita a perturbación (viaxa máis rápido nos sólidos e máis lentamente nos líquidos que no aire, e no baleiro non se propaga). É o propio medio o que produce e propicia a propagación destas ondas coa súa compresión e expansión. Para que poida comprimirse e expandirse é imprescindible que este sexa un medio elástico, xa que un corpo totalmente ríxido non permite que as vibracións se transmitan. Así pois, sen medio elástico non habería son, xa que as ondas sonoras non se propagan no baleiro.
Ademais, os fluídos só poden transmitir movementos ondulatorios nos que a vibración das partículas se dá en dirección paralela á velocidade de propagación ou ao longo da dirección de propagación. Así os gradientes de presión que acompañan á propagación dunha onda sonora prodúcense na mesma dirección de propagación da onda, sendo por tanto estas un tipo de ondas lonxitudinais (nos sólidos poden propagarse ondas elásticas transversais, ademais das lonxitudinais).

Propagación en medios

As ondas sonoras desprázanse tamén en tres dimensións e as súas frontes de onda en medios isótropos son esferas concéntricas que saen desde o foco da perturbación en todas as direccións. Por isto tamén falamos do son como ondas esféricas. Os cambios de presión p que teñen lugar no paso dunha onda sonora tridimensional de frecuencia ν e lonxitude de onda λ nun medio isótropo e en repouso veñen dados pola ecuación diferencial:

Ondas sonoras xeradas por un avión que posúe unha velocidade cando é menor e cando é igual á do son.

${\frac {1}{r^{2}}}{\frac {\partial }{\partial r}}\left(r^{2}{\frac {\partial p(r,t)}{\partial r}}\right)-{\frac {1}{c^{2}}}{\frac {\partial ^{2}p(r,t)}{\partial t^{2}}}=0$

onde r é a distancia ao centro emisor da onda, e c=ν•λ é a velocidade de propagación da onda. A solución da ecuación, a grandes distancias da fonte emisora, pódese escribir como:

$p(r,t)=p_{0}+{\frac {\Delta p}{r}}\sin \left(2\pi \nu t-2\pi {\frac {r}{\lambda }}+\phi _{0}\right)$

onde $p_{0}\,$ e $\Delta p\,$ son respectivamente a presión inicial do fluído e a sobrepresión máxima que ocasiona o paso da onda.

As ondas sonoras ordinarias son case sempre a superposición de ondas de diferentes frecuencias e lonxitudes de onda, e forman pulsos de duración finita. Para estas ondas sonoras a velocidade de fase non coincide coa velocidade de grupo ou velocidade de propagación do pulso. A velocidade de fase é diferente para cada frecuencia e depende, igual que antes, da relación c=ν•λ. O feito de que a velocidade de fase sexa diferente para cada frecuencia, é o responsable da distorsión do son a grandes distancias.

Percepción humana das ondas sonoras

O hertz (Hz) é a unidade que expresa a cantidade de vibracións que emite unha fonte sonora por unidade de tempo (frecuencia). Considerase que o oído humano pode percibir ondas sonoras de frecuencias entre os 20 e os 20.000 Hz (máis ou menos). As ondas que posúen unha frecuencia inferior á audible denomínanse infrasónicas e as superiores ultrasónicas.

A sensación de sonoridade é a percepción sonora que o humano ten da intensidade dun son. A sonoridade mídese mediante a magnitude chamada fonio, que utiliza unha escala arbitraria que ten como cero (o chamado limiar de audición) o correspondente a I₀=1 × 10⁻¹² W/m² a 1 kHz.