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ONDAS SONORAS. Todas las direcciones.

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En muchas ocasiones, hemos hablado de las ondas sonoras, pero muy pocas veces hemos profundizado en lo que realmente son, cómo se comportan y la trascendencia que pueden tener en un acondicionamiento acústico complejo. Vamos a ir definiendo lo que son y cómo tratarlas.

Texto: Redacción

La primera pregunta resulta obvia: ¿Qué es? Es una onda longitudinal perceptible como sonido. Si se propaga en un medio elástico y continuo, genera una variación local de presión o densidad, que se transmite en forma de esfera periódica.

Las variaciones de presión, humedad o temperatura del medio, producen el desplazamiento de las moléculas que lo forman. Cada una de ellas transmite la vibración a la más próxima, desencadenando un movimiento en cadena. Esas acciones coordinadas de millones de moléculas producen las denominadas ondas sonoras, que provocan en el oído humano una sensación que llamamos sonido.

Éste último está generado por ondas mecánicas elásticas longitudinales o de compresión. Eso significa que para propagarse precisan de un medio (aire, agua, cuerpo sólido) que transmita la perturbación (viaja más rápido en los sólidos, luego en los líquidos, aún más lento en el aire, y en el vacío no se propaga). Es el propio entorno el que produce y propicia la propagación con su compresión y expansión. Para que pueda hacerlo es imprescindible que éste sea un medio elástico, ya que un cuerpo totalmente rígido no permite que las vibraciones se transmitan.

Se desplazan también en tres dimensiones y sus frentes en medios isótropos son esferas concéntricas que salen desde el foco de la perturbación en todas las direcciones. Por esto son ondas esféricas.

PERCEPCIÓN HUMANA

El hercio (Hz) es la unidad que expresa la cantidad de vibraciones que emite una fuente de sonido por unidad de tiempo (frecuencia). Se considera que el oído humano puede percibir ondas sonoras de frecuencias entre los 20 y los 20.000 Hz, si bien también se admiten rangos entre 16 Hz (aproximadamente la nota más grave de un órgano de iglesia: unos 16,25 Hz) y 16.000 Hz (o 16 kHz). Las ondas que poseen una frecuencia inferior a la audible se denominan infrasónicas y las superiores, ultrasónicas.

La sensación de sonoridad es la percepción que el hombre tiene de la intensidad de un sonido. Se mide mediante una magnitud llamada fonio.

REFLEXIÓN DEL SONIDO

Cuando el sonido se refleja sobre un obstáculo fijo, una pared por ejemplo, el módulo de la velocidad se conserva.

En la propagación, se cumplen también las leyes de la reflexión. Sólo que aquí no las vemos, pero sí las percibimos, sobre todo, en tanto que la longitud de onda de la vibración sea inferior a la mayor de las dimensiones del objeto plano sobre el que se refleja.

Si observáramos lo que ocurre en una sala de conciertos, en la que una puerta estuviera entreabierta, no podríamos oír los compases de un violín, o de cualquier solista, más que desde unas posiciones determinadas, que estarán en la dirección del sonido reflejado.

CONSECUENCIAS Y APLICACIONES

La primera y más popular es la reverberación (o eco). Este fenómeno es debido a la reflexión de ondas sonoras sobre un obstáculo de grandes dimensiones, como una pared de una gran sala -sin la presencia de absorbentes del sonido- una barrera rocosa, o una hilera cerrada de árboles.

Cuando las ondas sonoras que parten del emisor alcanzan casi perpendicularmente el plano reflector, éste último reenvía un breve sonido hacia el primero. Si admitimos que la persistencia de percepciones por el oído, después de haberse extinguido su causa, es del orden de una milésima de segundo, 0,1 s, la distancia mínima entre el emisor y el muro reflector que produce el eco debe ser tal que el doble de la mencionada distancia tiene que ser recorrida por la onda sonora en 0,1 s. Dado que la velocidad del sonido en el aire, a temperaturas normales, es alrededor de 340 m/s, el eco se puede producir con distancias por encima de los 17 m.

Su aplicación en acústica se basa en este principio:

En los auditorios o teatros, la distancia entre los solistas o los maestros es mayor, pero la arquitectura de las salas debe estar diseñada para que el sonido sea absorbido por las paredes, de modo que el volumen de la sala figure como un espacio abierto. Éste último tampoco debe exceder de unos treinta metros para que las voces de los solistas se escuchen con suficiente potencia y nitidez.

El diseño del recinto debe reunir dos condiciones en parte contradictorias:

• Un buen reparto de los sonidos que parten de la escena.

• Un tiempo de reverberación bien definido. Ésta es la prolongación del sonido percibido desde la sala una vez que la fuente sonora se haya silenciado como resultado de múltiples reflexiones no simultáneas sobre los planos de diferentes muros.

Una sala de conciertos necesita de un eco bastante largo (del orden de 2 segundos) para que el sonido tome suficiente esplendor. Sin embargo, un teatro no puede tener una reverberación de duración superior a 1 segundo. Se puede precisar con materiales absorbentes tales como paneles alveolados, cortinajes, alfombras, etc.

Cuando la estructura de la estancia no fue concebida para escuchar música, como en el caso de catedrales o muchas iglesias que se utilizan como salas de conciertos, el tiempo de reverberación es, a veces, más prolongado. Se conocen ejemplos de buen diseño arquitectónico, como la Sala Dorada de Viena, entre otros.

CONCHAS O ELIPSES. ACÚSTICA BÁSICA DE SALAS DE CONCIERTO

Para mejorar la audición de la palabra y de la música, actualmente se construyen reflectores elípticos cuya forma recuerda a la de algunas conchas de moluscos abiertas. El fondo del altavoz se encuentra situado en el foco de un elipsoide de revolución hueco y cuya superficie está perfectamente pulida. Una de las propiedades de la elipse es que si trazamos sendas rectas hacia los focos de la misma desde cualquier punto perteneciente a la cónica, esas rectas forman ángulos iguales con la normal a la elipse. En consecuencia, todo rayo sonoro que incide sobre la elipse, se refleja pasando por el segundo foco.

El altavoz se coloca de tal modo que su eje de simetría coincide con el de la elipse. De esa manera, la energía emitida por la concha queda contenida en un cono. Un dispositivo como éste produce un efecto director importante y permite a un oyente localizar el foco emisor mucho mejor que con un altavoz normal, pudiendo además eliminar reflexiones parásitas si colocamos la “concha” con una orientación favorable.

La bóveda de los teatros de ópera o de las salas de conciertos tienen forma elipsoidal.

También las antiguas conchas de los apuntadores de teatro se basaban en este principio, su voz quedaba en escena sin que los espectadores pudieran oírles.

REFRACCIÓN DEL SONIDO

Es el cambio de dirección que experimenta una onda al pasar de un medio a otro. Sólo se produce si incide oblicuamente sobre la superficie de separación de los dos medios y si éstos tienen índices de refracción distintos.

El índice de refracción es precisamente la relación entre la rapidez en un medio de referencia (el vacío para las electromagnéticas) y su velocidad en el medio de que se trate.

Un ejemplo de este fenómeno se ve cuando se sumerge un lápiz en un vaso con agua: el lápiz parece quebrado. También se produce cuando la luz atraviesa capas de aire a distinta temperatura, de la que depende el índice de refracción. Los espejismos son producidos por un caso extremo de refracción, denominado reflexión total. Es la desviación que sufren las ondas en la dirección de su propagación, cuando el sonido pasa de un medio a otro diferente. A diferencia de lo que ocurre en el fenómeno de la reflexión, en la refracción, el ángulo ya no es igual al de incidencia.

La refracción también puede producirse dentro de un mismo medio, cuando las características de éste no son homogéneas, por ejemplo, cuando de un punto a otro de un medio aumenta o disminuye la temperatura.

Una muestra clara podemos verla sobre una superficie nevada. En esas condiciones, el sonido es capaz de desplazarse atravesando grandes distancias. Se produce gracias a las refracciones producidas bajo la nieve, que no es un medio uniforme. Cada capa de nieve tiene una temperatura diferente. Las más profundas, donde no llega el sol, están más frías que las superficiales. En estas capas más frías próximas al suelo, el sonido se propaga con menor velocidad.

Sólo las ondas armónicas tienen el módulo de la velocidad bien determinado en un medio dispersivo. En un medio de estas características, cualquier otra vibración, no armónica, se deforma al propagarse.

En la frontera de un medio propagador, como la superficie de un tabique, hay siempre reflexión y refracción parciales. Una parte de la energía sonora se refleja sobre la pared, conforme a las leyes de reflexión de ondas esféricas sobre una superficie plana, cumpliéndose para cada rayo sonoro incidente la igualdad de los ángulos de incidencia y de reflexión.

Pero hay otra parte del sonido que se refracta en la pared, y que también la absorbe, y de la que sólo transmite una pequeña parte a la habitación contigua tras una nueva reflexión y refracción parciales.

DIFRACCIÓN DEL SONIDO

Es un fenómeno que afecta a la propagación del sonido. Hablamos de difracción cuando en lugar de seguir en la dirección normal, se dispersa en una dirección continua.

La explicación la encontramos en el Principio de Huygens, que establece que cualquier punto de un frente de ondas es susceptible de convertirse en un nuevo foco emisor de frecuencias idénticas a la que lo originó. De acuerdo con este principio, cuando la señal incide sobre una apertura o un obstáculo que impide su propagación, todos los puntos de su plano se convierten en fuentes secundarias de ondas, emitiendo otras nuevas, denominadas difractadas.

La difracción se puede producir por dos motivos diferentes:

1. Una onda sonora encuentra a su paso un pequeño obstáculo y lo rodea. Las bajas frecuencias son más capaces de rodear los obstáculos que las altas. Esto es posible porque las longitudes de onda en el espectro audible están entre 3 cm y 12 m, por lo que son lo suficientemente grandes para superar la mayor parte de los obstáculos que encuentran.

2. Una señal topa con un pequeño agujero y lo atraviesa.

La cantidad de difracción estará dada en función del tamaño de la propia abertura y de la longitud de onda.

• Si una apertura es grande en comparación con la longitud de onda, el efecto de la difracción es pequeño. Ésta se propaga en líneas rectas o rayos, como la luz.

• Cuando es menor, los efectos de la difracción son grandes y el sonido se comporta como si fuese una luz que procede de una fuente puntual localizada en la abertura.

CONCLUSIÓN

La aplicación de principios físicos muy sencillos aporta mucho más en términos de acústica de lo que cabe imaginar y puede ayudar a muchos lectores a encontrar una explicación a determinados fenómenos que en ocasiones resultan inexplicables. En CEC somos conscientes de la presencia cada vez mayor de todo tipo de dispositivos que hacen todo el trabajo de acústica e instalación por nosotros (Auddissey o similares). Pero aunque a veces también los profesionales nos guiamos inicialmente por ellos, al final es nuestro propio oído el que nos muestra el camino. Y conocer el comportamiento de las ondas sonoras es el principio de todo.