La física de las ondas sonoras, por Tomás Unger

Las ondas de radio producidas eléctricamente son parte del espectro electromagnético y no las podemos percibir si no son convertidas en vibraciones acústicas, a través de un receptor de radio.

EL OÍDO

El oído registra el sonido por las vibraciones del aíre que repercuten en el tímpano. De ahí, una serie de huesecillos transmiten esas vibraciones al caracol, una cámara en forma de espiral con líquido viscoso que alberga el órgano de Corti. Este tiene una especie de pelos diminutos que registran las frecuencias del sonido y las transmiten por el nervio auditivo al cerebro. El oído humano registra frecuencias desde 20 a 20.000 hertz (Hz, vibraciones por segundo).

LA ONDA

A nivel del mar y a 20° C (un estándar de densidad del aire), la velocidad del sonido es de 1.235 km/h o 343 m/s. Esto equivale a un kilómetro en 2,9 segundos. Así es como podemos calcular a qué distancia cayó un relámpago, midiendo el tiempo que demoró en llegar a nuestro oído el trueno.

El ojo está limitado a cubrir solo una muy pequeña parte de la onda electromagnética, pero nuestro oído capta una gama amplia de frecuencias de ondas sonoras.

Una onda o tono puro (frecuencia constante) no se da en la naturaleza, solo tiene lugar en un instrumento de acero en forma de horquilla llamado diapasón, que se usa para afinar instrumentos musicales. El diapasón mantiene una frecuencia de 440 Hz. Esta es la nota la en el sistema latino y A en el europeo.

El diapasón, inventado en 1711, no era al principio estándar. El de Händel (1740) producía un la equivalente a 422,5 Hz, mientras que el de Beethoven (1800) era de 455,4 Hz. Estos músicos no conocían las frecuencias exactas de sus diapasones, ya que estas medidas no tuvieron precisión hasta después de 1830, con el trabajo del físico alemán Johann Scheibler, cuyo término de ciclos por segundo se convertiría en hertz en el siglo XX.

En el caso de la voz humana y de los instrumentos musicales, lo que oímos son armónicos de varios tonos, ondas cuya longitud es un múltiplo exacto de la anterior. Hay distintos tipos de armónicos. Por ejemplo, el sonido uniforme y limpio del piano y el armónico un tanto disonante del violín que los músicos llaman sobretono de alta frecuencia. La combinación de armónicos eventualmente da el timbre, que la Real Academia Española define como la “cualidad de los sonidos determinada por el efecto perceptivo que produce en los oyentes”, que distingue la voz y las familias de instrumentos.

La voz humana comprende las cuerdas vocales y la cámara de resonancia en la boca y en la nariz, que modificamos al hablar y cantar. Su rango de frecuencia y longitud de onda va de unos 85 Hz (4 m), producida por un cantante bajo, hasta los 1.000 Hz (34 cm) de una soprano.

RANGO DE LOS INSTRUMENTOS

El mayor rango de frecuencias lo tiene el órgano de viento, que produce ondas desde 22 m hasta 2 cm (15 a 15.000 Hz). El piano va desde 30 Hz (11,5 m) hasta 14.000 Hz (2,5 cm). Los instrumentos de viento cubren una gama de frecuencias, desde la tuba, con 4 Hz, hasta la flauta piccolo, de 14.000 Hz.

De los instrumentos de cuerda, después del piano, el arpa es la de mayor alcance, de 27 a 12.000 Hz, la guitarra va de 8 a 800 Hz, y el violín de 120 a 16.000 Hz.

FUERZA

La potencia de un sonido se mide en decibeles (dB), aunque puede tener distintos significados, ya que no es un valor fijo. La escala de decibeles es logarítmica, en la cual el doble de la presión de sonido corresponde a un aumento de 6 dB.

Una conversación normal se lleva a cabo a unos 55 dB. Un potente barítono alcanza 103 dB, y un coro de 75 personas llega a los 123 dB. De los instrumentos, solo los de percusión y los de viento pasan de los 100 dB; una orquesta de 75 instrumentos puede sobrepasar los 130 dB. Un concierto moderno con fuertes parlantes puede dejarlo a uno sordo con 144 dB. El sonido, si llega a los 180 dB, podría causar la muerte.

RESONANCIA Y VOZ

La diferencia entre el sonido que producen los instrumentos viene de dos partes: la voz y la resonancia. En un violín, el arco sobre las cuerdas produce vibraciones con armónicos, la caja de madera provoca la resonancia y los armónicos.

En una trompeta, la presión de aire genera en la boquilla las ondas, y el tubo metálico causa la resonancia. Las válvulas controlan la longitud de las ondas y con ello el tono. En los demás instrumentos de viento, distintos sistemas de teclas y variaciones en la presión de aire en la boquilla permiten una gama de tonos y armónicos. En la corneta, solo en la boquilla se produce el tono y la modulación.

La variedad de maneras de generar ondas, de dar resonancia y producir armónicos distingue lo que llaman los músicos la voz del instrumento. La clasificación más común es por la manera de generar las ondas sonoras: cuerda, viento y percusión. Tanto el órgano como la voz humana se clasificarían como instrumentos de viento, pues en ellos la presión de aire origina las ondas sonoras.

La acústica, la parte de la física que estudia el sonido, es una ciencia que llena bibliotecas. Esperamos pronto poder tratar otros de sus aspectos.

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