3.19.- SONIDO, AUDICIÓN Y ONDAS SONORAS

SONIDO, AUDICIÓN Y ONDAS SONORAS

El sonido  humanamente  audible  consiste  en ondas  sonoras que  se  producen  cuando  las oscilaciones de la presión del aire, son convertidas en ondas mecánicas en el oído humano y percibidas por el cerebro.

La propagación del sonido involucra transporte de energía sin transporte de materia, en forma   de    ondas    mecánicas    que    se    propagan    a    través    de    un    medio elástico sólido, líquido o gaseoso. Entre los más comunes se encuentran el aire y el agua.

Si las vibraciones se producen en la misma dirección en la que se propaga el sonido, se trata de una onda longitudinal y si las vibraciones son perpendiculares a la dirección de propagación es una onda transversal.

ONDAS SONORAS

Las ondas sonoras se producen cuando un cuerpo vibra rápidamente. La frecuencia es el número de vibraciones u oscilaciones completas que efectúan por segundo. Los sonidos producidos son audibles por un ser humano promedio si la frecuencia de oscilación está comprendida entre 20 Hz y  20000 Hz.  Por  encima  de  esta  última  frecuencia  se  tiene un ultrasonido no audible por los seres humanos, aunque algunos animales pueden oír ultrasonidos inaudibles por los seres humanos.

1.        Onda mecánica:

Las ondas mecánicas no pueden desplazarse en el vacío, necesitan hacerlo a través de un medio material (aire, agua, cuerpo sólido). Además dicho medio debe ser elástico y no rígido para permitir la transmisión del sonido.

2.        Onda longitudinal.

En las ondas longitudinales el movimiento de las partículas se desplaza en la misma dirección que la onda.

3.        Ondas transversas

En las ondas transversales el movimiento de las partículas es perpendicular a la dirección de la onda.

4.        Es una onda tridimensional.

Son ondas que se propagan en tres direcciones. Las ondas tridimensionales se conocen también como ondas esféricas, porque sus frentes de ondas son esferas concéntricas que salen de la fuente de perturbación expandiéndose en todas direcciones.

VELOCIDAD Y ENERGÍAS DEL SONIDO

Las partículas del medio se comprimen en las zonas de máxima amplitud de la ondulación  y    se     separan     en     las     de     mínima     amplitud.     Estas     zonas     se    denominan compresión y rarefacción.

La rapidez de propagación del sonido está relacionada con variables físicas propias del material como la densidad, la temperatura, la elasticidad, presión, salinidad, etc.

En el caso de medios gaseosos, como el aire, las vibraciones son trasmitidas de un punto a otro mediante choques entre las partículas que constituyen el gas. De este modo cuando mayor sea la densidad del gas, mayor será la rapidez de la onda.

En los medios sólidos, son las fuerzas que unen entres sí las partículas constitutivas del cuerpo las que se encargan de propagar la perturbación de un punto a otro. Este procedimiento más directo explica por qué la rapidez del sonido es mayor en los sólidos  que en los gases.

La rapidez del sonido varía muy poco con la temperatura en los sólidos y líquidos, sin embargo en los gases, aumenta con la temperatura porque se incrementa la probabilidad de los choques entre las moléculas.

El alcance de una onda de sonido en un medio, está directamente con la energía que  absorbe y la rapidez específicamente en un sólido, se ve afectada por la densidad y por la elasticidad.

A nivel molecular un material con alta elasticidad (rígido) se caracteriza por  grandes fuerzas entre sus moléculas. Esto hace que las partículas vuelvan rápidamente a sus posiciones de equilibrio y estén dispuestas a iniciar de nuevo un movimiento, lo que les permite vibrar a altas velocidades. Por lo tanto, el sonido viaja más rápido a través de medios con mayor elasticidad.

La densidad de un medio representa la masa por unidad de volumen. Así mientras más denso es un material, mayor será la masa de las moléculas, si se considera un mismo volumen, lo que implica que el sonido se trasmite más lentamente. Esto se debe a que las ondas de sonido trasportan energía, que es la responsable de la vibración de un medio, y se necesita más energía para hacer vibrar las moléculas grandes que la requerida para hacer vibrar moléculas más pequeñas. Por esto, el sonido viaja más lento en un objeto más denso, si ambos tienen la misma propiedad elasticidad.

Energía del sonido

La energía sonora (o energía acústica) es la energía que transmiten o transportan las ondas sonoras. Procede de la energía vibracional del foco sonoro y se propaga a las partículas del medio que  atraviesan  en  forma  de energía  cinética (movimiento  de  las  partículas),  y  de energía potencial (cambios depresión producidos en dicho medio, o presión sonora). Al irse propagando el sonido a través del medio, la energía se transmite a la velocidad de la onda, pero una parte de la energía sonora se disipa en forma de energía térmica. La energía acústica suele tener valores absolutos bajos, y su unidad de medida es el julio (J). Aunque puede calcularse a partir de otras magnitudes como la intensidad sonora, también se pueden calcular otras magnitudes relacionadas, como la densidad o el flujo de energía acústica

VOZ HUMANA

La voz humana se produce por la vibración de las cuerdas vocales, lo cual genera una onda sonora que es combinación de varias frecuencias y sus correspondientes armónicos. La cavidad buco-nasal sirve para crear ondas cuasi estacionarias por lo que ciertas  frecuencias

denominadas formantes. Cada segmento de sonido del habla viene caracterizado por un cierto espectro o distribución de la energía sonora en las diferentes frecuencias. El oído humano es capaz de identificar diferentes formantes de dicho sonido y percibir cada sonido con formantes diferentes como cualitativamente diferentes, eso es lo que permite por ejemplo distinguir dos vocales.

La voz masculina tiene un tono fundamental de entre 100 y 200 Hz, mientras que la voz femenina es más aguda, típicamente está entre 150 y 300 Hz. Las voces infantiles son aún más agudas

BIOFÍSICA DE LA PERCEPCIÓN AUDITIVA

Comencemos por algunas consideraciones anatómicas básicas: El sistema auditivo periféric o está compuesto por el oído externo, el oído medio y el oído interno.

OÍDO EXTERNO:

El oído externo está compuesto por el pabellón, que concentra las ondas sonoras en el conducto, y el conducto auditivo externo que desemboca en el tímpano. El canal auditivo externo tiene unos 2,7 cm de longitud y un diámetro promedio de 0,7 cm. Por sus características anatómicas éste tiene una frecuencia de resonancia natural entre los 4.500  Hz y los 5.000 Hz.

OIDO MEDIO

El oído medio está lleno de aire y está compuesto por el tímpano (que separa el oído medio), los osículos (martillo, yunque y estribo) y la trompa de Eustaquio

El tímpano es una membrana que es expuesta en movimiento por la onda que la alcanza. Sólo una parte de la onda que llega al tímpano es absorbida, la otra es reflejada. Se llama impedancia acústica a esa tendencia del sistema auditivo a oponerse al pasaje del sonido.  Su magnitud depende de la masa y elasticidad del tímpano y de los osículos y la resistencia friccional que ofrecen.

Los oscículos (martillo, yunque y estribo) tienen como función transmitir el movimiento  del tímpano al oído interno a través de la membrana conocida como ventana oval. Dado que el oído interno está lleno de material líquido, mientras que el oído medio está lleno de aire, debe resolverse un desajuste de impedancias que se produce siempre que una onda pasa de un medio gaseoso a uno líquido. En el pasaje del aire al agua en general sólo el 0,1% de la energía de la onda penetra el agua, mientras que el 99,9% de la misma es reflejada. En el caso del oído ello significaría una pérdida de transmisión de unos 30 dB. El oído interno resuelve este desajuste de las impedancias de dos vías complementarias

En primer lugar la disminución de la superficie en la que se concentra el movimiento. EL tímpano tiene un área `promedio de 69 mm2, pero el área vibrante afectiva es de unos 43 mm2. El pie del estribo, que empuja la ventana oval poniendo en movimiento el material líquido contenido en el oído interno, tiene un área de 3,2 mm2. La presión  se incrementa  en consecuencia en unas 13,5 veces.

Por otra parte el martillo y el yunque funcionan como un mecanismo de palanca y la relación entre ambos brazos de la palanca es de 1,31: 1. la ganancia mecánica de este mecanismo de palanca es entonces de 1,3 de lo que hace que el incremento total de presión sea de unas 17,4 veces

El valor definitivo va a depender del área real de vibración de tímpano. Además, los valores pueden ser superiores para frecuencias entre los 2.000 Hz y los 5.000 Hz, debido a las resonancias del canal auditivo externo. En general el oído externo y el tímpano se producen una amplificación de entre 5 dB y 10 dB en las frecuencias comprendidas entre los 2.000 Hz y los 5.000 Hz, lo que contribuye de manera fundamental para la zona de frecuencias a la que nuestro sistema auditivo es más sensible.

Los músculos del oído interno (tensor de tímpano y stapedius) pueden influir sobre la transmisión el sonido entre el oído medio y el interno. Como su nombre lo indica, el tensor del tímpano tensa la membrana timpánica aumentando su rigidez, produciendo en consecuencia una mayor resistencia a la oscilación al ser alcanzada por las variaciones de presión del aire.

El stapedius separa el estribo de la ventana oval, reduciendo la eficacia en la transmisión  del movimiento. En general responde como reflejo, en lo que se conoce como reflejo acústico o reflejo timpánico. Ambos músculos cumplen una función primordial de protección, especialmente frente a sonidos de gran intensidad. Lamentablemente esta acción  no es instantánea de manera que no protegen a nuestro sistema auditivo ante  sonidos repentinos de muy alta intensidad, como pueden ser los estallidos o impulsos. Además se fatigan muy rápidamente y pierden eficiencia cuando nos encontramos expuestos por largo rato a sonidos de alta intensidad.

AUDIÓMETRO

Equipo eléctrico que sirve para medir y evaluar la audición tanto a nivel umbral como supra umbral, permite explorar las posibilidades audiométricas a través del área auditiva. Pueden producir intensidades desde 10 hasta 110 o 120 dBs y cubren desde el tono 128 hasta el 16 000 Hz, mediante un potenciómetro graduado de 5 en 5 dBs. Se  utiliza  para realizar pruebas audiométricas. Permite determinar el nivel auditivo de un paciente en cada uno de sus oídos.

Pruebas que se realizan con este equipo:

     Umbrales (Limen o umbral mínimo de audibilidad, comodidad, conducción aérea y ósea, disconfort o algiacusia).

     Test de S.IS.I.   

    Test de Fowler.

    Test de la palabra.   

    Deterioro tonal.

    Test de Lombard.   

    Acufenometría.


Referencias bibliográficas:

Desconocido (2013), Física del sonido,Sitio Web: http://www.eumus.edu.uy/eme/ensenanza//acustica/apuntes/material-viejo/fisica_r/

Juan Zambrano (2018), El sonido y las ondas sonoras, Sitio Web: https://prezi.com/pbncqfi2peck/el-sonido-y-las-ondas-sonoras/

Desconocido (N/H), El sonido, Sitio Web: http://elruido.com/divulgacion/curso/ondas.htm