Ondas de Presión

Ondas de Presión en el Aire que Percibe Nuestro Oído

Imagina la atmósfera que nos rodea, esa misma masa de aire cuya presión medimos con un barómetro para predecir el tiempo. El sonido, en su esencia más fundamental, no es más que una variación periódica y minúscula de esta presión atmosférica. Estas fluctuaciones de presión son increíblemente pequeñas y ocurren a velocidades asombrosas, tan rápidas que un barómetro convencional sería incapaz de registrarlas. Sin embargo, estas sutiles y veloces alteraciones en la presión del aire son precisamente lo que percibimos como sonido. A estas variaciones se les conoce como ondas de presión sonora.

Las ondas se propagan en tres dimensiones.

Para visualizar este concepto, podemos recurrir a una analogía familiar: una piscina en calma. Si arrojamos una piedra al agua, se generan ondas que se propagan radialmente desde el punto de impacto. Este movimiento ondulatorio en la superficie del agua es similar al movimiento de las ondas sonoras que emanan de una fuente. No obstante, una diferencia crucial radica en la dimensionalidad de la propagación: mientras que las ondas en la piscina se expanden en dos dimensiones (la superficie del agua), las ondas sonoras se propagan en tres dimensiones, expandiéndose esféricamente desde su origen.

La Génesis de las Ondas Sonoras: Vibraciones que Modulan la Presión del Aire

Las ondas de presión sonora nacen de la vibración de un objeto en contacto con el aire circundante. Este objeto vibrante puede ser la membrana de un altavoz oscilando rápidamente, las cuerdas de una guitarra entrando en resonancia tras ser pulsadas, o incluso las cuerdas vocales de una persona vibrando al paso del aire.

La presión atmosférica en un punto dado está directamente relacionada con la densidad de las moléculas de aire presentes en esa área. Cuando un objeto vibra, su movimiento empuja y comprime las moléculas de aire que están en contacto con él, creando una zona donde la densidad de moléculas y, por lo tanto, la presión atmosférica local aumenta. Esta zona de mayor presión se denomina compresión.

Inmediatamente después de la compresión, al retroceder el objeto vibrante, se crea una región donde las moléculas de aire se separan, resultando en una disminución de la densidad y, por ende, de la presión atmosférica. Esta zona de menor presión se conoce como expansión o rarefacción.

Es importante destacar que las moléculas de aire en sí mismas no viajan grandes distancias junto con la onda sonora. En cambio, actúan como una serie de partículas interconectadas. Cada molécula vibra ligeramente alrededor de su posición de equilibrio, transfiriendo la energía de su movimiento a las moléculas vecinas, propagando así la onda de presión a través del medio. La zona de compresión y la zona de expansión se desplazan a través del aire a una velocidad característica del medio, que es la velocidad del sonido.

Características Fundamentales de las Ondas Sonoras

Cada onda sonora, y por lo tanto cada sonido que percibimos, puede describirse a través de una serie de características fundamentales que nos permiten distinguirlas unas de otras. Estas características incluyen:

• Frecuencia: El número de ciclos completos de compresión y expansión que ocurren por unidad de tiempo (generalmente en segundos), medida en Hertz (Hz). La frecuencia determina la altura tonal del sonido (grave o agudo).

• Amplitud: La magnitud de la variación de presión con respecto a la presión atmosférica normal. La amplitud está relacionada con la intensidad o el volumen del sonido.

• Velocidad: La rapidez con la que la onda sonora se propaga a través del medio (aire, agua, sólidos, etc.), medida en metros por segundo (m/s). La velocidad del sonido varía según el medio y sus propiedades (temperatura, densidad, etc.).

• Fase: La posición de un punto específico en el ciclo de la onda en un momento dado, relativa a un punto de referencia. La fase juega un papel importante en la interferencia entre ondas sonoras.

• Longitud de Onda: La distancia espacial entre dos puntos correspondientes en ciclos consecutivos de la onda (por ejemplo, entre dos compresiones sucesivas). La longitud de onda (λ) está relacionada con la velocidad del sonido (v) y la frecuencia (f) mediante la fórmula: λ = v / f.

• Contenido Armónico: La presencia y las amplitudes relativas de las frecuencias que son múltiplos enteros de la frecuencia fundamental. El contenido armónico es el principal determinante del timbre o la calidad tonal de un sonido.

Definición Precisa de Presión Sonora

Formalmente, la presión sonora se define como las fluctuaciones de presión, por encima o por debajo del valor normal o estático de la presión del medio (presión atmosférica), que se producen al propagarse una onda sonora a través de dicho medio. Es la desviación instantánea de la presión en un punto causada por la presencia de la onda sonora.

El Asombroso Rango de Sensibilidad del Oído Humano

El oído humano posee una capacidad asombrosa para detectar un rango extremadamente amplio de presiones sonoras. Es capaz de percibir sonidos cuya amplitud se encuentra entre un mínimo de 20 micropascales (µPa), que representa el umbral de audición para las frecuencias más sensibles, y un máximo de aproximadamente 20 pascales (Pa), donde se sitúa el umbral del dolor. Para hacernos una idea de la magnitud de este rango, el valor mínimo es ¡una millonésima parte del valor máximo!

Nivel de Presión Sonora (LPS o SPL): Una Escala Logarítmica para el Sonido

Aunque la presión sonora es el parámetro físico fundamental que caracteriza la intensidad de un sonido en un punto, su rango dinámico (la diferencia entre el valor más pequeño y el más grande que el oído puede detectar) es tan vasto que resulta inconveniente trabajar directamente con valores de presión en pascales. Además, nuestra percepción del volumen es logarítmica, lo que significa que necesitamos cambios multiplicativos en la presión sonora para percibir cambios aditivos en el volumen.

Para superar estos inconvenientes, se utiliza una escala logarítmica denominada nivel de presión sonora (LPS), también conocida como SPL (Sound Pressure Level) en la nomenclatura anglosajona. El LPS se define mediante la siguiente expresión:

Donde:

• LPS es el nivel de presión sonora en decibelios (dB).

• p es la presión sonora eficaz (RMS) del sonido que se está midiendo, en pascales (Pa).

• p₀ es la presión sonora de referencia, que se define como el valor del umbral auditivo humano a 1 kHz, equivalente a 20 micropascales (20 × 10⁻⁶ Pa).

Al utilizar esta escala logarítmica y la presión de referencia del umbral auditivo, el nivel mínimo de presión sonora que el oído humano puede detectar se convierte en 0 dB:

De manera similar, al introducir el valor del umbral del dolor (aproximadamente 20 Pa) en la fórmula, obtenemos un nivel de presión sonora cercano a 120 dB:

De esta forma, la escala del nivel de presión sonora comprime el enorme rango de presiones que el oído puede percibir en un intervalo mucho más manejable de aproximadamente 0 a 120 dB, lo cual facilita enormemente la interpretación y el análisis de las mediciones de sonido.

Limitaciones del LPS y la Influencia del Entorno

Si bien el nivel de presión sonora (LPS) es un parámetro fundamental y fácilmente medible para caracterizar el nivel de ruido generado por un equipo o presente en un entorno, es importante tener en cuenta que tiene una limitación: depende de factores adicionales a la potencia de la fuente sonora. Por ejemplo, las características acústicas de la sala donde se encuentra la fuente (su tamaño, forma, los materiales de sus superficies) influyen significativamente en el nivel de presión sonora que se medirá en diferentes puntos del espacio debido a las reflexiones del sonido. Este aspecto de las reflexiones y la acústica de los espacios se detallará en secciones posteriores.