¿Qué es el Sonido? Una Perspectiva Física y Auditiva

El sonido es la vibración de un medio elástico, bien sea gaseoso, líquido o sólido, nunca a través del vacío. Esa vibración mecánica de las partículas del aire, en contacto con el tímpano, se transmiten al oído. A través del oído interno y el nervio auditivo, el cerebro interpreta estas vibraciones. Lo que el cerebro interpreta es lo que oímos.

La vibración de una partícula significa que esta se mueve en las proximidades de su posición original y pasada la vibración volverá a su posición original. Una vibración es (por ejemplo) lo que ocurre en la superficie de agua en reposo, si se arroja una piedra: esta crea una vibración que avanza y hace que las partículas de la superficie suban y bajen, pero pasada la onda, las partículas siguen donde estaban.

La diferencia con el ejemplo del agua, es que en el aire los movimientos de las partículas son longitudinales, en la dirección de avance del sonido. Si tenemos una superficie que vibra, como puede ser el cono de un altavoz, la vibración se transmite a las partículas de aire que están en contacto con la superficie, empujándolas hacia adelante y hacia atrás, éstas a su vez empujan a las siguientes y cuando las primeras se retraen (se vuelven hacia atrás) las segundas también y así se va propagando la onda por aire. El sonido lo puede producir diferentes fuentes, desde una persona hablando hasta un altavoz, que es una membrana móvil que comprime el aire generado ondas sonoras.

El número de vibraciones u oscilaciones completas que se efectúan en un segundo se denomina Frecuencia, y esta se mide en Hercios Hz. El espectro de frecuencias audible que nuestro oído percibe, están comprendidas entre 20Hz y 20.000Hz. Las frecuencias más bajas (20Hz) se corresponden con lo que habitualmente llamamos "Graves”, (sonidos de vibraciones lentas), y por otro lado las frecuencias más altas (20.000Hz), lo que llamamos “Agudos” (sonidos de vibración rápida).
Los sonidos inferiores a 20Hz se les denominan infrasonidos o subsónicos y a los que están por encima de 20.000Hz se los llama ultrasonidos, no siendo percibidas como sonido para el oído humano.

¿Cómo se Mide? 

Las perturbaciones creadas por las vibraciones sobre el estado de reposo inicial de las partículas de aire, se traducen en variaciones muy pequeñas de presión. Las partículas de aire se acercan y alejan con las vibraciones, se comprimen y “descomprimen”. Esta variación de presión es lo que se mide. La unidad de medida de la presión es el Pascal (Pa). 

Sin embargo esto obligaría a tratar con unidades muy pequeñas, por eso se usa otra medida relativa: el “Nivel dePresión Sonora” (NPS), que se mide en decibelios (dB). El NPS en decibelios es el resultado de la siguiente operación matemática: 20·Log10 (presión/Pref), siendo “Pref” la presión de referencia = 20·10-6 Pa ( = 0,00002 Pa). La presión de referencia es la mínima que puede detectar el oído humano medio. Con lo que si tenemos un Nivel de Presión Sonora (NPS) = 0 dB, diremos que hay silencio (Ojo: no confundir con el dBfs). En términos de habla inglesa, las referencias NPS se encuentran como SPL (Sound Pressure Level), y por influencia, también en documentación de habla hispana se suelen encontrar datos en dB SPL.

Niveles de Presión Sonora (NPS) en Diferentes Contextos

• 25 dB NPS en un dormitorio urbano: Este nivel de sonido es muy bajo, apenas perceptible. Se considera un ambiente muy tranquilo, similar al susurro suave de las hojas o el sonido de fondo en una biblioteca silenciosa. En un dormitorio urbano, este nivel sería el objetivo para garantizar un descanso reparador, aunque puede ser difícil de alcanzar debido al ruido de fondo de la ciudad.

• 57 dB NPS en conversación normal: Este es el nivel típico de una conversación entre dos personas a una distancia normal. Es un sonido fácilmente audible y cómodo para la comunicación. La mayoría de las actividades cotidianas en interiores generan niveles de sonido cercanos a este valor.

• 64 dB NPS en conversación de tono elevado: Cuando una persona eleva la voz para enfatizar algo o para hablar en un entorno ligeramente más ruidoso, el nivel de presión sonora puede alcanzar los 64 dB. A este nivel, la conversación sigue siendo inteligible, pero puede empezar a ser ligeramente molesta si se mantiene durante un tiempo prolongado, especialmente en espacios pequeños.

• 85 dB NPS durante un grito: Un grito representa un aumento significativo en el nivel de presión sonora. A 85 dB, el sonido es fuerte y puede ser molesto o incluso causar incomodidad si la exposición es prolongada. Este nivel es comparable al ruido de tráfico intenso o al sonido de algunos electrodomésticos ruidosos. La exposición repetida a sonidos de este nivel puede empezar a representar un riesgo para la audición a largo plazo.

• 115 dB NPS en una discoteca: El ambiente en una discoteca típica se caracteriza por niveles de presión sonora muy elevados, alcanzando los 115 dB o incluso más. A este nivel, la comunicación verbal se vuelve muy difícil o imposible, y la exposición incluso breve puede ser perjudicial para la audición. Se recomienda el uso de protección auditiva en estos entornos. La sensación es de un sonido muy fuerte y vibrante.

• 130 dB NPS de umbral de dolor: Este nivel de presión sonora se considera el umbral del dolor para la mayoría de las personas. La exposición a sonidos de 130 dB o superiores produce una sensación física de dolor en el oído, además de un riesgo inmediato de daño auditivo. Sonidos de esta intensidad pueden provenir de fuentes como aviones despegando cerca, petardos o conciertos con sistemas de sonido extremadamente potentes.

Consideraciones Adicionales

• La percepción del volumen es subjetiva y puede variar entre individuos.
• La duración de la exposición a un determinado nivel de presión sonora es un factor crucial en el riesgo de daño auditivo. Cuanto mayor sea el nivel y más prolongada la exposición, mayor será el riesgo.
• Existen normativas y recomendaciones sobre los niveles de ruido permitidos en diferentes entornos para proteger la salud auditiva.

¿Cómo se Propaga?

El sonido es una vibración, que, como tal, se puede dar en cualquier medio material, sólido, líquido o gaseoso (como el aire). En cada medio, se propaga a una velocidad diferente, principalmente en función de la densidad. Cuanto más denso sea el medio, mayor será la velocidad de propagación del sonido. En el vacío, el sonido no se propaga, al no existir partículas que puedan vibrar. En este caso tenemos una muestra del clásico error de las películas de ciencia ficción: el sonido de las explosiones en el espacio. En el aire, el sonido se propaga a una velocidad aproximada de 343 m/s (metros por segundo). Esta velocidad puede variar con la densidad del aire, afectada por factores como la temperatura o la humedad relativa. En cualquier caso, para distancias de decenas de metros las variaciones son mínimas.

En el agua, un valor típico de velocidad del sonido son 1500 m/s (el agua es más densa que el aire). En el agua, la densidad varía mucho en función de factores como la profundidad, la temperatura o la salinidad. La propagación del sonido en el agua, es el fundamento de los sistemas de sonar utilizados en barcos y submarinos para detectar obstáculos u objetivos y para enviar datos codificados. Para aplicaciones sonar las frecuencias que se utilizan corresponden a los ultrasonidos.

En materiales metálicos, el sonido se propaga a velocidades superiores a las anteriores, por ejemplo, en el acero el sonido se propaga a una velocidad en torno a 5000 m/s. En materiales sólidos se utiliza el sonido y las propiedades de reflexión para detectar fallas estructurales y grietas, sin necesidad de tener acceso a toda la estructura. Por ejemplo en una viga, bastará con acceder a una de sus terminaciones para poder conocer su estado, empleando ultrasonidos.

Divergencia esférica: el nivel de presión disminuye conforme el sonido se propaga. Cuando el frente de onda es esférico, en la mayoría de los casos, el nivel de presión cae 6 dB por cada vez que se duplica la distancia. Estas se llaman pérdidas por divergencia esférica. Si por ejemplo se mide el NPS que produce una excavadora a cinco metros y este es de 100 dB, podremos decir que a 20 m el NPS será de 88 dB, y a 40 m serán 82 dB. Cuando el frente de onda es plano, no hay pérdidas por divergencia. Un ejemplo de este tipo de propagación se da en la propagación del sonido por el interior de una tubería.

Características del Sonido:

El sonido tiene tres características fundamentales, Amplitud, Frecuencia y Timbre.

• La amplitud fluctúa entre 0 y 120 db Nivel de Presión Sonora (NPS) y el oído la percibe como Sonoridad, por debajo de 0 db, el sonido es inaudible, por encima de los 120 db, puede dañar el oído inmediatamente.

• Frecuencia es la rapidez de repetición de los cambios de amplitud de la onda sonora. El oído percibe frecuencias de 20 Hz a 20 Khz, como Tonos de graves a agudos, pero con una respuesta de frecuencia no plana. El oído es más sensible a sonidos de 2 Khz a 5 Khz.

• Timbre es la característica del sonido que permite al oído humano distinguir  sonidos originados por diferentes fuentes, por ejemplo un 'LA' de una guitarra o un piano, y está formado por el contenido armónico del sonido. Se pueden distinguir claramente cientos de instrumentos musicales y voces debido a su timbre.

El sonido se subdivide en tres ramas importantes, Voz, Música y Ruido.

• La voz es para comunicación a través de combinaciones de vocales y consonantes que transportan un significado específico. La voz tiene un rango dinámico de 30 a 40 db y un rango de frecuencia de 100 Hz a 8 Khz.

• La música transmite sentimientos y emociones a través de combinaciones dinámicas de sonidos y silencios, compuestos fundamentalmente de tonos discretos comprendidos entre unos 30 Hz a más de 20 Khz., para incluir fundamentales y armónicas. El rango dinámico depende del tipo de música y puede variar entre unos 70 db y 100 db.

• El ruido tiene muchas definiciones, pero para los propósitos de este artículo, será considerado como un sonido no deseado que puede interferir con la señal grabada, en este caso, el ruido no tiene significado y puede abarcar todo el rango audible.

Enrique Tirado Yepes