Absorción de las Ondas Sonoras

En lo expuesto anteriormente en "Reflexión, Refracción y Difracción de las Ondas Sonoras" no se ha considerado la disipación de energía de las ondas sonoras, en muchos casos esta disipación está presente pero en valor tan pequeño que puede ignorarse. Sin embargo, en último lugar toda la energía acústica se degrada en forma de energía calorífica. Las causas de esta disipación se pueden dividir en general en dos grupos, uno debido a la disipación de energía acústica en la transmisión en el medio, y el otro asociado con las condiciones en la frontera del medio. El primer tipo de pérdidas tiene una mayor importancia que el segundo, cuando el volumen del fluido es grande frente al área de sus fronteras, como la transmisión del sonido en la atmósfera y océanos, a través de sistemas de ventilación largos, y dentro de auditorios. Las pérdidas en el medio pueden dividirse en tres tipos básicos, pérdidas por viscosidad, pérdidas por conducción de calor y pérdidas asociadas con cambios moleculares de energía. Las pérdidas por viscosidad se deben al movimiento relativo de varias partes del medio fluido durante las compresiones y expansiones que acompañan a la transmisión de una onda sonora. Una hipótesis fundamental que se ha hecho con el fin de encontrar las ecuaciones básicas para el movimiento de ondas sonoras es que los cambios de presión son adiabáticos y por tanto están acompañados por cambios de temperatura. De este modo existe una tendencia para que el calor pase de las regiones de condensación, donde la temperatura es mayor, a las regiones vecinas de expansión donde la temperatura es menor. En el proceso de esta transferencia calorífica hay una predisposición hacia la igualdad de presiones, lo que reduce la amplitud de la onda que se propaga a través del medio. La disipación de energía sonora que está asociada con los cambios en la estructura molecular del medio se debe al tiempo finito que se necesita para que estos cambios tengan lugar. Por ejemplo, cuando el período de un ciclo sonoro se puede comparar con el tiempo necesario para que una porción de la energía de compresión del fluido se convierta en energía interna de vibración molecular, en correspondencia durante el ciclo de expansión parte de esta energía retardará su renovación hasta que vuelva al fluido durante el tiempo de expansión. Como consecuencia de este retraso aparecerá una tendencia a igualar la presión, lo que estará acompañado de una reducción en la amplitud de presión de la onda.

En el estudio de las ondas sonoras que se transmiten a través de un medio fluido, hemos considerado que dicho medio tiene ciertas propiedades macroscópicas tales como su presión, densidad, compresibilidad, calor específico y temperatura, sin considerar detalles de la configuración molecular de dicho medio. Mediante consideraciones adicionales de las propiedades macroscópicas de un fluido, Stokes obtuvo la viscosidad en 1845 mediante la teoría por la cual las ondas sonoras se atenuaban. Kirchoff en 1868 utilizando las propiedades macroscópicas de la conductividad térmica, desarrolló una teoría que explicaba la absorción sonora en fluidos. Estos dos mecanismos se conocen comúnmente como los tipos clásicos de absorción sonora en fluidos. Sin embargo se ha visto recientemente, mediante medidas experimentales, que la explicación de la absorción del sonido mediante explicaciones macroscópicas es inadecuada. Por lo tanto, es necesario adoptar un punto de vista microscópico al estudiar los fluidos y considerar los fenómenos como las energías ligadas dentro y entre las moléculas, para conseguir una adecuada explicación de los mecanismos de absorción. Los últimos mecanismos de absorción sonora se conocen como de tipo molecular y de relajación.

La disipación de energía acústica en las fronteras de un fluido tiene significado como ha hemos mencionado anteriormente, cuando el volumen definido es pequeño en comparación con el área de sus superficies fronteras, como en el caso de absorción sonora por materiales que recubren las superficies de un recinto y que se estudiará con detenimiento en acústica arquitectónica.

Desde un punto de vista fenomenológico, la absorción de energía de las ondas sonoras en fluidos está asociada con el tiempo de retardo de la condensación con relación a la variación de presión acústica p. Este retardo puede demostrarse que depende de un tiempo característico llamado tiempo de relajación, es decir del tiempo necesario para que la fuerza de viscosidad asociada con la velocidad relativa a la partícula del fluido, tienda a igualar estas velocidades, la conducción calorífica se presenta en el fluido entre las regiones de presión alta (alta temperatura) y las de presión baja (baja temperatura), originándose cambios en la energía molecular. Con más precisión, el tiempo de relajación es el tiempo necesario para que un proceso alcance un valor 1/e de su valor de equilibrio.

El valor del coeficiente de atenuación de la energía sonora en el aire, debido a la absorción por viscosidad es proporcional al cuadrado de la frecuencia de la onda sonora, por lo que a medida que aumenta la frecuencia, aumenta la absorción sonora debido a este fenómeno.

Manuel Recuero López