En física, el sonido se puede describir como la propagación de ondas mecánicas que generan oscilaciones locales (vibración) de presión, densidad, velocidad, estado tensional o desplazamiento en las partículas de un medio. A través de estas ondas mecánicas, el sonido transporta energía sin transportar materia.
Las ondas sonoras se producen cuando un cuerpo vibra rápidamente y perturba las partículas circundantes. Por ejemplo, al golpear la membrana de un tambor, esta vibra rápidamente y produce una oscilación de empuje y tracción que hace vibrar también a las partículas del aire que hay a su alrededor. La vibración de las partículas del aire se transmite a las partículas contiguas y se crea así una onda mecánica que se propaga en todas direcciones.
Aunque la propagación del sonido se suele asociar con el aire, el sonido puede viajar a través de cualquier medio material elástico, ya sea líquido, sólido, gaseoso o un plasma, pero la ausencia de partículas hace imposible que se pueda transmitir en el vacío.
La propagación de las ondas sonoras en fluidos se realiza en ondas longitudinales, es decir, la vibración se produce en paralelo a la dirección de propagación. Las partículas que se desplazan por la vibración del objeto se mueven hasta colisionar con las partículas adyacentes y entonces vuelven hacia atrás. Así se crea una serie de regiones locales de compresión y rarefacción que compone la onda sonora. En los sólidos, el sonido también se puede transmitir mediante ondas transversales (vibración perpendicular a la dirección de propagación, similar a como se comportan las olas del mar).
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Velocidad de propagación
La velocidad del sonido depende de las propiedades del medio en el que se propaga, principalmente de la densidad y de la presión. En general, a mayor densidad del medio, habrá menor compresibilidad y el sonido se propagará a mayor velocidad.
En los sólidos, por ejemplo, las partículas (moléculas y átomos) están muy próximos entre sí y unidos por fuertes uniones covalentes. En consecuencia, la vibración de una partícula se transmite muy rápido a la siguiente. Por este motivo la velocidad del sonido en los sólidos suele mayor que en líquidos, y en estos mayor que en los gases.
En medios gaseosos es dónde la velocidad del sonido es menor porque las partículas tienen una amplia libertad de movimiento y deben desplazarse, relativamente bastante, hasta que colisionen con otras partículas y transmitan la vibración. En el aire, a 0 ºC, 1 atmósfera de presión y 0% de humedad (aire seco), la velocidad del sonido es de 331.5 m/s (metros por segundo). A 20 ºC y 50% de humedad la velocidad es de 343.2 m/s, aproximadamente 1235 km/h.
La velocidad del sonido en un medio se puede calcular con la conocida como ecuación de Newton-Laplace, según la cual la velocidad del sonido es igual a la raíz cuadrada del módulo de compresibilidad (K) entre la densidad del medio (ρ):
Percepción del sonido
La percepción del sonido requiere del fenómeno físico que produce las ondas sonoras y un fenómeno fisiológico que detecta la vibración producida por esas ondas y lo traduce en información sensorial. Cuándo las ondas sonoras alcanzan el oído, la vibración es recogida por el tímpano y transmitida a los conocidos como huesecillos del oído medio: martillo, yunque y estribo, los huesos más pequeños del cuerpo humano y los primeros en osificarse durante el desarrollo.
La cadena de huesecillos transmite el sonido hasta la ventana oval y producen vibración el líquido coclear del oído interno. La vibración en el líquido coclear es detectada por receptores nerviosos que se unen para formar el nervio vestibulococlear, o nervio auditivo, que llevará la información hasta el cerebro para su interpretación.
Es importante destacar que el sonido no tiene por que ser perceptible por el ser humano, sino que incluye cualquier fenómeno de propagación de ondas mecánicas por un medio elástico, aunque el oído humano no lo pueda detectar.
El oído humano es sensible, por término medio, a frecuencias comprendidas entre los 20 Hz y los 20 kHz. Por encima de los 20 kHz se encuentran los ultrasonidos, y por debajo de los 20 Hz se encuentran los infrasonidos. Algunos animales pueden oír sonidos en estas frecuencias.