Aplicaciones de las ondas sonoras

Ondas sonoras

Las ondas sonoras pueden propagarse en gases, como el aire; aunque, también, en líquidos y sólidos. Este tipo de ondas se generan a partir de las vibraciones de las moléculas en un medio —como el metal, el agua o el aire—. Se propagan como ondas longitudinales y durante su propagación existen zonas donde la presión es más alta y las moléculas están más juntas, y otras zonas donde las moléculas están separadas y la presión es pequeña. Esto significa que cuando una onda sonora está viajando, la densidad y la presión cambian continuamente.

Propagacion de ondas sonoras

Ya sabemos que el sonido se propaga de un lugar a otro atraves de un medio material, por lo tanto, la velocidad de las ondas sonoras depende de las caracteristicas del material en el que se esten propagando. Los factores que pueden afectar la veolocidad de la propagacion de las ondas sonoras, como la densidad, la temperatura, la elasticidad o la presion del material.

La velocidad de propagacion de una onda sonora es mayor en los solidos que en los liquidos y en los liquidos mayor que en los gases. Esto debido a que la densidad de las particulas permite mas intercambio de energia cuando estan mas cerca una de la otra. La siguiente lista muestra la velocidad del sonido en diferentes materiales:

• \(6099 \,\,\mathrm{m/s}\) en el acero.
• \(5090\,\,\mathrm{m/s}\) en el hormigon.
• \(1493\,\,\mathrm{m/s}\) en el agua a \(35^{\circ}\).
• \(343\,\,\mathrm{m/s}\) en el aire a \(20^{\circ}\).

Ejemplos de ondas sonoras

Ahora que sabemos como se propagan las ondas sonora, veamos algunas aplicaciones de este tipo de ondas.

El oído

El uso más común y, probablemente, más importante de las ondas sonoras es la comunicación verbal cotidiana:

1. Cuando hablamos, el movimiento de las distintas partes de nuestra boca provoca vibraciones en el aire que la rodea.
2. Estas vibraciones se propagan por el aire, perturbando las moléculas de aire vecinas.
3. Esta cadena de perturbaciones se propaga hasta que la onda sonora llega a su objetivo, que suele ser el oído de la persona a la que nos dirigimos.

La siguiente figura muestra las zonas de compresión y rarefacción en una onda sonora típica:

Fig. 1 Una onda sonora se mueve desde la fuente hasta el oído, mediante moléculas de aire vibrando. Las zonas más oscuras tienen más moléculas de aire vibrando (compresiones), mientras que las zonas más claras tienen menos (rarefacciones).

Los límites de frecuencia del rango auditivo humano son \(20 \,\,\mathrm{Hz} \) a \(20 \,\,\mathrm{kHz}\). Cualquier sonido con una frecuencia inferior a \(20 \,Hz \) o superior a \(20 \, kHz \) no puede ser detectado por el ser humano. Esta gama de frecuencias se conoce como el espectro audible.

Sonar

Las ondas sonoras pueden utilizarse para la comunicación, la música y otras aplicaciones que dependen del viaje del sonido a través del aire. El sonido también puede viajar a través de líquidos y sólidos. El sonido viaja más rápido por el agua que por el aire y, también, recorre mayores distancias en el agua que en el aire. Este hecho es uno de los factores que dieron origen al concepto del sonar.

Las ondas sonoras que viajan a través del agua sufren una importante propiedad del movimiento ondulatorio cuando encuentran un obstáculo: la reflexión.

• Una fuente de sonido o emisor emite una onda sonora que viaja hacia el exterior, choca con un objeto, se refleja y vuelve hacia el emisor.
• Después, se utiliza un receptor para detectar la onda reflejada (eco) y compararla con el perfil de la onda original, para asegurarse de que el reflejo sea realmente la misma onda.

Podemos determinar la distancia \(r\) al objeto, ya que se conoce la velocidad de la onda en el agua.

• La onda recorre una distancia total de \( 2r\), en el viaje de ida y vuelta al objeto, en un tiempo \(t\).
• Como la velocidad del sonido en el agua es constante, la distancia \(r\) se puede calcular de la siguiente manera:

\[\begin{aligned} 2r&=vt \\ r&=\dfrac{vt}{2} \end{aligned} \]

El principio de funcionamiento del sonar puede verse en el siguiente diagrama:

• La onda original choca con la obstrucción, que es el objeto.
• A continuación, se refleja hacia el emisor y, finalmente, se recibe.

Ultrasonido

Si alguna vez has visto la ecografía de un bebé en una mujer embarazada, habrás notado que la imagen muestra las características del feto. Este es un ejemplo del uso de las ondas ultrasónicas en medicina.

Las ondas ultrasónicas utilizan un principio similar al del sonar: la reflexión. Se emplea un dispositivo llamado transductor para generar y recibir ondas sonoras que tienen una frecuencia cientos de veces mayor que el límite superior de la audición humana. Las ondas sonoras se reflejan parcialmente en los límites de los distintos tejidos del cuerpo humano. El transductor recibe las ondas reflejadas y las transforma en una señal digital que se visualiza como imagen. Los distintos tejidos y estructuras corporales reflejan las ondas en diferentes direcciones y con distintas amplitudes. El resultado es una imagen de la estructura de interés (tejido, órgano, etc.).

La siguiente imagen es un ejemplo de las producidas por ultrasonidos:

Fig. 3 Para obtener una ecografía, se envía un pulso de ultrasonido al cuerpo; las variaciones en la intensidad del pulso reflejado se utilizan para crear esta imagen.

• Las ondas de ultrasonido de frecuencias más bajas pueden penetrar a mayor profundidad en los tejidos, pero el detalle de la imagen resultante es menor.
• Las ondas de ultrasonido de mayor frecuenciano pueden penetrar tan profundamente, sin embargo, proporcionan una imagen con mayor resolución.

Podemos determinar la profundidad del límite entre los tejidos por debajo de la superficie de la piel, utilizando la ecuación que hicimos para el sonar; es decir, \[ r=\dfrac{vt}{2}\]

Donde:

• \( v\) es la velocidad de la onda de ultrasonido.
• \( t\) es el tiempo total que tarda la onda en ser emitida y recibida por el transductor.
• \(r\) es la profundidad del límite del tejido.