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Aplicaciones de las ondas sonoras

Aplicaciones de las ondas sonoras

¡Las ondas pueden parecer interminables y siempre iguales, pero están lejos de ser aburridas! Todas las ondas que se desplazan llevan energía de un punto a otro; esta es una propiedad que ha interesado a inventores y científicos durante miles de años. La energía de las ondas puede utilizarse para comunicarse a larga distancia o, incluso, para promover la curación del cuerpo. Las aplicaciones de las ondas en la vida cotidiana son casi infinitas.

¿Qué es una onda?

Una onda es una perturbación en cualquier material o medio que se propaga (se mueve) de un lugar a otro.

Las partículas del medio vibran con un patrón específico predecible que puede estudiarse para encontrar las características de la onda.

Existen diferentes tipos de ondas, entre los que se destacan:

  • Ondas de sonido
  • Ondas de radio
  • Microondas
  • Ondas de agua
  • Ondas de luz...

Algunos de los componentes de una onda son:

  • La amplitud
  • La longitud de onda
  • El periodo
  • La frecuencia
  • La elongación
  • La fase.

Las ondas se pueden clasificar como longitudinales o transversales.

  • Una onda transversal es aquella que vibra perpendicularmente a la dirección de propagación; por ejemplo, las ondas electromagnéticas.
  • Por otro lado, las ondas longitudinales son aquellas con vibraciones paralelas a la dirección de propagación; por ejemplo, las ondas sonoras.

En este artículo hablaremos de las aplicaciones de las ondas sonoras.

Ondas sonoras

Las ondas sonoras son ondas longitudinales; es decir, las partículas de aire vibran en la misma dirección en la que se propaga la onda.

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.

Veamos algunas aplicaciones de este tipo de ondas.

Ejemplos de ondas sonoras

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.

Las ondas sonoras están formadas por zonas en las que las moléculas de aire están más juntas, lo que se denomina compresión.

Las zonas en las que las moléculas de aire están más separadas se denominan rarefacciones.

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

Aplicaciones de las ondas sonoras Estudio de ondas sonoras StudySmarterFig. 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). WikiCommons CC 1.0.

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.

La velocidad de cualquier onda \( v\) viene dada, en términos de su frecuencia \( f\) y su longitud de onda \( \lambda \), por la fórmula \(v = f \lambda\).

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.

El sonar es un acrónimo de Sound Navigation and Ranging (navegación y localización por sonido).

Se trata de la utilización de las ondas sonoras en el agua para detectar obstáculos submarinos (como las minas marinas) y objetos que están ocultos bajo la superficie del océano (por ejemplo, los submarinos).

Las ondas sonoras viajan a una velocidad aproximada de \(330 \,\,\mathrm{m/s} \) en el aire a temperaturas y presiones estándar; pero, a una velocidad aproximada de \(1500 \,\,\mathrm{m/s}\) a través del agua.

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:

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

La reflexión es una propiedad del movimiento de las ondas. Se produce cuando una onda que se mueve en un medio incide en un límite u obstrucción y rebota en ese límite, antes de volver a su medio original, en una dirección diferente.

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.

Aplicaciones de ondas sonoras Sonar StudySmarter

Fig. 2 El principio de funcionamiento de un sonar consiste en emitir una onda y recibirla tras ser reflejada por un objeto. El tiempo que tarda la onda en volver indica la distancia del objeto. Wikimedia Commons CC BY-SA 3.0.

Una embarcación estacionaria que flota en la superficie de un lago envía una onda sonora a través del agua directamente debajo de ella. La reflexión de la onda sonora se recibe \(0,10 \) segundos después. Suponiendo que la velocidad del sonido en el agua es \(1500\, m/s\), calcula la profundidad \( r\) del lago.

  • La velocidad del sonido en el agua es constante.
  • La onda sonora viaja en línea recta hacia abajo, se refleja en el lecho del lago y vuelve al barco en \( 0,10\) segundos.
  • La profundidad del lago puede calcularse utilizando el tiempo total de viaje de la onda dividido por dos.

Por lo tanto, la profundidad \(r \) del lago es

\[\begin{aligned} r&= \dfrac{vt}{2} \\ &= (1500 \, m/s)\times (0,10 \, s)/2 \\ &=75 \, m \end{aligned} \]

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:

Aplicaciones de las ondas sonoras Imagen de ultrasonido StudySmarterFig. 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. Wikimedia Commons CC 3.0

Las ondas de ultrasonido solo se reflejan parcialmente, porque algunas de las ondas pueden ser refractadas, dispersadas o absorbidas por el límite entre los tejidos.

  • 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 frecuencia no 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.

Aplicaciones de ondas sonoras - Puntos clave

  • Las ondas sonoras son creadas por las vibraciones de las moléculas de aire.
  • Los límites de frecuencia de la audición humana son de \(20 \,\,\mathrm{Hz}\) a \(20 \,\,\mathrm{kHz}\).
  • El sonido viaja más rápido por el agua (\(\approx 1500 \,\,\mathrm{m/s} \)) que por el aire (\( \approx 330 \,\,\mathrm{m/s}\)).
  • El sonar es ideal para la detección subacuática, debido a la alta velocidad del sonido a través del agua y al hecho de que puede recorrer mayores distancias.
  • El sonar se basa en la propiedad de reflexión de las ondas.
  • Si conocemos la velocidad del sonido en el agua \(v\), la distancia \(r \) a la que se encuentra un objeto subacuático puede calcularse mediante \(r= vt/2 \); donde \(t\) es el tiempo total que tarda la onda en ser emitida, reflejada y recibida.
  • Los ultrasonidos se basan en la propiedad de reflexión de las ondas, de forma similar al sonar.
  • En las imágenes por ultrasonidos, se utiliza un transductor para generar y recibir la onda.
  • La frecuencia de las ondas de ultrasonido es mucho más alta que el límite de frecuencia superior del oído humano.
  • Las ondas de ultrasonido se reflejan parcialmente en los límites de los tejidos.
  • Las ondas de ultrasonido de menor frecuencia pueden penetrar a una mayor profundidad y obtienen una peor resolución; mientras que las ondas de ultrasonido de mayor frecuencia no pueden penetrar tan profundamente, pero obtienen una mayor resolución.

Preguntas frecuentes sobre Aplicaciones de las ondas sonoras

Una onda es una perturbación en cualquier material o medio que se propaga (se mueve) de un lugar a otro. 


Algunos de los componentes de una onda son:

  • La amplitud
  • La longitud de onda
  • El periodo
  • La frecuencia
  • La elongación
  • La fase.

Existen diferentes tipos de ondas, como las ondas de sonido, las ondas de radio, las microondas, las ondas de agua y las ondas de luz, entre otras. 


Las ondas se pueden clasificar como longitudinales o transversales. 

Las ondas sonoras son ondas longitudinales; es decir, las partículas de aire vibran en la misma dirección en la que se propaga la onda.

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: se emplean ondas sonoras en el agua para detectar obstáculos submarinos (como las minas marinas) y objetos que están ocultos bajo la superficie del océano (por ejemplo, los submarinos). 

La reflexión es la propiedad del movimiento de las ondas que se produce cuando una onda que se mueve en un medio incide en un límite u obstrucción y rebota en ese límite antes de volver a su medio original en una dirección diferente.

Cuestionario final de Aplicaciones de las ondas sonoras

Pregunta

¿Cómo se crean las ondas sonoras?

Mostrar respuesta

Answer

Las ondas sonoras son partículas de aire que vibran en la misma dirección en la que se propaga la onda. 

Show question

Pregunta

¿Cuáles son los límites de frecuencia del oído humano?

Mostrar respuesta

Answer

\(20\,\,\mathrm{Hz}\) a \(2000\,\,\mathrm{Hz}\).

Show question

Pregunta

El sonido viaja más rápido por el aire que por el agua. ¿Verdadero o falso?

Mostrar respuesta

Answer

Falso.

Show question

Pregunta

¿Por qué el sonar es ideal para la detección bajo el agua?

Mostrar respuesta

Answer

Porque las ondas sonoras no se reflejan.


Show question

Pregunta

¿En qué propiedad del movimiento de las ondas se basa el sonar?

Mostrar respuesta

Answer

Reflexión.

Show question

Pregunta

¿En qué propiedad del movimiento ondulatorio se basan los ultrasonidos?

Mostrar respuesta

Answer

Difracción.

Show question

Pregunta

¿Qué se utiliza para generar las ondas sonoras de los ultrasonidos?

Mostrar respuesta

Answer

Transductor.

Show question

Pregunta

La frecuencia de las ondas de ultrasonido es mucho _____ que el límite superior de frecuencia de la audición humana.

Mostrar respuesta

Answer

mayor.

Show question

Pregunta

¿Qué ocurre con las ondas de ultrasonido en el límite entre los tejidos, que permite la obtención de imágenes?

Mostrar respuesta

Answer

Se reflejan parcialmente.

Show question

Pregunta

Las ondas de ultrasonido de menor frecuencia pueden penetrar a _____ profundidad que las ondas de mayor frecuencia.

Mostrar respuesta

Answer

mayor.

Show question

Pregunta

¿Qué es rarefacción?

Mostrar respuesta

Answer

Las zonas de las ondas sonoras donde las moléculas de aire están más separadas.

Show question

Pregunta

¿Qué es el espectro audible?

Mostrar respuesta

Answer

La gama de frecuencias del rango auditivo humano.

Show question

Pregunta

¿De qué se trata el sonar?

Mostrar respuesta

Answer

Se trata de la utilización de las ondas sonoras en el agua para detectar obstáculos submarinos (como las minas marinas) y objetos que están ocultos bajo la superficie del océano (por ejemplo, los submarinos).

Show question

Pregunta

Sonar es un acrónimo de ____________.

Mostrar respuesta

Answer

Sound navigation and ranging.

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