En primer lugar mi saludo respetuoso para toda la comunidad académica y científica de Hive.blog, seguimos con el vínculo entre la acústica y la geometría, es decir, la acústica geométrica.

Introducción

Nuestra existencia se encuentra influenciada por cualquier fenómeno que se desarrolla en nuestro entorno natural, dichos fenómenos nos han permitido moldear nuestro estilo de vida ya que como hemos expresado en las anteriores entregas, el hombre ha extraído de la naturaleza cualquier tipo de aprendizaje y el mismo lo ha implementado para darle longevidad a su permanencia en este muy complejo pero esplendido universo.

Entre los fenómenos que son esenciales para el entendimiento antes planteado, sin lugar a duda, encontramos al sonido, acompañado de otros fenómenos como el de la luz y el movimiento, por lo tanto, podríamos decir que sin ellos no sería posible la existencia de ninguna especie en el universo e inclusive el universo mismo.

Dada la importancia del sonido en nuestras vidas es esencial su estudio desde cualquier punto de vista, hasta ahora hemos comprendido la generación del mismos a través de la vibración de las partículas componentes de un determinado cuerpo u objeto, por lo tanto, sin vibración no existe sonido, y además resaltando el hecho de que dicho fenómeno se propaga mediante ondas sonoras longitudinales de presión y que su desplazamiento sólo es posible a través de un medio material o elástico, como el aire, líquidos y sólidos, en el vacío no se propaga.

En las anteriores entregas relacionadas a esta serie temática pudimos abarcar aquellos fenómenos desarrollados al momento de la propagación de los frentes de ondas sonoras y a dichos frentes de ondas los hemos relacionados según la teoría geométrica como un conjunto de rayos sonoros, considerando así su propagación en líneas rectas y de manera perpendicular o normal a los frentes de ondas a los cuales representa.

Con la conceptualización antes descrita, pudimos analizar a los fenómenos intrínsecos a la propagación de los rayos sonoros tales como el de la reflexión, absorción, transmisión, difracción y el de la refracción, los mismos originados al momento de encontrar cualquier obstáculo en el camino o trayectoria a dicha propagación, y además de gran interés para entender el comportamiento del sonido para sus debidas aplicaciones en diversas actividades nuestras tal y como lo pudimos observar en las anteriores entregas.

En esta oportunidad nos relacionaremos con el espectro acústico o sonoro, esto con la finalidad de poder visualizar los rangos de frecuencias para cada sonido, un espectro de frecuencia nos es más que la asignación de amplitudes para determinadas frecuencias de un fenómeno ondulatorio, en donde, encontramos al fenómeno de la luz y por supuesto al sonido.

Al describir el espectro acústico o sonoro nos relacionaremos con el rango audible para los seres humanos, analizaremos de manera general a nuestro oído y la forma de captar a los rayos sonoros emitidos por una determinada fuente bien sea artificial o natural.

Espectro Acústico o sonoro

Al relacionarnos con el fenómeno del sonido nos estamos vinculando con el reconocido movimiento ondulatorio, y este movimiento de igual forma es desarrollado por el fenómeno de la luz, diferenciándose ambos en el tipo de ondas que los transporta, el sonido por medio de ondas mecánicas como las sonoras y la luz por ondas electromagnéticas, y estas últimas tienen la capacidad de propagarse hasta por el vacío, y como hemos expresado las ondas sonoras longitudinales de presión no pueden viajar a través del vacío.

Tanto la luz como el sonido tienen una fracción espectral que el cuerpo humano puede captar a través de algunos de sus sentidos, es decir, nuestros sistemas ópticos naturales (ojos) y nuestros sistemas auditivos naturales (oídos) respectivamente, pero existen otras fracciones espectrales no percibidos por los sentidos antes mencionados, en relación a la luz nos encontramos por nombrar un ejemplo a los rayos infrarrojos, y en relación al sonido podemos mencionar a la fracción correspondiente al infrasonido, ambas fracciones por debajo de nuestra capacidad de poderlos percibirlos a través de los dos sentidos antes descritos.

Con la finalidad de seguir profundizando en lo antes descrito podemos decir que las demarcaciones de cada fracción espectral es en relación a la longitud de ondas correspondientes a cada manifestación tanto de rayos luminosos como de rayos sonoros, y ya hemos expresado que dicha longitud de onda se encuentra vinculada con su frecuencia, por ejemplo, a mayor longitud de onda menor será la frecuencia y viceversa.

Todo lo antes planteado nos permite estructurar el espectro de un determinado fenómeno ondulatorio como el sonido, y por lo tanto, el espectro acústico o sonoro como pueden observar a continuación en la siguiente figura 1.

Al observar la figura 1, nos relacionaremos con la fracción espectral audible para nuestros oídos el cual como notamos se encuentra entre el rango de 20 a 20.000 Hz, también visualizamos a sub-espectros del rango audible para los seres humanos, es decir, los sonidos graves, agudos y medios, determinados según su frecuencia, es importante que recordemos que el número de ondas que logran cruzar por un determinado punto en un segundo es llamado frecuencia, y cuya unidad de medición es el hercio o Hertz (Hz).

En nuestra primera entrega realizamos una maravillosa experiencia práctica, en donde, pudimos ser testigos de la generación de sonidos uno más agudos que otros o viceversa, mediante la vibración de las partículas componentes de unas copas, ahora sabemos que esta distinción de sonido dependen de su frecuencia, por lo tanto, cuando tenemos bajas frecuencias y en consecuencia vibraciones lentas, podemos decir que estamos en presencia de un sonido que denominamos como grave, cuyo rango se encuentra entre 20 a 500 Hz, cuando la frecuencia va en aumento, es decir, más alta y cuyas vibraciones son aceleradas los rayos sonoros entran en el rango del sonido agudo, es decir, entre 2000 a 20000 Hz, un sonido medio su rango se encuentra entre 500 a 2000 Hz.

Una determinada fuente artificial o natural puede emitir sonidos agudos o graves esta propiedad determina una importante cualidad del sonido como lo es la altura, a continuación observaremos como al aumentar la frecuencia de una determinada fuente de sonido será más agudo o viceversa como pueden observar a continuación en la siguiente figura 2.

Al observar la figura 2, y compararla con nuestro espectro de frecuencia sonoro podemos notar que las tres primeras frecuencias de arriba hacia abajo (110, 220, y 440 Hz) corresponden a la sub-fracción de sonidos graves y la cuarta frecuencia (880 Hz) a la de sonido medio o intermedio, pero si comparamos cada frecuencia una con la otra en el mismos orden antes descrito, podemos notar que se hacen cada vez más agudas ya que disminuye la longitud de onda y con ello aumenta la frecuencia y en consecuencia las vibraciones son cada vez más veloces, es decir, la frecuencia de 880 Hz emite sonido más agudo que la frecuencia de 110 Hz.

El oído humano y el sonido

Ya nos hemos relacionado con una parte de nuestro cuerpo al momento de la generación del sonido, como lo son nuestras cuerdas vocales y su movimiento vibratorio, ahora nos relacionaremos con nuestros sistemas auditivos naturales como son nuestros oídos, y además observaremos como ellos logran captar a determinados rayos sonoros al momento de viajar por un medio material o elástico como el aire, por colocar un ejemplo, para ello es importante poder observar la siguiente figura 3.

Con la anterior figura 3, pudimos observar cada uno de los componentes tanto externo, medio e interno de nuestro oído, cada uno cumpliendo con esenciales funciones para llevar a dichas ondas o rayos sonoros a nuestro cerebro, de manera general podemos decir que al referirnos a la parte externa de nuestro oído nos encontramos con aquellos elementos que podemos ver y en donde también tenemos al canal auditivo externo.

Cuando los rayos sonoros se propagan desde una fuente sonora por el aire u otro medio material o elástico hasta nuestros oídos, en primer lugar pasan por el ya mencionado canal auditivo hasta llegar al tímpano, este último es una membrana flexible, la cual entra en vibración (Foco secundario si se trata de un sonido directo) al momento de entrar en contacto con los rayos sonoros, y tiene que ser de esta manera para poder transmitir el sonido recuerden que sin vibración no existirá sonido.

Luego de estas partes externas, nos encontramos con los elementos del oído intermedio, ambas secciones como pueden observar en la anterior figura 3, separadas por el tímpano, es importante destacar que el oído medio constituye un espacio lleno de aire y en cuyo interior podemos encontrarnos con tres fundamentales elementos denominados o llamados, martillo, yunque y estribo, de forma general son conocidos como huesecillos, estos pequeños elementos o huesecillos funcionan como enlace o puente desde el tímpano hacia la parte del oído interno, por lo tanto, fundamentales para seguir trasladando las vibraciones o perturbaciones captadas desde el exterior.

Como pueden observar de la figura 3, la parte interna de nuestro oído posee forma de concha de caracol y además también podemos ver como tienen varias membranas las cuales poseen líquido en su interior, es importante resaltar que cuando los pequeños huesecillos llevan el sonido hacia la ventana oval, el líquido antes mencionado vibra (el líquido constituye un medio material para la propagación del sonido, y en este el sonido se refracta) logrando estimular a las células nerviosas de nuestro oído interno, y de esta manera se envían oscilaciones o impulsos eléctricos por medio de los nervios auditivos hacia nuestro cerebro, dichos impulsos o estímulos son interpretados por nuestro cerebro como sonidos.

Todo lo anterior expresado es de manera general, ya que lo hemos enfocado desde el punto de vista de la propagación de los rayos sonoros emitidos por una determinada fuente bien sea natural o artificial, y que al impactar con nuestros oídos dichos rayos sonoros hacen vibrar cada elemento destinado a la propagación de dichas ondas hacia nuestro cerebro, a continuación disfrutaremos de la generación del sonido de forma natural y el mismo captado por nuestros sistemas auditivos naturales (oídos) como pueden observar en la siguiente figura 4 (imagen gif).

Figura 4. Cuerdas vocales y el oído humano

En la anterior figura 4, pudimos observar la importancia del fenómeno del sonido en nuestras vidas, ya que el mismo representa una de las formas de comunicación y además nos permite captar auditivamente cada uno de los sonidos emitidos por nuestro maravilloso entorno, los mismos de origen tanto natural como artificial, unos con longitudes de ondas perceptibles a nuestros oídos y otros no, pero de esto estaremos profundizando en las próximas entregas de esta serie temática.

Conclusión

Seguimos demostrando que el fenómeno del sonido a formado parte intrínseca de nuestra existencia, razón por la cual, nuestro interés hacia el mismo se ha incrementado exponencialmente al transcurrir de nuestra historia, en las anteriores entregas pudimos conocer de manera general a los fenómenos originados durante el proceso de la transmisión del sonido, tales como, reflexión, absorción, transmisión, difracción y refracción, y los mismos de gran importancia para entender el comportamiento de dicho fenómeno en términos generales.

Constantemente nuestros oídos pueden llegar a captar gran diversidad de sonidos, unos más agudos que otros, esto ha permitido clasificar a los mismos de diferentes formas, en este caso lo analizamos desde el punto de vista de sus longitudes de ondas y en consecuencia con sus respectivas frecuencias.

En las anteriores entrega habíamos nombrado de manera general a estos tipos de sonido como los agudos y graves, pero en esta oportunidad pudimos conocer sus rangos medidos en Hertz, de esta manera podremos saber con mayor certeza del tipo de sonido al conocer su frecuencia, resaltando de manera cualitativa que a menor longitud de ondas mayor será su frecuencia y con ello las vibraciones serán más rápidas y así el sonido transmitido se encontrara en la sub-fracción espectral de los sonidos agudos, de esta manera podemos hacer para los sonidos graves, pero en sentido contrario en relación a su longitud de ondas (mayor) y así menor frecuencia.

En esta oportunidad nos relacionamos con nuestra fracción espectral audible para nuestro oídos, en las próximas entregas nos vincularemos con un tipo de sonido que no podemos captar a través de nuestros oídos como lo es el infrasonido, nos relacionaremos con algunas de sus aplicaciones en nuestras actividades, y por supuesto con su rango o intervalo de frecuencia.

Hasta otra entrega mis apreciados lectores de Hive.blog, en especial a los miembros de las comunidades de #STEM-Espanol, los cuales reciben el apoyo de la comunidad de #stemsocial, por lo cual recomiendo ampliamente formar parte de este maravilloso proyecto, ya que nos permiten resaltar la gran tarea de la academia y el gran esfuerzo que realiza constantemente el campo de la ciencia.

Nota: Todas las imágenes son de mi autoría y fueron elaboradas usando Power Point y los gifs animados fueron elaborados con la aplicación de PhotoScape.

Referencias Bibliográficas

[1]Charles H. Lehmann. Geometría analítica

[2]Juan José Sendra Salas. Acústica gráfica. 1992.

[3]Andres Camacho García. Procesado Tiempo-Frecuencia: Aplicación de la percepción humana del sonido. UNIVERSIDAD POLITECNICA DE VALENCIA

[4]Ricardo Estellés Díaz. Acústica Física. 2007.