Los ultrasonidos y sus aplicaciones

Los humanos solo podemos escuchar sonidos cuyas frecuencias se encuentren entre 20 y 20.000 Hz. Al menos en teoría, ya que la realidad nos muestra que, sobre todo en los tonos más agudos, las frecuencias audibles no alcanzan esos límites y, además, decaen con la edad: los adolescentes no suelen tener problema en escuchar sonidos de 19.000 Hz, a partir de los 25 la cota superior se sitúa en torno a los 17.000 Hz, los treintañeros irán notando como esa cifra desciende hasta los 15.000 Hz y pasando los 45 años, la cosa no mejora… Esta merma auditiva se debe a la disminución, con el paso de los años, del número de células ciliadas que hay en la cóclea (responsables de la conversión del impacto de las ondas sonoras en un impulso nervioso que se transmite al cerebro).

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Las personas pueden oír sonidos comprendidos entre 20 y 20.000 Hz, como máximo. Puedes comprobar tu rango de audición en este link.

Esta limitación que tienen los humanos, debido a la propia estructura y tamaño del oído, no significa que no haya ondas sonoras con frecuencias mayores o menores que las mencionadas. Las ondas sonoras con frecuencia inferior a 20 Hz se conocen como infrasonidos, mientras que las de frecuencia superior a 20.000 Hz se denominan ultrasonidos. Hay animales que sí están capacitados para percibir estas frecuencias y algunos, incluso, son capaces de producirlos y emplearlos para orientarse, comunicarse y detectar obstáculos o alimentos.

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Rango de frecuencias audibles en diferentes especies

Para entender de qué manera esto les sirve de ayuda debemos recordar que las ondas sonoras que emiten se pueden reflejar en las superficies con las que chocan, por lo que el tiempo que tardan en volver les permite estimar distancias y localizar cualquier tipo de objetos. Los murciélagos, los delfines las ratas y algunos insectos utilizan y se comunican mediante ultrasonidos. Por el contrario, los elefantes, las ballenas y algunas aves lo hacen a través de infrasonidos.

ultrasonidos

De un modo similar funciona el sónar (acrónimo de sound navigation and ranging), desarrollado durante la Primera Guerra Mundial para la detección de submarinos, aunque hoy tiene otros muchos usos (estudios geológicos y oceanográficos, detección de bancos de peces…). En esencia, el sónar emite ultrasonidos que se reflejan en el fondo del mar o en algún obstáculo, de manera que el tiempo que se tarda en captar el eco permite calcular la distancia entre ambos y, tras sucesivas mediciones, deducir la trayectoria y determinar su velocidad. El radar (acrónimo de radio detection and ranging) también comparte estos principios, aunque emplea ondas electromagnéticas en lugar de sonoras.

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Los ultrasonidos también tienen aplicaciones médicas, como en las ecografías, que permiten crear una imagen de ciertas estructuras y órganos internos. Para ello, el emisor de ultrasonidos (denominado transductor) se encarga también de captar los ecos ultrasónicos, que son registrados e interpretados informáticamente, ofreciendo una imagen de la parte del cuerpo estudiada. Son empleados de manera rutinaria en el seguimiento de los embarazos o en cardiología. Actualmente se han extendido las ecografías en 3D, en las que se hace incidir ultrasonidos en diferentes ángulos, y en 4D, con imágenes en movimiento que reproducen tomas sucesivas tomadas muy rápidamente.

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Otro ejemplo de aplicación médica es la litotricia, que emplea ultrasonidos de alta energía pero corta duración (ondas de choque) para fragmentar cálculos renales y biliares, de modo que se evita la intervención quirúrgica de quien los padece.

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Los ultrasonidos también son de utilidad en los laboratorios (baños de ultrasonidos), ya que las ondas sonoras de presión provocan la formación de pequeñas e inestables burbujas en los líquidos (fenómeno de cavitación), que favorecen ciertas reacciones (sonoquímica) o facilitan la limpieza de materiales de vidrio.

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Actividad de consolidación

En este video se resuelve un ejercicio en el que se comparan las longitudes de onda de infrasonidos y ultrasonidos, y se calcula la profundidad del mar utilizando un sónar.

¿Cómo se produce el eco?

El sonido, como cualquier otra onda, tiene la capacidad de reflejarse cuando encuentra un obstáculo. Las vibraciones de la onda sonora se transmiten al material con el que choca, de manera que éste las devuelve al medio del que proceden.

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Nosotros no solemos percibir esa nueva onda, bien porque el espacio es muy abierto y la reflexión no llega a producirse, bien porque la onda sonora reflejada llega a nuestro oído prácticamente al mismo tiempo que la onda original.

El oído humano es capaz de distinguir dos sonidos consecutivos si entre ellos hay, como mínimo, una diferencia de una décima de segundo.

Si consideramos que la onda sonora emitida y la reflejada llegan a nuestro oído separadas por este intervalo de tiempo, la distancia que ha recorrido el sonido es de 34 metros, suponiendo su movimiento uniforme a una velocidad constante de 340 m/s (en el aire a 20 ºC):

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Según estos cálculos, si un sonido es percibido en un determinado instante, y luego es reflejado y llega de nuevo al oído, será detectado como un sonido diferenciado del primero si en el intervalo de tiempo que hay entre uno y otro (que debe ser, como mínimo, de 0’1 s) ha recorrido, al menos, 34 metros. En estas circunstancias se dice que se ha producido eco.

El eco es un fenómeno acústico que se produce cuando a un receptor llegan tanto la onda emitida como la reflejada, con una separación tal que permite detectarlas como dos sonidos diferenciados. 

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Como el sonido recorre 34 metros para que se produzca eco, la distancia a la que se encuentra el obstáculo que produce la reflexión debe ser de 17 metros, ya que su recorrido es de ida y vuelta. Esta es la distancia mínima necesaria para que se detecte el eco. Si la distancia es menor, se produce otro fenómeno que se conoce como reverberación.

La reverberación consiste en la superposición de una onda sonora con su onda reflejada, provocando una mayor permanencia (duración) del sonido.

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La reverberación hace que en un local vacío, las ondas sonoras reboten en las paredes, superponiéndose entre sí, creando un efecto que desdibuja y alarga el sonido, modificando sus cualidades y perdiendo nitidez. Este efecto ha de tenerse en cuenta en recintos cerrados, como cines, teatros o auditorios, que requieren una buena acústica, de manera que su diseño arquitectónico y los materiales empleados minimicen la reverberación.

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La reflexión de las ondas sonoras resulta muy útil para la orientación y la comunicación de algunos animales (murciélagos, delfines, ballenas…) y tienen interesantes aplicaciones tecnológicas.

¿En qué consiste la resonancia?

Una de las atracciones imprescindibles de cualquier parque infantil es el columpio. Cuando los niños son pequeños, necesitan que los papás los empujen para conseguir que el columpio mantenga el movimiento. Con el tiempo, el niño aprende el truco y se da cuenta de que él mismo puede mover su cuerpo para conseguir balancearse sin ayuda. Con un poco de práctica, y eligiendo el momento adecuado para dar el impulso, la altura que se alcanza es cada vez mayor. La energía suministrada no sólo mantiene las oscilaciones, contrarrestando el rozamiento, sino que es capaz de aumentar progresivamente la amplitud de esos movimientos.

columpio_experimental

Lo mismo que ocurre en el columpio, se podría aplicar a cualquier cuerpo que oscila o vibra en torno a una posición de equilibrio. Las pérdidas de energía causadas por fuerzas disipativas amortiguan su movimiento, y hacen falta fuerzas impulsoras que permitan mantenerlo y que pueden, incluso, amplificarlo.

Todos los materiales están constituidos por partículas que se comportan como pequeños osciladores, que poseen una frecuencia de vibración propia o natural característica. Si sobre un cuerpo actúa una fuerza impulsora con una frecuencia igual a su frecuencia natural (y no hay desfase entre ellas), sus partículas vibrarán con la amplitud máxima posible. Este fenómeno se conoce como resonancia (mecánica).

Para cada sistema oscilante existe una frecuencia de resonancia para la cual la amplitud de la oscilación es máxima y, en esta situación, se dice que el oscilador está en resonancia.

El incremento de amplitud por resonancia puede ser realmente grande, como ocurre cuando una copa estalla por la acción de una onda sonora:

copa-resonancia

El sonido que lo provoca debe tener una frecuencia igual a la frecuencia de vibración natural del cristal (que se corresponde con la nota que emite la copa cuando se la hace sonar deslizando un dedo húmedo por su borde). Sin embargo, esto no ocurre fácilmente, aunque puede lograrse si, además, se emplean intensidades sonoras grandes y copas de cristal delgadas, que amortiguan menos la vibración:

El fenómeno de resonancia también ocurre cuando se toman dos diapasones capaces de emitir un sonido de la misma frecuencia y colocados próximos el uno del otro. Al hacer vibrar uno de ellos, las ondas sonoras que genera llegan al otro diapasón, y como la frecuencia de vibración coincide, éste comienza a emitir, espontáneamente, el mismo sonido.

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Muchos instrumentos disponen de una caja de resonancia que tiene la misión de amplificar el sonido. De la misma manera actúan el tórax y ciertas cavidades de la cabeza, que son resonadores de la voz humana y cuyo efecto manejan con gran maestría los buenos cantantes, especialmente líricos.

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La resonancia puede tener efectos negativos en determinadas construcciones, por lo que debe ser tenida en cuenta en los cálculos de ingeniería. Tradicionalmente, los militares rompen el paso al cruzar un puente para evitar que la vibración pueda ocasionar daños, aunque las estructuras de hoy en día son lo suficientemente resistentes como para que esto no ocurra. La resonancia también ha sido relacionada con el derrumbe del puente de Tacoma (EEUU), en 1940, que quedó registrado en vídeo:

Al parecer, aunque es una versión muy extendida, el colapso estructural del puente no se debió a la resonancia, sino a un efecto aerodinámico provocado por el viento conocido como flameo. Eso sí, las imágenes no dejan de ser espectaculares y nos dan una idea de lo que hemos querido explicar con todo lo anterior.

Las cualidades del sonido

Cuando hablamos de sonido nos referimos a la interpretación sensorial que realizamos de las vibraciones mecánicas que se propagan en nuestro entorno y llegan hasta nuestros oídos. El proceso de audición nos permite identificar los sonidos según sus características o cualidades: el tono, la duración, la intensidad y el timbre.

El tono: sonidos agudos o graves

El tono es una cualidad del sonido asociada a su frecuencia. Los sonidos agudos son aquellos que tienen una frecuencia alta (por lo que a veces se habla de sonidos altos), mientras que los sonidos graves son los de baja frecuencia (también llamados sonidos bajos).

La frecuencia es el número de vibraciones por unidad de tiempo. Se mide en hercios (Hz).

ondas frecuenci

El oído humano es capaz de percibir sonidos en un intervalo de frecuencias que abarca desde los 20 a los 20.000 Hz. Las ondas sonoras con una frecuencia por debajo de 20 Hz se conocen como infrasonidos y las de frecuencia superior a 20.000 Hz se denominan ultrasonidos.

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Algunos animales, como los delfines o los murciélagos, son capaces de emitir y oír ultrasonidos.

En música, las notas musicales identifican los sonidos que poseen una determinada frecuencia:

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Frecuencia de las notas de la octava central. Las frecuencias de la octava superior son exactamente el doble, y las de la octava inferior, la mitad.

Actualmente, se emplea la frecuencia de la nota La, 440 Hz (medida a 20 ºC), como estándar de referencia en la afinación de los instrumentos musicales.

La duración: sonidos largos o cortos

La duración es el tiempo que se prolonga un sonido, es decir, se mantiene la vibración que lo produce. En música, se relaciona con las diferentes figuras musicales:

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La duración de una “redonda” es igual a la de dos “blancas”, cuatro “negras”, ocho “corcheas” o dieciséis “semicorcheas”

La intensidad: sonidos fuertes o débiles

La intensidad es la cualidad que nos permite identificar los sonidos como fuertes o débiles y está directamente relacionada con la intensidad del movimiento ondulatorio, es decir, con la energía que transporta la onda por unidad de superficie y por unidad de tiempo. Esta intensidad es proporcional al cuadrado de la amplitud.

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El oído humano es capaz de percibir sonidos a partir de una intensidad de 10–12 W/m2, que se conoce como umbral de audición. Cuando la intensidad es mayor que 1 W/m2, la sensación se vuelve dolorosa y se rebasa el umbral del dolor.

La percepción subjetiva (fisiológica y psicológica) del sonido no mantiene una relación de proporcionalidad con la intensidad. Para que una persona aprecie que el volumen de un sonido es el doble que el de otro, la intensidad del mismo debe ser diez veces mayor. Por tanto, la relación entre la intensidad de un sonido y la sensación percibida (o sonoridad) es logarítmica:

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En el umbral de audición la sonoridad es de 0 dB, mientras que en el umbral del dolor es de 120 dB. Valores superiores pueden producir la rotura del tímpano.

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La percepción subjetiva del sonido depende de la intensidad de un sonido, pero también de su frecuencia, su amplitud y otras variables, como pueden ser la sensibilidad del oído de quien escucha y de la duración del sonido.

El timbre: sonidos de fuentes diferentes

El timbre es la cualidad que nos permite distinguir dos sonidos de la misma intensidad y la misma frecuencia. Por ejemplo, nos permite distinguir el sonido de una trompeta y un violín aunque emitan la misma nota con la misma intensidad.

Los sonidos suelen ser el resultado de una superposición de varias ondas sonoras simultáneas, de diferentes características. Según sea la composición e intensidad de estos armónicos, las ondas tendrán una “forma” determinada, es decir, un timbre característico que permite distinguir unos sonidos de otros:

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Los jurados de los populares “talent shows” musicales de televisión a veces aluden al “color” de la voz de algún concursante. En realidad, se están refiriendo a los matices que hacen de su voz algo único y que, técnicamente, se corresponden con su timbre.

Actividad de consolidación

En este video se resuelve un ejercicio que se analiza la relación entre el tono y la frecuencia de un sonido con su longitud de onda.

La percepción del sonido: la audición

Cuando una onda sonora llega al oído, este convierte las variaciones de presión de la onda en impulsos nerviosos que son transportados al cerebro, el cual proporciona la sensación de sonido.

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De una manera resumida, en el oído pueden distinguirse tres partes diferenciadas:

  • El oído interno: es la parte visible, formada por el pabellón auditivo (oreja) y el conducto auditivo externo. Las ondas sonoras recogidas por el pabellón auditivo avanzan a través del conducto auditivo hasta el tímpano, una membrana circular (con un diámetro de 1 cm y un grosor de 0’1 mm, aproximadamente) que vibra con la misma frecuencia que las ondas sonoras que recibe.

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  • El oído medio: está separado del oído interno por el tímpano y consta de una cadena de osteocillos o huesecillos (martillo, yunque, lenticular y estribo) que amplifican (unas 60 veces) la vibración del sonido y la transmiten hasta la ventana oval. La presión en el oído medio se mantiene igual a la exterior gracias a la trompa de Eustaquio, que comunica con la parte superior de la faringe (nasofaringe).

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  • El oído interno: se conoce como laberinto y está formado por los canales semicirculares, el vestíbulo y el caracol (o cóclea), lleno de líquido linfático (endolinfa) a través del cual se transmiten las vibraciones que llegan a la ventana oval. En la cóclea se encuentran las fibras del órgano de Corti, que son células nerviosas ciliadas que transforman los estímulos mecánicos en impulsos eléctricos que viajan a través del nervio auditivo (o nervio vestibulococlear) hacia el cerebro (concretamente, en la corteza auditiva), donde son interpretados como sensaciones auditivas.

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En el siguiente video se explica todo lo anterior de manera resumida y didáctica: