Reflexión y refracción del sonido

De Wikillerato

Revisión de 08:25 4 dic 2008

Para el fenómeno físico general, véase Reflexión y refracción

Para el fenómeno lumínico, véase Refracción de la luz

Reflexión del Sonido

Cuando el sonido se refleja sobre un obstáculo fijo, una pared por ejemplo, el módulo de la velocidad se conserva.

En la propagación del sonido, se cumplen también las leyes de la reflexión de las ondas, es decir, î = ^r, que ya se han visto sobre la superficie del agua y que se ven al estudiar la óptica geométrica. Sólo que aquí no las vemos, pero sí las percibimos, sobre todo, en tanto que la longitud de onda de la vibración reflejada sea inferior a la mayor de las dimensiones del objeto plano sobre el que se refleja.

Si observamos lo que ocurre en una sala de conciertos, en las que una puerta estuviera entreabierta, no podríamos oír los compases de un violín, o de cualquier solista, más que desde unas posiciones determinadas, que estarán en la dirección del rayo sonoro reflejado.

CONSECUENCIAS Y APLICACIONES

Eco

Todo el mundo, desde la infancia sabe lo que es el eco. Este fenómeno es debido a la reflexión de ondas sonoras sobre un obstáculo de grandes dimensiones, como una pared de una gran sala -sin la presencia de absorbentes del sonido- una barrera rocosa, o una hilera cerrada de árboles.

Cuando los rayos sonoros que parten del emisor alcanzan casi perpendicularmente el plano reflector, éste reenvía un breve sonido hacia el emisor. Si admitimos que la persistencia de percepciones sonoras por el oído, después de haberse extinguido su causa, es del orden de una milésima de segundo, 0,1 s, la distancia mínima, L, entre el emisor y el muro reflector que produce el eco debe ser tal que 2L debe ser recorrida por la onda sonora en 0,1 s. Dado que la velocidad del sonido en el aire, a las temperaturas de trabajo, es alrededor de 340 m s^-1, el eco se puede producir con distancias L > 17 m.

En las salas de conciertos o de ópera, la distancia entre los solistas o los maestros, es mayor, pero la arquitectura de las salas debe estar diseñada para que el sonido sea absorbido por las paredes, de modo que el volumen de la sala figure como un espacio abierto, el cual tampoco debe exceder de unos treinta metros para que las voces de los solistas se escuchen con suficiente potencia y nitidez.

La arquitectura de la sala debe reunir dos condiciones en parte contradictorias:

• Un buen reparto en toda la sala de los sonidos que parten de la escena
• Un tiempo de reverberación bien definido. La reverberación es la prolongación del sonido percibido desde la sala una vez que la fuente sonora se haya “callado”, como resultado de múltiples reflexiones no simultáneas sobre los planos de diferentes muros.

Una sala de conciertos necesita de un tiempo de reverberación bastante largo (del orden de 2 segundos) para que el sonido tome suficiente esplendor. Sin embargo, una sala de teatro no puede tener un tiempo de reverberación superior a 1 segundo. El tiempo de reverberación se puede precisar con materiales absorbentes tales como paneles alveolados, cortinajes, alfombras,….)

Cuando la arquitectura de la sala no fue concebida para escuchar música, tales como las catedrales o muchas iglesias que se utilizan como salas de conciertos, el tiempo de reverberación es, a veces, más prolongado. Se conocen ejemplos de buen diseño arquitectónico, tales como la Sala de Conciertos de Cuenca, o la Sala Dorada de Viena, entre otros.

Conchas

Para mejorar la audición de la palabra y de la música, actualmente se construyen reflectores elípticos cuya forma recuerda a de algunas conchas de moluscos abiertas. El fondo del altavoz se encuentra situado en el foco F de un elipsoide de revolución hueco y cuya superficie esta perfectamente pulida. Una de las propiedades de la elipse es que si trazamos sendas rectas hacia los Focos, F y F´ de la elipse desde cualquier punto P perteneciente a la cónica, esas rectas forman ángulos iguales con la normal a la elipse en P. En consecuencia, todo rayo sonoro FP que incide sobre la elipse en P, se refleja pasando por el segundo foco F´.

El altavoz se coloca de tal modo que su eje de simetría coincide con el eje FF´de la elipse, de tal modo que la energía emitida por la concha queda contenida en un cono cuyo vértice es F´. Un dispositivo como este produce un efecto director importante y permite a un oyente localizar el foco emisor mucho mejor que con un altavoz normal, pudiendo además de eliminar reflexiones parásitas si colocamos la “concha” con una orientación favorable.

La bóveda de los teatros de ópera o de las salas de conciertos tienen forma elipsoidal.

También las antiguas conchas de los apuntadores de teatro se basaban en este principio, su voz quedaba en escena sin que los espectadores pudieran oírles.

Localización de submarinos, barcos hundidos y bancos de pescado

Se producen ondas sonoras de alta frecuencia, llamadas ultrasonidos porque no las percibe el oído, desde un emisor colocado bajo la quilla del navío. La elevada frecuencia asegura una concentración de la energía en un cono estrecho. Si las ondas encuentran un obstáculo en su camino, las ondas reflejadas son captadas por un receptor, cuya orientación con relación al emisor se puede modificar. La emisión de una breve sonda y su retorno se registran en un osciloscopio, obteniendo así el tiempo del recorrido de las ondas. Se obtiene la posición del submarino o del pecio en profundidad y dirección. También es de muy útil aplicación en la localización de bancos de peces.

Este dispositivo se llama Sonar. El emisor, dirige ultrasonidos en el agua de mar de una frecuencia del orden de 50 000 Hz y una longitud de onda de 3 cm, lo cual permite localizar los bancos de peces incluso estimar si el tamaño de los peces está dentro de la ley. Un solo pez, refleja una parte inapreciable de la onda incidente emitida por el Sonar, por el contrario, un banco formado por varios miles de peces forma una barrera que refleja las ondas y el eco que producen es percibido por el receptor del sonar.

Refracción del Sonido

La refracción es el cambio de dirección que experimenta una onda al pasar de un medio a otro. Sólo se produce si la onda incide oblicuamente sobre la superficie de separación de los dos medios y si éstos tienen índices de refracción distintos.

La refracción se origina en el cambio de velocidad que experimenta la onda. El índice de refracción es precisamente la relación entre la velocidad de la onda en un medio de referencia (el vacío para las ondas electromagnéticas) y su velocidad en el medio de que se trate.

Un ejemplo de este fenómeno se ve cuando se sumerge un lápiz en un vaso con agua: el lápiz parece quebrado. También se produce cuando la luz atraviesa capas de aire a distinta temperatura, de la que depende el índice de refracción. Los espejismos son producidos un caso extremo de refracción, denominado reflexión total. Es un fenómeno que afecta a la propagación del sonido. Es la desviación que sufren las ondas en la dirección de su propagación, cuando el sonido pasa de un medio a otro diferente. A diferencia de lo que ocurre en el fenómeno de la reflexión, en la refracción, el ángulo de refracción ya no es igual al de incidencia.

La refracción se debe a que al cambiar de medio, cambia la velocidad de propagación del sonido. La refracción también puede producirse dentro de un mismo medio, cuando las características de este no son homogéneas, por ejemplo, cuando de un punto a otro de un medio aumenta o disminuye la temperatura.

Ejemplo: Sobre una superficie nevada, el sonido es capaz de desplazarse atravesando grandes distancias. Esto es posible gracias a las refracciones producidas bajo la nieve, que no es medio uniforme. Cada capa de nieve tiene una temperatura diferente. Las más profundas, donde no llega el sol, están más frías que las superficiales. En estas capas más frías próximas al suelo, el sonido se propaga con menor velocidad.

Sólo las ondas armónicas tienen el módulo de la velocidad bien determinado en un medio dispersivo. En un medio de estas características, cualquier otra vibración, no armónica, se deforma al propagarse.

En la frontera de un medio propagador, tal que la superficie de un tabique, hay siempre reflexión y refracción parciales. Una parte de la energía sonora se refleja sobre la pared, conforme a las leyes de reflexión de ondas esféricas sobre una superficie plana, cumpliéndose para cada rayo sonoro incidente la igualdad de los ángulos de incidencia y de reflexión.

Pero hay otra parte de la energía sonora que se refracta en la pared, y que también la absorbe, y de la que sólo transmite una pequeña fracción a la habitación contígua tras una nueva reflexión y refracción parciales.

Utilizando los materiales adecuados, el sonido puede ser totalmente absorbido y no molestar a los vecinos.