Las ondas que oímos… y las que no

Posted by noresnau on julio 9, 2013 · 2 comentarios 

Los humanos disponemos de un sistema completo de telecomunicaciones basado en ondas, muy potente y sofisticado. Lo llevamos integrado y aprendemos a usarlo desde muy pequeños. Se trata del habla, de la comunicación oral. Dominamos sus formas de modulación y demodulación, pero en absoluto somos conscientes de que estamos utilizando ondas. Ondas que, como apuntábamos en una entrada anterior, transmiten variaciones de presión. Sonido.

Características físicas del sonido

Hace ya unas semanas explicamos que el sonido es un fenómeno físico basado en ondas. Si en un punto tiene lugar una perturbación en la presión de un medio, las partículas (átomos o moléculas) que se ven directamente afectadas interaccionan con las partículas que las rodean (las empujan, tiran de ellas, etc). Estas partículas hacen otro tanto con las que están un poco más lejos de aquel punto inicial, y ésas con las siguientes… y así sucesivamente. De este modo se produce ese efecto de propagación de energía en todas direcciones. Se dice que el sonido es una onda longitudinal porque las partículas del medio que atraviesa vibran hacia adelante y hacia atrás en el sentido de la propagación, como se ve en la animación siguiente:

Propagación de una onda longitudinal por vibración de las partículas de un medio. En el centro aparece destacada una partícula en rojo.

Como sabrás, el sonido no sólo se propaga a través del aire, sino también a través de cualquier medio sólido, líquido o gaseoso: las paredes de tu casa, el agua, la mermelada, la atmósfera de cualquier otro planeta, etc. En cambio, a pesar de lo que muestran muchas películas, el sonido no se propaga por el espacio vacío, porque ahí no hay partículas que puedan vibran y afectar con ello a otras partículas. Vamos, que la mitad de los sonidos del siguiente vídeo (reactores, disparos, …) son físicamente imposibles, por muy, muy lejana que fuera la galaxia de marras:

Por esto de requerir un medio material para propagarse, se dice que el sonido es, además de una onda longitudinal, una onda mecánica.

Por otra parte, también te sonará que la velocidad de propagación del sonido depende del medio en cuestión. Como es el propio medio el que oscila con la onda, cuanto más denso y rígido sea (esto es, cuanto más apretados estén los átomos y las moléculas que lo componen), mayor velocidad. Así, el sonido viaja a través del aire a una velocidad en torno a los 340 m/s (1224 km/h), mientras que en el agua y el hierro se propaga 4 y 15 veces más rápido, respectivamente. Como los humanos hemos evolucionado fuera del agua, nuestros órganos de emisión y recepción de ondas sonoras se desarrollaron para funcionar bien dentro del aire, y está todo ajustado para aquellos 340 m/s. Fuera del aire ya cambia la cosa. Sin ir más lejos, dentro del agua oímos bastante mal y casi es mejor no intentar hablar.

Esto nos lleva al punto crucial de esta entrada: que la percepción humana tiene límites. Hay ondas que no podemos percibir… y que sin embargo existen y podemos aprovechar. Pero antes de hablar de esas ondas, conviene entender cómo funciona nuestro oído.

Percepción del sonido por el oído humano

Para poder acceder a la información que transporta una onda sonora –recuerda, con la forma que sea, no necesariamente una sinusoide– necesitamos un receptor que capte al menos parte de su energía. Si la onda transporta mucha energía (como cuando vemos fuegos artificiales desde cerca o cuando nos situamos al lado de un gran altavoz en una discoteca), podemos percibirla con el cuerpo entero, pero de ahí malamente sacamos información. Lo propio, obviamente, es percibir el sonido con el oído, un receptor natural de ondas de presión, que en nuestra anatomía viene acompañado de un emisor estupendo: el aparato fonador.

La captación de energía sonora corre a cargo de las orejas, que la concentran en el canal auditivo de camino a los respectivos tímpanos. Ahí, la energía sonora se convierte en energía mecánica (movimientos de los huesecillos del oído medio), que finalmente se convierte en energía eléctrica por obra y gracia de una virguería de la evolución llamada órgano de Corti. Esa energía eléctrica –que dibuja (en voltios) una forma de onda similar a la de las variaciones de presión (en pascales)– llega finalmente al cerebro a través de los nervios auditivos… y en lo que pasa ahí dentro ya nos perdemos un poco (pero bueno, en veinte años no quedarán secretos).

Comentábamos también hace unos días que cualquier onda se puede descomponer como combinación de múltiples sinusoides con sus respectivos valores de amplitud (A), frecuencia (f) y fase (φ). Cada uno de estos parámetros tiene un efecto en nuestra percepción del sonido:

• La amplitud se relaciona con muchas medidas diferentes, unas objetivas y otras subjetivas, pero lo más intuitivo es remitirla a lo que llamamos volumen, más alto o más bajo.
• La frecuencia está relacionada con el tono, grave o agudo. Por ejemplo, la tecla más a la izquierda de un piano produce ondas de muy baja frecuencia, típicamente con una componente dominante de 27,5 Hz (27 oscilaciones y media por segundo, que vienen a ser un La). En el otro extremo, la tecla más a la derecha produce ondas de frecuencia mucho más alta, dominando una componente de 4,186 kHz, con k de “kilo” (4.186 oscilaciones por segundo, un Do). Esas frecuencias se controlan eligiendo cuidadosamente los materiales, grosores, longitudes y tensiones de cada cuerda (ahí es ná).
• Finalmente, hay que decir que el oído humano pasa bastante de los valores concretos de la fase de cada componente del sonido. Sin embargo, el cerebro es muy sensible a las diferencias de fase de las señales que llegan por un oído y por el otro, derivadas de que el sonido no llega exactamente en el mismo momento a ambos tímpanos. En esta sutileza se esconde una información fundamental para nuestra percepción espacial del sonido, esto es, para que podamos ubicar la fuente del sonido en el espacio que nos rodea. Sabiendo esto, se han desarrollado sistemas de audio binaural, que manipulan matemáticamente los valores de fase del sonido que se presenta a los oídos izquierdo y derecho para conseguir una sensación fantástica de sonido procedente de cualquier punto alrededor de uno (desde delante o detrás, desde arriba o desde abajo, desde la izquierda o la derecha, …). Haz la prueba: enchufa unos simples auriculares estéreo, dale al play, cierra los ojos y siente cómo te afeitan la cabeza con el siguiente vídeo.

Lo que no podemos oír

Recuerda el piano del que hablábamos antes, con teclas que permiten tocar desde las notas más graves hasta las más agudas. Para que no dependas tanto de la imaginación, puedes pulsar en la siguiente imagen para desplegar un teclado de 88 teclas. Cuando te aburras de hacer música a golpe de ratón, párate a pensar lo siguiente: ¿qué pasaría si el piano tuviera muchas más teclas a ambos lados? ¿No te cuesta imaginar un sonido mucho más grave que el de la primera tecla o uno mucho más agudo que el de la última?

Haz clic para desplegar un piano de 88 teclas y probar cómo suena.

Si vamos ampliando el teclado por los dos lados, llega un momento en que al pulsar las teclas nuevas no oímos nada, y eso que hacen vibrar las cuerdas correspondientes. Las ondas están ahí, pero no nos enteramos. Pues bien, esto es así porque nuestro oído no es capaz de detectar todas las ondas sonoras; al contrario, debido a características tales como el material y el tamaño del tímpano, a las inercias del mecanismo óseo que hay por detrás, a la rapidez de respuesta de los procesos químicos que transmiten los impulsos nerviosos y un largo etcétera, sólo percibimos ondas de frecuencias dentro de un determinado rango. Por debajo de 20 Hz (recuerda, 20 oscilaciones por segundo) y por encima de 20 KHz (20.000 oscilaciones por segundo), no oímos nada. Así, por debajo de 20 Hz hablamos de infrasonidos y por encima de 20 KHz, de ultrasonidos.

En realidad, el rango de audición suele ser más reducido que el de 20 Hz a 20 KHz. Está comprobado que la mayoría de las personas mayores de 25 años no son capaces de escuchar sonidos por debajo de 100 Hz ni por encima de 15 kHz. Como no podía ser de otro modo, la maquinaria del oído pierde agudeza con el paso del tiempo (¡snif!). Hay quien aprovechó este hecho para que los alumnos en los institutos pudieran enviarse SMS con el móvil sin molestar a los profesores: en vez de hacer sonar una musiquita o activar el modo vibración, bastaba con reproducir un tono de 17,5 KHz cada vez que se recibía un mensaje. Los chavales se enteraban; los profes no.

Para mayor evidencia, haz la prueba con un niño al lado.

El que no podamos oír determinadas ondas sonoras no significa que no se puedan detectar. De hecho, muchos animales son capaces de percibir infrasonidos y/o ultrasonidos. Veamos un par de ejemplos:

• Los elefantes, por ejemplo, son especialistas en las bajas frecuencias. Por una parte, son capaces de emitir infrasonidos a frecuencias de unos pocos hercios, que otros elefantes pueden oír a kilómetros de distancia –ya explicaremos un día de estos por qué (y hasta qué punto) los sonidos de baja frecuencia llegan más lejos que los de alta. Por otra parte, el ser capaz de escuchar frecuencias tan bajas les otorga a los elefantes (al igual que a otros muchos animales) una capacidad que a los humanos nos resulta sorprendente: la de presentir los terremotos. El temblor de grandes masas de tierra produce infrasonidos muy intensos, que viajan por la tierra y por el aire grandes distancias. Los elefantes oyen este estruendo antes de que el propio movimiento de tierras les afecte, por lo que enseguida se les ve alterados o huyendo en manada. Como siempre, nada de magia; sólo física.

• El caso de los ultrasonidos es aún más común en la naturaleza. Muchos animales son capaces de oír los ultrasonidos. Los perros, por ejemplo, son capaces de oír sonidos de hasta 60 KHz –mucho más agudos que los que percibimos los humanos– lo que ha dado lugar al uso de silbatos especiales para entrenar o llamar a estas mascotas. Por otra parte, murciélagos, ballenas y delfines tienen aparatos (muy diferentes unos de otros, eso sí) de emisión y recepción de ultrasonidos que les permiten comunicarse, orientarse… e incluso encontrar comida en la oscuridad de la noche o del mar (piensa que a unas pocas decenas metros bajo la superficie ya no se ve nada). Esto de encontrar comida funciona debido a que las ondas de alta frecuencia interaccionan con cosas del tamaño de las polillas y el krill (pronto explicaremos por qué). Pero, ojo, que muchas de esas presas no se quedan atrás en la lucha por la supervivencia, y muchas polillas (además de mantis y escarabajos) son capaces de percibir los ultrasonidos de los murciélagos para escapar de ellos. Las polillas tigre incluso son capaces de emitir ultrasonidos para provocar interferencias y confundir a los murciélagos. ¡Sálvese quien pueda! ¡Alabado sea Darwin!

A la vista de estos ejemplos, es fácil relacionar el tamaño de los componentes de los oídos de los animales con los tipos de sonidos que son capaces de oír. Un elefante, debido al tamaño de los elementos de su oído interno, puede captar sonidos de muy baja frecuencia (es decir, sonidos que recorren bastante distancia en el tiempo que dura una oscilación). En comparación, el pequeño murciélago se defiende mejor con ultrasonidos, de muy alta frecuencia (que recorren distancias muy, muy cortas en el tiempo que dura una oscilación). Si te despista el tamaño de los delfines y las ballenas con respecto al de los murciélagos, piensa que la velocidad del sonido en el agua es 5 veces mayor que en el aire, por lo que el sonido recorre 5 veces más distancia en el tiempo de cualquier oscilación. Es por eso que dentro del agua no se necesitan maquinarias tan miniaturizadas como las del oído del mamífero volador.

De cara a futuras entradas, no pierdas de vista esa relación entre la frecuencia de las ondas y el tamaño de los receptores. Es SUMAMENTE IMPORTANTE, como quedará de manifiesto en cuanto hablemos de antenas, cables y muchas cosas más. De momento, terminamos aquí esta aproximación al sonido, que nos habrá servido para transmitir el mensaje de que los humanos contamos con sistemas de comunicación por ondas muy sofisticados, que aplican matemáticas muy avanzadas de manera natural y transparente para nosotros, pero que aún así tienen limitaciones importantes. Por eso hay ondas que no podemos percibir, aunque la ciencia ha demostrado que están ahí y les podemos sacar partido. Pronto veremos cómo, pero antes hablaremos de otro tipo de ondas que también utilizamos a diario y que son la base de la inmensa mayoría de los sistemas de telecomunicaciones modernos: las ondas electromagnéticas.

Archivado en ondas, percepción humana, sonido