Física
Objetivos de aprendizaje
Al finalizar esta sección, serás capaz de:
- Definir audición, tono, sonoridad, timbre, nota, tono, fono, ultrasonido e infrasonido.
- Comparar la sonoridad con la frecuencia y la intensidad de un sonido.
- Identificar las estructuras del oído interno y explicar cómo se relacionan con la percepción del sonido.
Figura 1. La audición permite a este vocalista, a su banda y a sus fans disfrutar de la música. (Crédito: West Point Public Affairs, Flickr)
El oído humano tiene un enorme alcance y sensibilidad. Puede proporcionarnos una gran cantidad de información sencilla, como el tono, el volumen y la dirección. Y a partir de su información podemos detectar la calidad musical y los matices de la emoción vocal. ¿Cómo se relaciona nuestra audición con las cualidades físicas del sonido y cómo funciona el mecanismo auditivo?
La audición es la percepción del sonido. (La percepción se define comúnmente como la conciencia a través de los sentidos, una definición típicamente circular de los procesos de nivel superior en los organismos vivos). La audición humana normal abarca frecuencias de 20 a 20.000 Hz, una gama impresionante. Los sonidos inferiores a 20 Hz se denominan infrasonidos, mientras que los superiores a 20.000 Hz son ultrasonidos. Ninguno de ellos es percibido por el oído, aunque los infrasonidos pueden sentirse a veces como vibraciones. Cuando oímos vibraciones de baja frecuencia, como los sonidos de un trampolín, escuchamos las vibraciones individuales sólo porque hay sonidos de mayor frecuencia en cada una de ellas. Otros animales tienen rangos de audición diferentes a los de los humanos. Los perros pueden oír sonidos de hasta 30.000 Hz, mientras que los murciélagos y los delfines pueden oír sonidos de hasta 100.000 Hz. Es posible que haya observado que los perros responden al sonido de un silbato para perros que produce un sonido fuera del rango de audición humano. Se sabe que los elefantes responden a frecuencias inferiores a 20 Hz.
La percepción de la frecuencia se llama tono. La mayoría de nosotros tenemos un excelente tono relativo, lo que significa que podemos saber si un sonido tiene una frecuencia diferente a la de otro. Normalmente, podemos discriminar entre dos sonidos si sus frecuencias difieren en un 0,3% o más. Por ejemplo, 500,0 y 501,5 Hz son notablemente diferentes. La percepción del tono está directamente relacionada con la frecuencia y no se ve muy afectada por otras magnitudes físicas como la intensidad. Las notas musicales son sonidos particulares que pueden ser producidos por la mayoría de los instrumentos y que en la música occidental tienen nombres particulares. Las combinaciones de notas constituyen la música. Algunas personas pueden identificar las notas musicales, como La sostenido, Do o Mi bemol, con sólo escucharlas. Esta capacidad poco común se denomina afinación perfecta.
El oído es notablemente sensible a los sonidos de baja intensidad. La intensidad audible más baja o el umbral es de unos 10-12 W/m2 o 0 dB. Se pueden tolerar brevemente sonidos hasta 1012 más intensos. Muy pocos aparatos de medición son capaces de realizar observaciones en un rango de un trillón. La percepción de la intensidad se denomina sonoridad. A una frecuencia determinada, es posible discernir diferencias de aproximadamente 1 dB, y un cambio de 3 dB se nota fácilmente. Pero el volumen no está relacionado únicamente con la intensidad. La frecuencia tiene un efecto importante en el volumen de un sonido. El oído tiene su máxima sensibilidad a las frecuencias en el rango de 2.000 a 5.000 Hz, por lo que los sonidos en este rango se perciben como más fuertes que, por ejemplo, los de 500 o 10.000 Hz, incluso cuando todos tienen la misma intensidad. Los sonidos cercanos a los extremos de las frecuencias altas y bajas del rango de audición parecen aún menos fuertes, porque el oído es aún menos sensible en esas frecuencias. La tabla 1 muestra la dependencia de ciertas percepciones auditivas humanas de las cantidades físicas.
| Tabla 1. Percepciones del sonido | |
|---|---|
| Percepción | Cantidad física |
| Tono | Frecuencia |
| Ruidos | Intensidad y frecuencia |
| Timbre | Número e intensidad relativa de múltiples frecuencias. La artesanía sutil conduce a efectos no lineales y a más detalles. |
| Nota | Unidad básica de la música con nombres específicos, combinada para generar melodías |
| Tono | Número e intensidad relativa de múltiples frecuencias. |
Cuando un violín toca el do medio, no se puede confundir con un piano que toca la misma nota. La razón es que cada instrumento produce un conjunto distintivo de frecuencias e intensidades. Llamamos a nuestra percepción de estas combinaciones de frecuencias e intensidades calidad del tono, o más comúnmente el timbre del sonido. Es más difícil correlacionar la percepción del timbre con cantidades físicas que la percepción del volumen o del tono. El timbre es más subjetivo. Para describir el timbre de un sonido se emplean términos como sordo, brillante, cálido, frío, puro y rico. Por lo tanto, la consideración del timbre nos lleva al ámbito de la psicología perceptiva, donde dominan los procesos de nivel superior en el cerebro. Lo mismo ocurre con otras percepciones del sonido, como la música y el ruido. No profundizaremos en ellos, sino que nos centraremos en la cuestión de la percepción del volumen.
Para expresar numéricamente el volumen se utiliza una unidad llamada fon. Los fonemas se diferencian de los decibelios porque el fonema es una unidad de percepción del volumen, mientras que el decibelio es una unidad de intensidad física. La figura 2 muestra la relación entre el volumen y la intensidad (o nivel de intensidad) y la frecuencia para las personas con audición normal. Las líneas curvas son curvas de igual sonoridad. Cada curva está etiquetada con su sonoridad en phons. Cualquier sonido a lo largo de una curva dada será percibido como igualmente fuerte por la persona promedio. Las curvas se determinaron haciendo que un gran número de personas compararan la intensidad de los sonidos a diferentes frecuencias y niveles de intensidad sonora. A una frecuencia de 1000 Hz, los fones se consideran numéricamente iguales a los decibelios. El siguiente ejemplo ayuda a ilustrar el uso del gráfico:
Figura 2. La relación de la sonoridad en fones con el nivel de intensidad (en decibelios) y la intensidad (en vatios por metro cuadrado) para personas con audición normal. Las líneas curvas son curvas de igual sonoridad: todos los sonidos de una curva determinada se perciben con la misma intensidad. Los fones y los decibelios se definen como iguales a 1000 Hz.
Ejemplo 1. Medición de la sonoridad: La sonoridad frente al nivel de intensidad y la frecuencia
- ¿Cuál es la sonoridad en fones de un sonido de 100 Hz que tiene un nivel de intensidad de 80 dB?
- ¿Cuál es el nivel de intensidad en decibelios de un sonido de 4000 Hz que tiene una sonoridad de 70 fones?
- ¿A qué nivel de intensidad tendrá un sonido de 8000-Hz la misma sonoridad que un sonido de 200-Hz a 60 dB?
Estrategia para la parte 1
Para resolver este ejemplo hay que referirse al gráfico de la figura 2. Para hallar la sonoridad de un determinado sonido, hay que conocer su frecuencia y su nivel de intensidad y localizar ese punto en la cuadrícula cuadrada, para luego interpolar entre las curvas de sonoridad y obtener la sonoridad en phons.
Solución para la Parte 1
Identificar lo conocido:
- La cuadrícula cuadrada de la gráfica que relaciona phons y decibelios es un gráfico del nivel de intensidad frente a la frecuencia -ambas magnitudes físicas.
- 100 Hz a 80 dB se encuentra a medio camino entre las curvas marcadas con 70 y 80 fones.
Hallar el nivel de intensidad: 75 fones.
Estrategia para la parte 2
Hay que referirse al gráfico de la figura 2 para resolver este ejemplo. Para encontrar el nivel de intensidad de un sonido, hay que tener su frecuencia y su volumen. Una vez localizado ese punto, se puede determinar el nivel de intensidad a partir del eje vertical.
Solución de la parte 2
Identificar los conocidos; se dan valores de 4000 Hz a 70 fonios.
Seguir la curva de 70 fonios hasta llegar a 4000 Hz. En ese punto, está por debajo de la línea de 70 dB a unos 67 dB.
Hallar el nivel de intensidad: 67 dB
Estrategia para la parte 3
Hay que referirse al gráfico de la figura 2 para resolver este ejemplo.
Solución para la parte 3
Localizar el punto para un sonido de 200 Hz y 60 dB. Encuentra la sonoridad: Este punto se encuentra ligeramente por encima de la curva de 50 fonones, por lo que su sonoridad es de 51 fonones. Busque el nivel de 51 fonones está en 8000 Hz: 63 dB.
Discusión
Estas respuestas, al igual que toda la información extraída de la figura 2, tienen incertidumbres de varios fones o varios decibelios, en parte debido a las dificultades de interpolación, pero sobre todo relacionadas con las incertidumbres de las curvas de igual sonoridad.
Un examen más detallado del gráfico de la figura 2 revela algunos hechos interesantes sobre la audición humana. En primer lugar, la mayoría de las personas no perciben los sonidos que están por debajo de la curva de 0 fonios. Así, por ejemplo, un sonido de 60 Hz a 40 dB es inaudible. La curva de 0 fonios representa el umbral de la audición normal. Podemos oír algunos sonidos a niveles de intensidad inferiores a 0 dB. Por ejemplo, un sonido de 5000 Hz a 3 dB es audible porque se encuentra por encima de la curva de 0 fonones. Todas las curvas de sonoridad presentan caídas entre 2000 y 5000 Hz aproximadamente. Estos descensos significan que el oído es más sensible a las frecuencias de ese rango. Por ejemplo, un sonido de 15 dB a 4000 Hz tiene una sonoridad de 20 fones, lo mismo que un sonido de 20 dB a 1000 Hz. Las curvas aumentan en ambos extremos de la gama de frecuencias, lo que indica que se necesita un sonido de mayor intensidad en esas frecuencias para que se perciba tan fuerte como en las frecuencias medias. Por ejemplo, un sonido a 10.000 Hz debe tener un nivel de intensidad de 30 dB para parecer tan fuerte como un sonido de 20 dB a 1000 Hz. Los sonidos por encima de 120 fones son dolorosos, además de dañinos.
No solemos utilizar toda nuestra gama de audición. Esto es especialmente cierto en el caso de las frecuencias por encima de los 8000 Hz, que son escasas en el entorno y no son necesarias para entender una conversación o apreciar la música. De hecho, las personas que han perdido la capacidad de oír esas frecuencias altas no suelen ser conscientes de su pérdida hasta que se les hace una prueba. La región sombreada de la figura 3 es la región de frecuencias e intensidades en la que se encuentran la mayoría de los sonidos de las conversaciones. Las líneas curvas indican el efecto que tendrán las pérdidas auditivas de 40 y 60 fones. Una pérdida auditiva de 40 fonones en todas las frecuencias sigue permitiendo a una persona entender una conversación, aunque le parecerá muy silenciosa. Una persona con una pérdida de 60 fonones en todas las frecuencias sólo oirá las frecuencias más bajas y no podrá entender el habla a menos que sea mucho más fuerte de lo normal. Aun así, el habla puede parecer indistinta, porque las frecuencias más altas no se perciben tan bien. La región del habla conversacional también tiene un componente de género, ya que las voces femeninas suelen caracterizarse por tener frecuencias más altas. Por tanto, la persona con un impedimento auditivo de 60 fonemas puede tener dificultades para entender la conversación normal de una mujer.
Figura 3. La región sombreada representa las frecuencias y los niveles de intensidad que se encuentran en el habla conversacional normal. La línea de 0 fonones representa el umbral de audición normal, mientras que las de 40 y 60 representan los umbrales de las personas con pérdidas auditivas de 40 y 60 fonones, respectivamente.
Las pruebas de audición se realizan en un rango de frecuencias, normalmente de 250 a 8000 Hz, y pueden representarse gráficamente en un audiograma como el de la figura 4. El umbral de audición se mide en dB en relación con el umbral normal, de modo que la audición normal se registra como 0 dB en todas las frecuencias. La pérdida de audición causada por el ruido suele mostrar un descenso cerca de la frecuencia de 4000 Hz, independientemente de la frecuencia que haya causado la pérdida, y suele afectar a ambos oídos. La forma más común de pérdida de audición se produce con la edad y se denomina presbiacusia -literalmente oído viejo-. Esta pérdida es cada vez más grave en las frecuencias más altas e interfiere en la apreciación de la música y el reconocimiento del habla.
Figura 4. Audiogramas que muestran el umbral en el nivel de intensidad frente a la frecuencia para tres individuos diferentes. El nivel de intensidad se mide en relación con el umbral normal. El gráfico superior izquierdo es el de una persona con audición normal. El gráfico de la derecha tiene una caída a 4.000 Hz y es el de un niño que sufrió una pérdida de audición debido a una pistola de aire comprimido. El tercer gráfico es típico de la presbiacusia, la pérdida progresiva de la audición de altas frecuencias con la edad. Las pruebas realizadas por conducción ósea (paréntesis) pueden distinguir los daños en los nervios de los daños en el oído medio.
El mecanismo de la audición
El mecanismo de la audición implica una física interesante. La onda sonora que incide en nuestro oído es una onda de presión. El oído es un transductor que convierte las ondas sonoras en impulsos nerviosos eléctricos de una manera mucho más sofisticada que un micrófono, pero análoga a éste. La figura 5 muestra la anatomía macroscópica del oído con su división en tres partes: el oído externo o conducto auditivo externo; el oído medio, que va desde el tímpano hasta la cóclea; y el oído interno, que es la cóclea propiamente dicha. La parte del cuerpo que normalmente se denomina oído se llama técnicamente pabellón auricular.
Figura 5. La ilustración muestra la anatomía macroscópica del oído humano.
El oído externo, o conducto auditivo, transporta el sonido hasta el tímpano protegido y empotrado. La columna de aire en el canal auditivo resuena y es parcialmente responsable de la sensibilidad del oído a los sonidos en el rango de 2000 a 5000 Hz. El oído medio convierte el sonido en vibraciones mecánicas y aplica estas vibraciones a la cóclea. El sistema de palancas del oído medio toma la fuerza ejercida sobre el tímpano por las variaciones de presión sonora, la amplifica y la transmite al oído interno a través de la ventana oval, creando en la cóclea ondas de presión aproximadamente 40 veces mayores que las que inciden en el tímpano. (Véase la figura 6.) Dos músculos del oído medio (no mostrados) protegen el oído interno de los sonidos muy intensos. Reaccionan ante un sonido intenso en unos pocos milisegundos y reducen la fuerza transmitida a la cóclea. Esta reacción protectora también puede ser desencadenada por la propia voz, de modo que tararear mientras se dispara un arma, por ejemplo, puede reducir los daños causados por el ruido.
Figura 6. Este esquema muestra el sistema del oído medio para convertir la presión del sonido en fuerza, aumentar esa fuerza mediante un sistema de palancas y aplicar la fuerza aumentada a una pequeña zona de la cóclea, creando así una presión unas 40 veces superior a la de la onda sonora original. Una reacción muscular protectora ante los sonidos intensos reduce en gran medida la ventaja mecánica del sistema de palancas.
La figura 7 muestra el oído medio e interno con mayor detalle. Las ondas de presión que se mueven por la cóclea hacen vibrar la membrana tectorial, frotando los cilios (llamados células ciliadas), que estimulan los nervios que envían señales eléctricas al cerebro. La membrana resuena en diferentes posiciones para diferentes frecuencias, con frecuencias altas que estimulan los nervios en el extremo cercano y frecuencias bajas en el extremo lejano. Todavía no se conoce el funcionamiento completo de la cóclea, pero se sabe que intervienen varios mecanismos de envío de información al cerebro. Para los sonidos inferiores a unos 1000 Hz, los nervios envían señales a la misma frecuencia que el sonido. Para las frecuencias superiores a unos 1000 Hz, los nervios señalan la frecuencia según la posición. Hay una estructura de los cilios, y hay conexiones entre las células nerviosas que realizan el procesamiento de la señal antes de enviar la información al cerebro. La información sobre la intensidad está indicada en parte por el número de señales nerviosas y por las voleas de señales. El cerebro procesa las señales nerviosas cocleares para proporcionar información adicional, como la dirección de la fuente (basada en comparaciones de tiempo e intensidad de los sonidos de ambos oídos). El procesamiento de nivel superior produce muchos matices, como la apreciación musical.
Figura 7. El oído interno, o cóclea, es un tubo enrollado de unos 3 mm de diámetro y 3 cm de longitud si está desenrollado. Cuando la ventana oval es forzada hacia adentro, como se muestra, una onda de presión viaja a través de la perilinfa en la dirección de las flechas, estimulando los nervios en la base de los cilios en el órgano de Corti.
Las pérdidas auditivas pueden ocurrir debido a problemas en el oído medio o interno. Las pérdidas conductivas en el oído medio pueden superarse parcialmente enviando vibraciones sonoras a la cóclea a través del cráneo. Los audífonos para este fin suelen presionar el hueso de detrás de la oreja, en lugar de limitarse a amplificar el sonido enviado al canal auditivo como hacen muchos audífonos. Los daños en los nervios de la cóclea no son reparables, pero la amplificación puede compensarlos parcialmente. Existe el riesgo de que la amplificación produzca más daños. Otro fallo común en la cóclea es el daño o la pérdida de los cilios, pero los nervios siguen siendo funcionales. Los implantes cocleares que estimulan los nervios directamente están ahora disponibles y son ampliamente aceptados. Se utilizan más de 100.000 implantes, en un número casi igual de adultos y niños.
El implante coclear fue introducido en Melbourne (Australia) por Graeme Clark en la década de 1970 para su padre sordo. El implante consta de tres componentes externos y dos internos. Los componentes externos son un micrófono para captar el sonido y convertirlo en una señal eléctrica, un procesador del habla para seleccionar determinadas frecuencias y un transmisor para transferir la señal a los componentes internos mediante inducción electromagnética. Los componentes internos consisten en un receptor/transmisor fijado en el hueso bajo la piel, que convierte las señales en impulsos eléctricos y los envía a través de un cable interno a la cóclea y un conjunto de unos 24 electrodos enrollados en la cóclea. Estos electrodos, a su vez, envían los impulsos directamente al cerebro. Los electrodos emulan básicamente los cilios.
Compruebe su comprensión
¿Son los ultrasonidos y los infrasonidos imperceptibles para todos los organismos auditivos? Explique su respuesta.
Solución
No, el rango del sonido perceptible se basa en el rango del oído humano. Muchos otros organismos perciben infrasonidos o ultrasonidos.
Resumen de la sección
- El rango de frecuencias audibles es de 20 a 20.000 Hz.
- Los sonidos superiores a 20.000 Hz son ultrasonidos, mientras que los inferiores a 20 Hz son infrasonidos.
- La percepción de la frecuencia es el tono.
- La percepción de la intensidad es la sonoridad.
- La sonoridad tiene unidades de fones.
Preguntas conceptuales
- ¿Por qué una prueba de audición puede mostrar que su umbral de audición es de 0 dB a 250 Hz, cuando la figura 3 implica que nadie puede oír dicha frecuencia a menos de 20 dB?
Problemas &Ejercicios
- El factor de 10-12 en el rango de intensidades al que puede responder el oído, desde el umbral hasta el que causa daño tras una breve exposición, es realmente notable. Si pudiera medir distancias en el mismo rango con un solo instrumento y la distancia más pequeña que pudiera medir fuera de 1 mm, ¿cuál sería la más grande?
- Las frecuencias a las que responde el oído varían en un factor de 103. Suponga que el velocímetro de su coche mide velocidades que difieren en el mismo factor de 103, y que la mayor velocidad que lee es de 90,0 mi/h. ¿Cuál sería la velocidad más lenta no nula que podría leer?
- ¿Cuáles son las frecuencias más cercanas a 500 Hz que una persona promedio puede distinguir claramente como diferentes en frecuencia de 500 Hz? Los sonidos no están presentes simultáneamente.
- ¿Puede una persona media decir que un sonido de 2002-Hz tiene una frecuencia diferente a la de un sonido de 1999-Hz sin reproducirlos simultáneamente?
- Si su radio está produciendo un nivel de intensidad sonora media de 85 dB, ¿cuál es el siguiente nivel de intensidad sonora más bajo que es claramente menos intenso?
- ¿Puedes decir que tu compañero de piso ha subido el sonido del televisor si su nivel medio de intensidad sonora pasa de 70 a 73 dB?
- Basado en el gráfico de la Figura 2, ¿cuál es el umbral de audición en decibelios para frecuencias de 60, 400, 1000, 4000 y 15.000 Hz? Tenga en cuenta que muchos aparatos eléctricos de corriente alterna producen 60 Hz, la música suele ser de 400 Hz, una frecuencia de referencia es de 1000 Hz, su máxima sensibilidad está cerca de los 4000 Hz y muchos televisores antiguos producen un zumbido de 15.750 Hz.
- ¿Qué niveles de intensidad sonora deben tener los sonidos de frecuencias 60, 3000 y 8000 Hz para tener la misma sonoridad que un sonido de 40 dB de frecuencia 1000 Hz (es decir, para tener una sonoridad de 40 fones)?
- ¿Cuál es el nivel aproximado de intensidad sonora en decibelios de un tono de 600 Hz si tiene una sonoridad de 20 fones? Si tiene una intensidad de 70 fones?
- (a) ¿Cuáles son las intensidades en fones de los sonidos que tienen frecuencias de 200, 1000, 5000 y 10.000 Hz, si todos tienen el mismo nivel de intensidad sonora de 60,0 dB? (b) ¿Si todos están a 110 dB? (c) ¿Si todos están a 20,0 dB?
- Supongamos que una persona tiene una pérdida auditiva de 50 dB en todas las frecuencias. ¿Por cuántos factores de 10 tendrán que amplificarse los sonidos de baja intensidad para que le parezcan normales a esta persona? Tenga en cuenta que una amplificación menor es apropiada para los sonidos más intensos para evitar un mayor daño auditivo.
- Si una mujer necesita una amplificación de 5,0 × 1012 veces la intensidad del umbral para poder oír en todas las frecuencias, ¿cuál es su pérdida auditiva global en dB? Tenga en cuenta que una amplificación más pequeña es apropiada para sonidos más intensos para evitar daños adicionales en su audición por niveles superiores a 90 dB.
- (a) ¿Cuál es la intensidad en vatios por metro cuadrado de un sonido apenas audible de 200 Hz? (b) ¿Cuál es la intensidad en vatios por metro al cuadrado de un sonido apenas audible de 4000-Hz?
- (a) Encuentre la intensidad en vatios por metro al cuadrado de un sonido de 60,0-Hz que tenga una sonoridad de 60 fones. (b) Encuentre la intensidad en vatios por metro al cuadrado de un sonido de 10.000 Hz con una intensidad de 60 fones.
- Una persona tiene un umbral de audición 10 dB por encima de lo normal a 100 Hz y 50 dB por encima de lo normal a 4000 Hz. ¿Cuánto más intenso debe ser un tono de 100 Hz que uno de 4000 Hz si ambos son apenas audibles para esta persona?
- Un niño tiene una pérdida auditiva de 60 dB cerca de 5000 Hz, debido a la exposición al ruido, y una audición normal en el resto. ¿Cuánto más intenso es un tono de 5000 Hz que un tono de 400 Hz si ambos son apenas audibles para el niño?
- ¿Cuál es la relación de intensidades de dos sonidos de idéntica frecuencia si el primero es apenas discernible como más fuerte para una persona que el segundo?
Glosario
sonoridad: percepción de la intensidad del sonido
timbre: número e intensidad relativa de múltiples frecuencias sonoras
nota: unidad básica de la música con nombres específicos, combinada para generar melodías
tono: número e intensidad relativa de múltiples frecuencias sonoras
fón: unidad numérica de sonoridad
ultrasonido: sonidos por encima de 20.000 Hz
infrasonido: sonidos por debajo de 20 Hz
Soluciones seleccionadas de problemas &Ejercicios
1. 1 × 106 km
3. 498,5 o 501,5 Hz
5. 82 dB
7. aproximadamente 48, 9, 0, -7 y 20 dB, respectivamente
9. (a) 23 dB; (b) 70 dB
11. Cinco factores de 10
13. (a) 2× 10-10 W/m2; (b) 2 × 10-13 W/m2
15. 2.5
17. 1.26