Las producen aparatos que convierten la fuente de información primaria (existente en forma de otro tipo de energía, por ejemplo, sonora o luminosa) en pequeñas corrientes eléctricas. Un micrófono, por ejemplo, convierte el sonido en una corriente eléctrica, cosa que hace, en cambio, con los datos la unidad de entrada de un ordenador. Esas corrientes, que constituyen una señal, se transmiten entonces a través de cables o, tras su conversión en ondas de radio, mediante enlaces de radio. Al llegar a un receptor adecuado, son susceptibles de manipulación electrónica -para reducir la distorsión de la señal, por ejemplo-, tras lo cual se amplifican para que puedan hacer funcionar un dispositivo de salida, como un altavoz, un televisor o el registrador de datos de un ordenador.

Hay dos tipos de señal eléctrica; analógica y digital. Las señales analógicas varían continuamente, en cuanto a voltaje o corriente, de acuerdo con las variaciones de la fuente de información primaria; las señales eléctricas, por ejemplo, producidas por un micrófono, son «copias» eléctricas de las ondas sonoras originales. Las señales digitales no son continuas, sino que se componen de numerosos incrementos repentinos de corriente eléctrica producidos entre dos niveles de voltaje (uno de los cuales puede ser cero). En la grabación digital de sonido, por ejemplo, la amplitud de la onda sonora se mide miles de veces por segundo, convirtiéndose cada vez en una señal de código binario, constituida por rápidas ráfagas de encendido y apagado de corriente. En su reproducción, la secuencia resultante de señales de código de amplitud digital se convierte de nuevo en una serie de señales analógicas, capaces de accionar un altavoz.

Un ordenador utiliza las señales digitales de otro modo. Forman códigos binarios que representan los números, letras y símbolos, que componen los datos informativos de entrada y las distintas instrucciones del programa. En el procesador central del ordenador, los códigos de datos se someten a procesos de aritmética binaria o se comparan entre sí para obtener los resultados exigidos por el programa.

En la electrónica moderna, las señales eléctricas pueden procesarse de dos maneras: haciéndolas pasar por artilugios semiconductores (del tipo de transistores) o convirtiéndolas en un haz de electrones, como en el caso de la formación de imagen en un televisor (que emplea también semiconductores).

Si se someten a presión ciertos tipos de cristales asimétricos (especialmente el cuarzo y la sal de la Rochela: tartrato sódico potásico), produciéndose de formación, las superficies opuestas de los cristales adquieren cargas eléctricas opuestas, fenómeno llamado efecto piezoeléctrico. Si la presión se sustituye por una tensión, cambian los signos de las caras respectivas -por ejemplo, la cara que tenía carga positiva cuando el cristal estaba comprimido, se vuelve negativa cuando el cristal está sometido a una tensión-. Como resultado de la separación de las cargas, un cristal piezoeléctrico sometido a una carga genera un pequeño voltaje, capaz de producir una débil corriente en un circuito. Los cristales que generan la piezoelectricidad presentan también el efecto opuesto: se deforman si se aplica un voltaje.

En la práctica, el efecto piezoeléctrico se aplica en los tocadiscos de pastilla de cerámica y en los micrófonos dinámicos. En un micrófono dinámico, las ondas sonoras producen movimientos en una membrana, que deforma un cristal piezoeléctrico, produciéndose así un voltaje variable.

La piezoelectricidad se emplea también para controlar y mantener las vibraciones de los cristales. Al vibrar un cristal piezoeléctrico, el voltaje variable que produce se utiliza también para producir una corriente que, a su vez, puede emplearse en el mantenimiento de la vibración del cristal. La frecuencia de esa vibración es excepcionalmente constante en el caso de algunos cristales piezoeléctricos, por ejemplo, los de cuarzo. Ésa es la razón principal del empleo de cristales de cuarzo como base de relojes y otros instrumentos de extraordinaria precisión.

La aplicación más importante de la inducción electromagnética es la dinamo. Es un aparato que convierte energía mecánica (rotacional) en energía eléctrica, mediante la inducción de corriente en bobinas de alambre que se hacen girar en un campo magnético. Al girar las bobinas, se abren camino a través de las líneas magnéticas, primero en un sentido y después en el opuesto. Cada vez que cambia el sentido, lo hace la dirección de la corriente inducida, produciéndose así una corriente alterna. La corriente se extrae de las bobinas mediante dos colectores y las escobillas correspondientes. Este aparato en su conjunto se denomina dinamo de corriente alterna o alternador.

En una dinamo de corriente continua, la corriente alterna producida por las bobinas se convierte en corriente continua, utilizando un sistema diferente para «recoger» la corriente. Se emplea un solo anillo con dos intersticios, llamado anillo hendido. Al invertirse la corriente en las bobinas, las muescas dejan atrás las escobillas inviniendo de hecho las conexiones de los alambres y permitiendo que la corriente siga fluyendo en el mismo sentido.

Un micrófono de bobina móvil funciona también basado en el principio de la inducción electromagnética. Las ondas sonoras que impactan un diafragma lo hacen vibrar, estando el diafragma sujeto a una pequeña bobina situada en el campo de un imán. Al moverse el diafragma lo hace también la bobina, induciéndose en ella un voltaje variable. Sólo hay que tomar y amplificar la pequeña corriente variable resultante.

Si una corriente eléctrica pasa por un alambre puesto a través de un campo magnético se produce una fuerza en el alambre, que, si no está bien sujeto,se mueve. Ése es el principio del motor eléctrico, llamado también efecto motor. La fuerza motriz producida depende de la fuerza del campo y de la corriente, y de la longitud del alambre y de su orientación dentro del campo. Se produce el máximo de fuerza cuando el alambre es perpendicular al campo. La dirección de la misma (respecto de la corriente y el campo) se expresa en la regla de la mano izquierda, enunciada por Fleming.

En un motor eléctrico, la corriente pasa por unas bobinas de alambre, que pueden girar libremente sobre un eje situado dentro de un campo magnético. El efecto motor origina en el alambre unas fuerzas que producen un par motor, o de torsión, en tomo al eje que hace girar al conjunto formado por éste y las bobinas. En los motores pequeños suministran el campo magnético imanes permanentes; en los grandes, se utilizan electroimanes.

Emplean el mismo principio los galvanómetros, que constituyen la base de la mayoría de los instrumentos que miden la intensidad de la corriente y el voltaje, pero contienen un resorte o un alambre de torsión que se opone a la rotación de las bobinas y el eje. Esa rotación se detiene cuando el par de torsión debido al efecto motor se equilibra exactamente con el efecto contrario, que ofrecen el resorte o el alambre de torsión. Cuanto más fuerte es la corriente, más tiempo tarda el eje en cesar su rotación. El ángulo recorrido en esa rotación es una medida de la corriente que pasa por las bobinas. En un altavoz de bobina móvil, una corriente variable pasa por una bobina de alambre situada dentro de un campo magnético. El efecto motor produce un movimiento en la bobina, que está sujeta a un cono de cartón o plástico. Los movimientos resultantes en ese cono hacen vibrar el aire inmediato, creando ondas sonoras.

Este gigantesco motor eléctrico de una planta petroquímica nos presenta un estator de casi 5 metros de diámetro. El motor entero pesa más de 80 toneladas y produce 5,8 megavatios de potencia mecánica (equivalentes a 7800 CV al freno), que mueven a una enorme compresora

Infrasónica y Ultrasónica

Las ondas de presión («sonidos») de frecuencias inferiores al límite más bajo de la capacidad auditiva humana (unos 20 Hz) reciben el nombre de ondas infrasónicas; las que exceden el límite audible superior (aproximadamente 18 000 Hz) se llaman ultrasónicas. Aunque no las oímos los humanos, pueden oírlas algunos animales. Por ejemplo, muchas especies de murciélagos, sobre todo los insectívoros, se guían en el vuelo por los ultrasonidos; emiten chillidos ultrasónicos y miden las distancias que los separan de los obstáculos por el tiempo que tarda en llegarles el eco. En el otro extremo de la escala de frecuencias, algunas especies de arañas detectan las ondas infrasónicas (cuya fuente natural son los terremotos).

El ultrasonido tiene varios empleos prácticos, siendo uno de los más comunes la medición y cartografía del fondo del mar mediante la técnica llamada sonar (acrónimo de SOund Navigation And Ranging, navegación y telemetría por el sonido). A diferencia de las ondas electromagnéticas, como la luz, las ondas ultrasónicas casi no son absorbidas por el agua. Además, debido a su altísima frecuencia, se pueden concentrar en haces estrechos que ahondan en el mar sin perder mucha energía por difracción; esto las hace muy indicadas para medir las profundidades submarinas. El sonar funciona exactamente como el sistema de ecolocación de los murciélagos (y cetáceos): se determina la distancia a base del tiempo transcurrido entre la emisión de una pulsación ultrasónica y la recepción de su eco.

El ultrasonido es también muy útil en medicina, sobre todo para la exploración fetal durante el embarazo. Es también una técnica similar a la del sonar: las ondas ultrasónicas reflejadas por el feto permiten «cartografiar» la criatura nonata y averiguar si padece alguna anormalidad. Este tipo de examen tiene varias ventajas: no implica cirugía, es relativamente fácil de efectuar y, sobre todo, totalmente inofensivo para la madre y el nonato hijo. Las ondas ultrasónicas se emplean también para examinar el cerebro y, acudiendo al efecto Doppler, para vigilar los movimientos del corazón y la circulación de la sangre.

Entre otras aplicaciones del ultrasonido están la detección de defectos internos del metal, la determinación del grosor de la carne magra y grasa en el ganado cuando las reses están aún vivas y la soldadura de piezas de metal sin necesidad de someterlo a fusión.

A diferencia del ultrasonido, el infrasonido tiene pocos empleos. Su aplicación principal está en la exploración sismográfica, donde se analiza el comportamiento de las ondas infrasónicas generadas por explosiones subterráneas, para averiguar los tipos y propiedades de las rocas adyacentes.

Los murciélagos insectívoros se guían y localizan su presa mediante el eco: un mecanismo similar al del sonar, obra del hombre. Los quirópteros emiten chillidos ultrasónicos y, por los ecos recibidos en sus enormes orejas, sitúan las posiciones y las distancias de los objetos. La frecuencia de sus chillidos varía con las especies, pero en su mayoría se hallan entre los 30 000 y 80 000 Hz, muy por encima del límite superior de la percepción auditiva humana

La acústica es etimológicamente la ciencia del sonido en su totalidad, pero se usa este término a menudo en sentido más limitado para hacer referencia a los sonidos que se escuchan en lugares cerrados, especialmente dentro de edificios públicos como los teatros y salas de concierto. En este sentido más determinado, la acústica se concentra principalmente en la reflexión y la absorción del sonido.

Ecos y Reverberaciones

Cuando se refleja una onda sonora produce un eco o una reverberación, según la duración del intervalo transcurrido entre la emisión del sonido original y el regreso de su reflejo. Como la sensación del sonido persiste en el oído humano durante alrededor de un veinteavo de segundo después que ha cesado el sonido, un sonido reflejado al oyente en menos de ese tiempo no se percibe como un eco separado al no existir intervalo perceptible de silencio entre la audición del sonido original y la de su reflexión; efecto llamado reverberación. La velocidad del sonido en aire seco a 20 °C es de unos 334 m/s, por lo que no se oyen ecos a no ser que el oyente esté a una distancia aproximada de más de 10 m de la superficie reflectante (suponiendo que el oyente está contiguo a la fuente de sonido o situado entre ella y la superficie reflectante). Si está a menos de 10 m de ella, se produce reverberación.

El sumergido casco de un velero naufragado se perfila claramente con color negro en esta fotografía a colores falsos, realizada con ordenador, de un barrido de sonar ultrasónico (las superficies en color son efectos producidos por el revelado a ordenador). El sonar, basado en la reflexión de ondas sonoras de alta frecuencia, también se emplea mucho para detectar los bancos de peces y medir la profundidad del agua.

En el sonido musical posee una importancia especial el fenómeno de interferencia que produce las llamadas ondas estacionarias, que tiene lugar sólo en los objetos vibrantes que producen sonido; cuerdas y maderas, por ejemplo. Se produce una onda estacionaria cuando dos ondas de la misma frecuencia y amplitud se reflejan en los extremos de un objeto vibrante e interfieren entre sí. Cuando ocurre esto, ciertos puntos situados a intervalos de media longitud de onda no se mueven nunca de su posición de equilibrio durante la interferencia. Esos puntos inmóviles se llaman nodos. Se deben al hecho de que un desplazamiento producido por una onda va acompañado siempre de interferencia en forma de un desplazamiento igual, aunque opuesto, producido por la segunda onda. Entre los nodos están los antinodos, donde los desplazamientos se refuerzan mutuamente, produciendo el máximo de amplitud de la onda estacionaria.

El sonido producido por los instrumentos de cuerdas y de viento es el resultado de un movimiento ondulatorio estacionario. Una cuerda de guitarra que vibra libremente, por ejemplo, lo hace simultáneamente en una serie de modos diferentes. Esos modos son ondas estacionarias de frecuencias relacionadas dentro de una serie armónica (de números enteros) 1, 2, 3, 4, 5… Las amplitudes de cada modo -que tendrían frecuencias, digamos, de 440 Hz,
880 Hz, 1320 Hz, 1760 Hz, 2200 Hz, etc. (es decir, una nota dada de una frecuencia armónica primaria de 440 Hz)- determinan el tono de la nota. Tocando ligeramente el centro de la cuerda tienden a extinguirse los modos de número impar, que tienen allí antinodos. De ese modo quedan sólo los modos pares (2, 4, 6, 8…) y nuestro ejemplo tendría frecuencias de 880 Hz, 1760 Hz, 2640 Hz… Esa combinación de modos constituye una nueva nota con una frecuencia armónica primera de 880 Hz. La nueva nota o armónico, que le llaman los músicos, es una octava más alta y de tono radicalmente diferente. Similarmente, tocando la cuerda a un tercio de su longitud se tiende a extinguir todos los modos, exceptuando los múltiplos de tres. En consecuencia predominan los modos 3, 6, 9, 12…, produciendo una nueva nota de una frecuencia armónica primera tres veces mayor que la de la nota original; en este ejemplo, 1320 Hz.

se pueden producir en tubos abiertos en los dos extremos o en un uno solo. A (abajo izquierda) muestra los tres primeros modos naturales de la vibración de un tubo abierto sólo por un extremo. En los tres casos, existe un antinodo (punto de máxima vibración, en rojo) en el extremo abierto, y un nodo (punto en el que las moléculas de aire no se mueven, en negro), situado en el extremo cerrado. Los tubos cerrados sólo producen armónicos de números impares. B (abajo derecha) muestra los tres primeros modos naturales de la vibración de un tubo abierto, capaz de producir armónicos pares e impares. La línea continua azul es una representación gráfica de la cantidad de vibración de las moléculas de aire a lo largo del tubo.

Interferencias y Pulsaciones

Igual que los demás movimientos ondulatorios, el sonido presenta efectos de interferencia. Ésta se produce cuando dos ondas sonoras pasan por el mismo punto. Cuando los desplazamientos de las ondas se refuerzan entre sí -es decir, cuando la cresta de una coincide con la de la otra (y las dos ondas están en fase), de modo que las partículas del medio «portador» vibran con mayor fuerza- se produce un aumento de amplitud (y por lo tanto, de volumen). Cuando, en cambio, los desplazamientos se anulan entre sí – es decir, cuando una cresta coincide con un seno (y las dos ondas están fuera de fase)-, las partículas vibran con menos fuerza y el sonido pierde intensidad.

La interferencia de sonido puede originar lo que llamamos pulsaciones. Cuando dos ondas de amplitud y frecuencia casi iguales coinciden se producen fluctuaciones regulares de su intensidad, conocidas como pulsaciones. Se producen porque su amplitud, al combinarse, varía entre un máximo (cuando las dos ondas están por un momento en fase, y se refuerzan entre sí) y un mínimo (cuando están fuera de fase, y se anulan mutuamente). El número de pulsaciones que se oyen por segundo (llamado frecuencia de pulsación) es igual a la diferencia existente entre las frecuencias de las dos ondas. Si las ondas en cuestión tienen, por ejemplo, unas frecuencias respectivas de 140 y 145 Hz, las crestas de ambas estarán sólo en fase una vez cada quinto de segundo, y la frecuencia de pulsación será de 5 Hz.

El sonido se puede reflejar (A), refractar (B) y difractar (C). En A, el sonido de un reloj se dirige por un tubo hasta una superficie reflectora, y el sonido reflejado se oye por otro tubo. Ajustando los ángulos de los tubos, se puede demostrar que el ángulo de incidencia (i) es igual al ángulo de reflexión (r). B nos demuestra cómo el dióxido de carbono que llena un globo refracta y enfoca simétricamente el sonido procedente de un reloj. C nos enseña que el sonido sufre una difracción mínima en un agujero ancho, y experimenta, en cambio, una difracción acentuada al pasar por un orificio pequeño.

Probablemente mejor conocido en los contextos de la astronomía y el radar, es el efecto que ejerce una velocidad relativa en la frecuencia observada en las ondas. Constituye un ejemplo la caída en altura (frecuencia) de la nota producida por el silbido de una locomotora que nos pasa rápida. Este fenómeno de cambio de frecuencia se produce siempre que una fuente de sonido y un oyente (o receptor) se mueven con relación una de otro. Si la fuente y el oyente se mueven acercándose, el intervalo de tiempo que media entre las sucesivas compresiones y enrarecimientos que le llegan al oyente se reduce; en otras palabras, aumenta la frecuencia y la nota suena más alta de tono.

Se produce el efecto opuesto cuando el oyente y la fuente de sonido se alejan entre sí.

Generación y Propiedades del Sonido

El sonido procedente de una fuente puntual se propaga en todas direcciones: hacia arriba, hacia abajo y hacia los lados. Las ondas de presión -una serie de compresiones y enrarecimientos- no son planas, sino que toman la forma de esferas concéntricas con la fuente de sonido en el centro. Cada esfera se aleja de ella a una velocidad constante y la distancia existente entre cada esfera y la siguiente es igual a una longitud de onda. Al alejarse cada onda hacia afuera aumenta el área de su superficie, diluyéndose cada vez más la cantidad de energía contenida en cada compresión y reduciéndose, por lo tanto, la intensidad de la onda y el volumen que se percibe.

Reflexión, Refracción y Difracción

La recepción de las ondas sonoras por el oído humano depende de otros factores además de la distancia. Dos de los más importantes son la presencia de un obstáculo entre el oyente y la fuente de sonido, y un cambio de la distancia que media entre el oyente y la fuente de sonido mientras se está emitiendo éste. El primero da origen a la reflexión, difracción y refracción de las ondas sonoras. El segundo da origen a lo que conocemos, por el nombre de su descubridor, como efecto Doppler: un cambio de frecuencia (y longitud) en la onda de sonido, que se produce cuando el oyente y la fuente de sonido se mueven uno con respecto de otro.

La reflexión del sonido es un fenómeno común que da lugar a los ecos y reverberaciones. Igual que todos los demás movimientos ondulatorios (incluyendo la luz), el sonido obedece a la ley de reflexión: el ángulo de incidencia (es decir, con el que la onda sonora choca contra una superficie de reflexión) es igual al de reflexión. Hay, sin embargo, diferencias entre la reflexión del sonido y, digamos, la de la luz. Sólo una superficie muy pulida nos da una reflexión regular de la luz, mientras que las superficies muy ásperas reflejan, en cambio, las ondas sonoras. Por otra parte, éstas necesitan una superficie grande (por lo menos de varios metros cuadrados) para reflejarse con poca distorsión, mientras que las ondas luminosas pueden hacerlo en una superficie reducidísima. La razón de esta diferencia es que las ondas luminosas tienen longitudes de onda cortísimas (unas millonésimas de centímetro), por lo que una superficie diminuta puede reflejar ondas completas, mientras que las ondas sonoras tienen gran longitud (hasta de varios metros), lo que exige superficies mucho mayores para su debida reflexión.

Cuando una onda sonora topa con un obstáculo relativamente pequeño (menor que la longitud de la onda), se refleja muy poco de ella; lo que hace la onda es dispersarse y rodear el obstáculo. Este fenómeno, que tuerce las ondas hacia regiones no directamente expuestas a su fuente de origen, se llama difracción. Se produce también cuando las ondas sonoras tropiezan con un borde o un orificio existente en un obstáculo.

El sonido -como los demás tipos de movimiento ondulatorio- sufre la reflexión y la difracción, y también es refractado cuando pasa de un medio a otro de densidad diferente. Cuando ocurre esto, una cantidad considerable del sonido se refleja en la frontera que separa ambos medios, lo que reduce su intensidad y no permite detectar fácilmente su refracción.

La forma esférica de un frente de onda de sonido puede apreciarse claramente en la fotografía de una explosión, en la que ese frente se ve como una burbuja. Esta rarísima fotografía, que es de hecho un fotograma aislado de una película de cine ultrarrápida, nos muestra la explosión unos milisegundos después de la detonación. Una técnica especial, llamada estrioscopia (que hace visibles las diferencias existentes en la densidad del aire), se empleó también para visualizar el frente de la onda