Algo Sobre el Sonido y Cómo se Propaga en el Contexto de los Sistemas de Alerta Pública – Parte 1/2

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Motto: De hecho, es el oído, no la vista, el sentido social más importante de los seres humanos. El sistema auditivo es su órgano de comunicación más importante.  

Sistema de Información Visual versus Auditivo 

Un sistema visual de alerta temprana tiene capacidades limitadas. Mencionemos solo dos aspectos: alcance e interpretación por la percepción visual humana. Debes estar mirando en la dirección correcta para registrar una señal visual. La fuente de esta señal puede estar detrás de un obstáculo inesperado. Podrías encontrarte en un espacio lleno de humo, y el brillo de un fuego puede enmascarar una señal o instrucción visual de advertencia. El ojo humano no puede extraer una señal visual del brillo de las llamas. La intensidad de las llamas puede cegarte, haciendo que otros aspectos sean imperceptibles… 

Una señal acústica es interpretada por los humanos de una manera mucho más compleja. Por ejemplo, la pérdida de sonido al ver una película resulta mucho más disruptiva que la pérdida de la imagen. Un sistema de alerta acústica, por ejemplo, una sirena de evacuación, cumple su función incluso en el caos total, cuando se siguen subconscientemente sus instrucciones. El sistema auditivo puede extraer las instrucciones de control de un Sistema de Alerta de Emergencia incluso cuando el ruido de fondo (por ejemplo, paredes derrumbándose, rugido del fuego, etc.) está al mismo nivel que la señal de advertencia, porque el habla es una señal correlacionada: las palabras individuales siguen un orden lógico. Las instrucciones acústicas son accesibles desde cualquier posición, incluso en un ambiente lleno de humo. Existe un amplio campo de la ciencia, la psicoacústica, que aborda estos y muchos otros aspectos. No se conoce un equivalente en el contexto de la percepción visual. 

Transmisión de Información a Través de un Medio  

Toda transmisión de información depende de la transferencia de energía. El transporte de información o energía puede requerir o no un medio de transmisión. En el caso del sonido, el medio necesario es la atmósfera terrestre. Su ventaja es la ubicuidad, lo que hace del sonido una herramienta dominante para transmitir información de advertencia e instrucciones relacionadas a través de sistemas acústicos de alerta masiva. 

La Atmósfera Terrestre Como Gas 

La enorme masa de aire ejerce una fuerza sobre nosotros que ni siquiera notamos. Esta fuerza, normalizada por unidad de área, define la presión atmosférica. La presión atmosférica disminuye con la altitud y es directamente proporcional a la densidad de las moléculas de aire (dominadas por oxígeno y nitrógeno). Al nivel del mar, la presión atmosférica ejerce aproximadamente 10 toneladas por metro cuadrado. La presión atmosférica actúa igualmente desde todos los lados, independientemente de la posición del cuerpo. 

Las fuerzas intermoleculares en un gas son atractivas a distancias muy cortas (débiles fuerzas de Van der Waals) y repulsivas a largas distancias. La fuerza repulsiva permite que un gas ocupe un volumen ilimitado. Sin gravedad, la atmósfera terrestre se dispersaría; ni siquiera sería necesario el viento solar. La fuerza atractiva acerca las moléculas entre sí, dando al gas real una tendencia a ocupar un volumen menor que un gas ideal. Cuando, debido a una perturbación propagada, los átomos de oxígeno y nitrógeno se acercan, ocurre contacto físico porque ninguna fuerza repulsiva lo impide. Qué interacción domina depende de la temperatura y la presión. A la presión y temperatura atmosférica terrestre, el aire sigue siendo un gas, y por lo tanto está disponible para los Sistemas de Alerta Acústica. 

Qué Es el Sonido  

En el contexto del sonido, la presión atmosférica puede considerarse constante. El oído no percibe la presión atmosférica ni sus cambios lentos (por ejemplo, debido al clima). Incluso está adaptado a tales cambios lentos (trompa de Eustaquio). Pero: el oído detecta cambios muy rápidos en la presión atmosférica. En pocas palabras, el sonido es un cambio suficientemente rápido (pero no demasiado) y suficientemente grande en la presión atmosférica actual. El oído registra cambios de presión que duran entre 0,050 y 0,000050 segundos. Si los cambios duran más de 0,050 segundos o menos de 0,000050 segundos, no los escuchamos. Una vez más: el oído detecta únicamente la dinámica rápida de la presión atmosférica. Y son precisamente estos cambios rápidos los que generan los dispositivos de advertencia en los sistemas públicos de alerta. Comparadas con la presión atmosférica, las amplitudes de estos cambios dinámicos (que crean sonido) son muy pequeñas. Expresadas como porcentaje de la presión atmosférica, varían entre 0,000000020% (umbral de audición) y 0,1% (umbral de incomodidad). Para ilustrar: el umbral de audición corresponde al zumbido de un mosquito a tres metros de distancia. 

Interpretación de la Generación de Sonido a Nivel Molecular

Las partículas de sonido tienen fuerzas mutuas mínimas, despreciables. Las moléculas individuales se mueven libremente y de manera caótica en el llamado movimiento browniano. Este movimiento también crea cambios dinámicos rápidos en la presión atmosférica, pero insignificantes para el sonido. Para generar sonido, debemos inducir una compresión colectiva rápida y posterior rarefacción de la densidad de partículas, es decir, de la presión atmosférica local, lo cual es exactamente lo que hace un dispositivo de advertencia electrónico. Imaginemos generar este proceso una vez. Localmente, creamos un evento: una perturbación en la presión atmosférica estable. Hemos generado una perturbación sonora. Bien, pero ¿cómo la detecta el oído incluso a distancia? Porque esta perturbación atmosférica (sonido) se propaga a través del espacio, mediante el medio, la atmósfera. 

Mecanismo de Propagación de la Perturbación Acústica a Través de la Atmósfera

Nota: La descripción verbal que sigue se ilustra visualmente en la Parte 2, así que no te desanimes. 

El aire es compresible (no es sorprendente, ya que el espacio entre moléculas de aire dispersas es casi un vacío). 

Sea el estímulo inicial, por ejemplo, la vibración de la membrana de un dispositivo de advertencia. La membrana colisiona con la molécula de aire más cercana, la molécula #1, transmitiéndole momento y energía cinética. Esta primera partícula atacante recorre cierta distancia (dependiendo de su masa y el desplazamiento de la membrana) y choca con la partícula vecina, la molécula #2. Esta colisión es elástica porque las moléculas de aire son elásticas. Solo en el momento del impacto importan las fuerzas intermoleculares. 

La primera partícula transfiere parte de su momento a la segunda de acuerdo con la ley de conservación del momento, empujándola en la dirección de la fuerza cinética de la partícula #1. 

La energía restante excita ambas partículas, posiblemente impartiendo rotación. Debido a la elasticidad de las partículas y la tercera ley de Newton, la partícula #1 se empuja hacia atrás, a menos que sea golpeada inmediatamente por la siguiente partícula atacante #3. De lo contrario, la partícula #1 simplemente se detendría y continuaría moviéndose caóticamente por movimiento browniano. 

En cada impacto y rebote, parte de la energía cinética se convierte en vibración: resonancia del micro sistema elástico de la partícula de aire, donde las dimensiones dominantes de la partícula cambian periódicamente. La molécula es elástica. 

Dado que el ataque ocurre en un ángulo no ortogonal, la partícula atacada adquiere cierta rotación. 

Estos dos aspectos representan pérdidas por absorción en la propagación del sonido. 

El fenómeno ocurre colectivamente y de manera coherente en toda la superficie de la membrana, creando mayor densidad molecular cerca de la membrana y aumentando la presión. 

Durante el desplazamiento opuesto de la membrana, ocurre lo mismo detrás de ella, es decir, frente a la membrana, provocando rarefacción del aire y reducción de la densidad de partículas: presión negativa. 

De la descripción anterior, queda claro que el movimiento de las partículas —el efecto ping-pong— ocurre en la dirección de propagación del sonido. Este rápido cambio de presión atmosférica se propaga longitudinalmente por el aire, con el movimiento de las partículas paralelo a la propagación de las ondas. Cuando la membrana de un altavoz se desvía bruscamente, desencadena una reacción en cadena que permite la propagación eficiente de la perturbación como una fluctuación rápida de la presión atmosférica. 

Desplazamiento Espacial de Partículas de Aire Excitadas

En este contexto, hablamos no de la vibración de partículas, sino de su desplazamiento espacial. Esto concuerda con estudios que determinan el desplazamiento máximo de las partículas de aire. Este desplazamiento depende de la magnitud de la presión acústica. Qué tan bruscamente choca una partícula con la siguiente depende del vector de presión acústica y de la velocidad del cambio atmosférico. 

En el umbral de audición, el desplazamiento de la partícula es de 0,000000000008 metros; para presión acústica ordinaria, aproximadamente 0,00000004 metros; en el umbral de incomodidad (presión máxima tolerable), el desplazamiento máximo de la partícula es de 0,00004 metros. 

Para referencia: un átomo de hidrógeno es aproximadamente diez veces más grande que el desplazamiento mínimo de una partícula de aire excitada. De hecho, con un desplazamiento mínimamente audible, podemos cuestionar si el aire todavía puede considerarse un continuo para la transmisión del sonido. 

Cabe destacar que el movimiento térmico browniano de las moléculas tiene una amplitud solo un orden de magnitud menor (diez veces menor) que el desplazamiento de la partícula en el umbral de audición. Por lo tanto, el sistema auditivo opera al límite de lo físicamente posible. Si fuera ligeramente más sensible, podríamos decir que podría “oír crecer la hierba”. 

Artículo escrito por

Stanislav Gašpar

Stanislav trabajó en el diseño de electrónica durante mucho tiempo antes de hacer la transición a la acústica, aportando un enfoque no conformista para abordar los temas relacionados. Recientemente, en el contexto de la acústica, le resulta estimulante interactuar con la IA, con el objetivo de hacer que se contradiga a sí misma e imponer su propia interpretación del problema presentado. A través de años de experiencia en la industria tecnocrática, ha llegado a adoptar dos principios guía: la realidad es órdenes de magnitud más compleja de lo que la interpretamos, y la verdadera diversión comienza cuando «algo no funciona». Además, disfruta expresar sus pensamientos sobre poesía y música.

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