17.1 Ondas sonoras

El sonido es una alteración de la materia (una onda de presión) que se transmite desde su origen hacia el exterior. La audición es la percepción del sonido.
El sonido se puede modelar en términos de presión o de desplazamiento de moléculas.
El oído humano es sensible a frecuencias entre 20 Hz y 20 kHz.

17.2 Velocidad del sonido

La velocidad del sonido depende del medio y de su estado.
En un fluido, debido a la ausencia de fuerzas de corte, las ondas sonoras son longitudinales. Un sólido puede soportar ondas sonoras tanto longitudinales como transversales.
En el aire, la velocidad del sonido está relacionada con la temperatura del aire T mediante $v = 331 \frac{m}{s} \sqrt{\frac{T_{K}}{273 K}} = 331 \frac{m}{s} \sqrt{1 + \frac{T_{C}}{273 ° C}} .$
v es el mismo para todas las frecuencias y longitudes de onda del sonido en el aire.

La intensidad $I = P / A$ es la misma para una onda sonora que se definió para todas las ondas, donde P es la potencia que atraviesa el área A. La unidad SI para I es vatios por metro cuadrado. La intensidad de una onda sonora también está relacionada con la amplitud de la presión $Δ p :$
$I = \frac{{(Δ p)}^{2}}{2 ρ v},$
donde $ρ$ es la densidad del medio en el que se desplaza la onda sonora y $v_{w}$ es la rapidez de sonido en el medio.
El nivel de intensidad del sonido en unidades de decibeles (dB) es
$β (dB) = 10 {log}_{10} (\frac{I}{I_{0}}),$
donde $I_{0} = 10^{−12} {W/m}^{2}$ es el umbral de intensidad de la audición.
La percepción de la frecuencia es el tono. La percepción de la intensidad es el volumen y el volumen tiene unidades de fonios.

El sonido no deseado se puede reducir mediante interferencia destructiva.
El sonido tiene las mismas propiedades de interferencia y resonancia definidas para todas las ondas.
En las columnas de aire, la resonancia de frecuencia más baja se denomina fundamental, mientras que todas las frecuencias de resonancia más altas se denominan sobretonos. En conjunto, se denominan armónicos.

Algunos instrumentos musicales se pueden modelar como tubos que tienen condiciones de frontera simétricas: abiertos en ambos extremos o cerrados en ambos extremos. Otros instrumentos musicales se pueden modelar como tubos que tienen condiciones de frontera antisimétricas: cerrados en un extremo y abiertos en el otro.
Algunos instrumentos, como el órgano de tubos, tienen varios tubos con diferentes longitudes. Los instrumentos como la flauta varían la longitud del tubo cerrando los agujeros a lo largo de este. El trombón varía la longitud del tubo mediante una barra deslizante.
Los instrumentos de cuerda producen sonido mediante una cuerda que vibra con nodos en cada extremo. El aire que rodea la cuerda oscila a su frecuencia. La relación de las frecuencias para la cuerda es la misma que para las condiciones de frontera simétricas del tubo, y la longitud del tubo se sustituye por la longitud de la cuerda y la velocidad por $v = \sqrt{\frac{F_{T}}{μ}} .$

Cuando dos ondas sonoras que difieren en frecuencia interfieren, se crean batimientos con una frecuencia de batimiento que es igual al valor absoluto de la diferencia de las frecuencias.

El Efecto Doppler es una alteración de la frecuencia observada de un sonido debido al movimiento de la fuente o del observador.
El cambio real de frecuencia se denomina corrimiento Doppler.

El número Mach es la velocidad de una fuente dividida entre la velocidad del sonido, $M = \frac{v_{s}}{v} .$
Cuando una fuente de sonido se mueve más rápido que la velocidad del sonido, se produce una onda expansiva al interferir las ondas sonoras.
La explosión sónica es el sonido intenso que se produce cuando la onda expansiva se desplaza por el suelo.
El ángulo que produce la onda expansiva se puede calcular como $sen θ = \frac{v}{v_{s}} = \frac{1}{M} .$
La estela de proa se produce cuando un objeto se mueve más rápido que la velocidad de una onda mecánica en el medio, como un barco que se mueve a través del agua.