FISICA DEL SONIDO

INTRODUCCION

El oído es uno de nuestros sentidos más importantes, que junto al sentido de la visión y con la

capacidad de hablar, contribuye de forma significativa a nuestra calidad de vida.

En nuestra vida diaria, identificamos en forma inconsciente los sonidos relevantes y los separamos

del ruido de fondo, podemos localizar las fuentes de sonido y reaccionamos, muchas veces de forma

refleja, a los sonidos inesperados. Cerca del 12% de la población en general, experimenta durante su

vida una disminución o pérdida de la audición, que puede presentar una discapacidad para ser

tomada en consideración.

LA FISICA DEL SONIDO PROPIEDADES DE LAS ONDAS SONORAS Y AUDICION

Llamaremos sonido a toda aquella perturbación que sea perceptible por el oído humano, lo cual solo

sucederá si la frecuencia de estas vibraciones está comprendida entre 8 y 20 000 ciclos por

segundos. Estas vibraciones pueden propagarse por cualquier medio mecánico sólido, líquido o gas.

Las ondas sonoras están constituidas por ondas longitudinales, en donde las moléculas vibran con

relación a sus posiciones de equilibrio en forma paralela a la propagación del sonido.

Los sonidos complejos son mezclas de tonos puros, éstos pueden relacionarse en forma armónica, y

en este caso darían una sensación subjetiva de tono, o también relacionarse en forma aleatoria que

es lo que percibimos como ruido.

La frecuencia de los sonidos audibles se mide en ciclos por segundo o

hercios (Hz).

Una onda sinusal simple (Fig.1) nos ayuda para conocer un tono puro

por el aumento y la disminución cíclica en la compresión de moléculas de

aire. El intervalo de tiempo entre dos picos o crestas de onda es el

periodo, la distancia recorrida en un periodo es la longitud de onda, y el

número de ciclos por segundo es la frecuencia. La intensidad es la

diferencia entre la energía del punto más alto de la onda (pico) y la del

punto más bajo (valle), medida por el tímpano. El espacio entre el foco

sonoro (la fuente que produce el sonido) y el elemento receptor (nuestro

oído) es el llamado campo sonoro.

N = 10 x log Intensidad X 10-16

La gama normal de frecuencias del ser humano es de 50 a 16000 Hz. La mayor parte de los sonidos

del habla humana están comprendidos entre los 100 y 8000 Hz, y la sensibilidad auditiva es máxima

entre los 1000 y 3000 Hz. La exposición al ruido fuerte puede causar una pérdida de la audición

selectiva de algunas frecuencias y el envejecimiento normal puede reducir la gama de frecuencias

audibles.

Intensidad y Sonoridad: Frente a las presiones sonoras, el oído soporta desde 10-16 watt/cm2 (umbral auditivo) hasta los 10-4

watt/cm2 (umbral de dolor). Este es un rango muy amplio, por ejemplo el sonido de un rifle produce

una presión sonora 100 000 000 de veces mayor que una hoja seca que cae de un árbol.

La intensidad es la energía sonora transportada por unidad de tiempo y que atraviesa un área

perpendicular a la dirección de propagación. Es decir se refiere a la potencia acústica por unidad de

superficie y se expresa en watt/cm2.

La sensación subjetiva de la intensidad se define como sonoridad y depende de la frecuencia,

ancho de banda y duración del sonido.

Intensidad relativa: Según Fechner y Weber, la sensación subjetiva de la intensidad es proporcional al

logaritmo de la intensidad según la forma:

Donde N es el nivel de la sonoridad en decibelios (dB)

Intensidad X (intensidad del sonido a evaluar)

Dado que la sonoridad define un fenómeno subjetivo de gran amplitud, se utiliza una escala

comprimida logarítmica en lugar de lineal. Las cantidades varían en una relación de 1:100 000 000

(1:106), por lo tanto es que usa una escala logarítmica, siendo la unidad el Bell (Belio).

El Belio resulta ser una escala muy grande en la practica por lo que habitualmente se utiliza la décima

parte, el decibelio (dB). El nivel de referencia de presión acústica adoptado universalmente es el

correspondiente al umbral de audición humana, es decir 10-16watt/cm2, lo que equivale a 0 dB SPL

(Sound Pressure Level o Nivel de Presión Sonora)

La intensidad física del sonido, que provoca una percepción subjetiva de intensidad se mide en

unidades llamadas decibelios (dB). La intensidad también está relacionada con el nivel de presión

sonora en la membrana timpánica, así un sonido 10 veces más potente que uno apenas audible

tiene un nivel de presión sonora de 20 dB. Los niveles de una conversación normal es de más o

menos 50 dB. Los sonidos por encima de los 120 o 130 dB provocan dolor y la exposición repetida a

sonidos de más de 150 dB (como la de las turbinas de avión) causan un daño coclear permanente.

Procesamiento del sonido:

El oído puede dividirse anatómicamente en

oído externo, medio e interno. (Fig.2).

Oído externo: las ondas sonoras son captadas

por el pabellón auricular son encauzadas a

través del conducto auditivo externo hasta la

membrana timpánica. Las propiedades de

resonancia del pabellón auricular y del

conducto realzan algunas frecuencias mas que

otras, todo depende desde la dirección con la

que llega el sonido, por lo que la lesión o

destrucción del pabellón auricular pueden

deteriorar la precisión de la localización del

sonido.

Oído medio: conocido también como

cavidad timpánica, es un espacio en el

hueso temporal llena de aire e interpuesto

entre la membrana timpánica y las

estructuras del oído interno.

Los sonidos son transmitidos a través de

este espacio desde la membrana timpánica

hasta el oído interno, lleno de líquido, por

una cadena de tres huesecillos: el martillo,

el yunque y el estribo (Fig.3).

En un extremo de esta cadena el mango del

martillo se halla anclado a la membrana

timpánica, y en el otro, la base del estribo

encaja en la ventana oval.

Los tres huesecillos actúan amortiguando

los movimientos del tímpano mientras

incrementan la fuerza aplicada en la

ventana oval.

Fig.3

Fig.2

La rigidez mecánica de la cadena de huesecillos sirve para compensar la diferencia de impedancia

entre los medios aéreo y líquido (una función llamada ajuste de impedancia); Con ello se logra que la

transferencia de energía entre ambos medios sea óptima. La rigidez de la cadena de huesecillos

puede ser modificada por dos músculos situados en el oído interno: El ms. tensor del tímpano y el

músculo del estribo.

Oído interno: Estructura de la cóclea: la forma de la cóclea es semejante a la de la concha de un

caracol (Fig.2) La cóclea membranosa es la parte enroscada del oído interno, está encerrada en la

cóclea ósea y consta de tres compartimentos espirales.

El compartimiento central de la cóclea membranosa es el conducto coclear o rampa media. Sobre

ella se ubica la rampa vestibular que se comunica con el vestíbulo (que es la parte del oído interno

membranoso que queda entre la ventana oval y la cóclea). Por debajo se halla la rampa timpánica

que termina en la ventana redonda que separa a este espacio de la cavidad del oído medio. La rampa

media o conducto coclear está limitada por la membrana basilar (por abajo) y por la membrana

vestibular por arriba y por la estría vascular por afuera (Fig.4). La rampa vestibular y timpánica están

rellenas de perilinfa y la endolinfa llena la rampa media.

Fig.4

El órgano de Corti es el epitelio sensorial especializado que descansa sobre la membrana basilar

(Fig.4). A él pertenecen las células ciliadas internas y externas, las células de sostén y la membrana

tectoria. (Fig.5)

Fig.5

Transducción mecanoeléctrica: las células ciliadas internas son transductores que convierten la

fuerza mecánica en una señal eléctrica. La endolinfa tiene una cantidad alta de K+. En cambio la

perilinfa tiene una alta cantidad de Na+. La diferencia de potencial entre la endolinfa y la perilinfa es

de +80mV y las bombas iónicas de la célula ciliada producen un potencial intracelular de reposo de

unos -70mV.

Cuando la membrana basilar asciende debido al movimiento del líquido de la rampa timpánica, los

estereocilios, (cilios situados en la parte apical de los cilios) (Fig.5), son desplazados hacia la

membrana tectoria, haciendo que se abran los canales iónicos de estos, permitiendo que el K+ fluya a

favor del gradiente eléctrico para despolarizar a la célula. Como consecuencia se activan los canales

de Ca2+ liberando su neurotransmisor y despolarizando la fibra aferente y consiguiendo así un

potencial de acción a lo largo del nervio coclear.

El potencial varia de manera sincrónica con el sonido que estimula al oído: Potencial microfónico

coclear.

Sintonización de la cóclea: la cóclea actúa como un filtro de frecuencias que separa y analiza las

frecuencias individuales que componen los sonidos complejos.

En la ventana oval, el estribo comprime la perilinfa,

provocando el movimiento de la membrana basilar que

se refleja en una onda que viaja a lo largo de ella.

Por lo tanto los tonos puros producirán una onda que

se desplazará a lo largo de la membrana basilar y su

amplitud máxima tendrá un punto concreto de la

membrana. Para los tonos agudos, éste punto está

cerca de la base de la cóclea y las frecuencias bajas,

es más distal.

Fig.6

Esta representación de frecuencias se transmite a lo largo de toda la vía auditiva. Todas las fibras del

nervio coclear hacen sinapsis en los núcleos cocleares, los núcleos del complejo olivar superior y el

cuerpo trapezoide, los núcleos del lemnisco lateral, y el tubérculo cuadrigémino inferior. (Estructuras

neuroanatómicas del tronco cerebral) Para posteriormente llevar la información auditiva al Tálamo

(Cuerpo geniculado medial) y finalmente, desde allí es proyectada a la corteza cerebral auditiva

(lóbulo temporal) donde es procesada la información.

Dr. Guillermo Castillo Kohatsu