21 jul. 2013

física del sonido

http://www.aprendeotorrino.com/2013/03/25/fisica-del-sonido/ 

Un poco de física del sonido

Es muy útil aprender algo de física del sonido para comprender la fisiología de la audición y saber interpretar una audiometría. A continuación expongo algunos conceptos básicos.

La audición es la manera en que nuestro cerebro percibe cierto tipo de energía mecánica denominada sonido

Qué es el sonido

  • El sonido consiste en la propagación de un fenómeno vibratorio a través de un medio elástico (como el aire). Es energía mecánica que se propaga a través de las partículas del medio (sin transporte de materia) en forma de ondas.
  • El oído humano es capaz de captar estas ondas si se encuentran entre 20 y 20.000 Hz. Sin embargo, el oído humano detecta con mayor facilidad frecuencias entre 500 y 3000 Hz, espectro en el que se mueve la voz humana.
  • Las ondas sonoras <20 Hz, si tienen la energía suficiente, pueden llegar a captarse a través del tacto.
Los físicos y los ingenieros de sonido necesitan saber mucho sobre física del sonido (propiedades de la onda, características del medio que favorecen la propagación, etc). Pero para comprender la audición y sus enfermedades nos basta con entender unos pocos datos.

Qué necesita saber un ORL del sonido

La frecuencia es el número de ciclos por unidad de tiempo y se mide en hercios  (Hz). A menor frecuencia, sonido más grave (las teclas más a la izquierda del piano, un terremoto, la voz masculina…). A mayor frecuencia, sonido más agudo (teclas más a la derecha del piano, el pitido del microondas, el tic-tac de un reloj, la voz de una soprano…). Las audiometrías miden la capacidad auditiva en sonidos de 125, 250, 500, 1000, 2000, 3000, 4000 y 8000 hercios.
En el ambiente normal es raro encontrar sonidos de tono puro, o sea, que contengan solo una frecuencia. Un ejemplo es el pitido del microondas. La mayor parte de sonidos son complejos, es decir, mezcla de varias frecuencias, como por ejemplo la voz humana.
La intensidad del sonido es la cantidad de energía por unidad de superficie en un tiempo determinado. Es fundamental su uso en medicina, pues así definimos si una persona tiene una audición normal o si su audición está alterada. Tiene cierta equivalencia con la presión sonora, que se mide en pascales (1 pascal=1 Newton por m2).
Sin embargo, si usáramos los pascales, tendríamos que usar gráficas grandísimas, porque el oído humano detecta sonidos de 20 micropascales de presión, y el umbral doloroso está en unos 20 pascales. Además, el oído humano necesita menos pascales para percibir algunas frecuencias que otras. Por eso se idearon los decibelios.

Hay varios tipos de decibelios. Centrémonos en los que necesita un otorrino

El decibelio (dB) es una medida logarítmica y se aplica a proporciones de presión, voltaje, intensidad… Si lo aplicamos a Intensidad, mide la intensidad de un sonido en relación con una intensidad de referencia.
 {\mathrm{dB}}= 10\times \log_{10} \frac{P_S}{P_E}
Como se puede ver, es una función logarítmica. Realmente el oído humano funciona también en modo logarítmico.

En audiología usamos el dB SPL (sound pressure level) y el dB HL (hearing level)

En el dB SPL, la intensidad de referencia en la fórmula logarítmica es de 20 micropascales. En la siguiente gráfica vemos varias curvas SPL: la más inferior muestra el umbral de detección del oído humano en distintas frecuencias:
Umbrales auditivos en decibelios SPL
Umbrales auditivos en decibelios SPL
Si miras un rato esta gráfica sin sentir escalofríos (es lo que nos pasa a los alérgicos a las matemáticas), te darás cuenta de que el ser humano necesita mucha más cantidad de energía de sonido para percibir sonidos graves (20, 40, 100 Hz) que para percibir sonidos entre 500 y 4000 Hz.
Si quisiéramos usar los dB SPL para representar la audición de un paciente con sordera, tendríamos una línea curva distinta, pero sería difícil de entender, poco intuitiva. Por eso se crearon los decibelios Hearing Level (dB HL). Con estos decibelios, las curvas auditivas normales son casi planas, y las curvas auditivas patológicas son fáciles de detectar de un vistazo.

Los decibelios HL hacen que la audiometría sea fácil de interpretar

En la escala HL, cero decibelios de un sonido NO es la ausencia de sonido. Es la mínima intensidad a la que las personas con audición sana perciben cada frecuencia. Algunas personas son capaces de percibir sonidos a -5 y  -10 dB.
En esta tabla se muestra la intensidad en dB SPL del “cero” dB HL para cada frecuencia:
Equivalencia entre dB SPL y dB HL
Equivalencia entre dB SPL y dB HL
Se consideran audición normal los umbrales hasta 20 dB HL. Puede haber diferencias de 5-10 dB entre los umbrales de una frecuencia y otra. Esto hace que las curvas auditivas normales sean casi planas y por tanto las gráficas son más fáciles de interpretar.

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