E22 Ondas Mecánicas

Tópico

Las ondas mecánicas requieren un medio elástico para propagarse, y su velocidad depende de la rigidez y la densidad de ese medio. Por ello, una onda sonora se propaga mucho más lentamente en el aire que en el agua, donde la rigidez y la densidad son considerablemente mayores. Esta diferencia de velocidad tiene consecuencias importantes para el funcionamiento de los sistemas auditivos terrestres y acuáticos.

La impedancia acústica combina la densidad del medio con la velocidad de propagación y determina qué proporción de la energía de una onda se transmite o se refleja cuando alcanza la interfaz entre dos medios. Cuanto mayor es la diferencia de impedancia, menor resulta la transmisión. En la interfaz entre aire y agua, donde la impedancia del agua es miles de veces mayor, solo una pequeña fracción de la energía logra pasar de un medio al otro. Un problema equivalente aparece en el oído de los mamíferos terrestres, porque la onda debe pasar desde el aire hasta los fluidos del oído interno. La cadena de huesecillos actúa como transformador de impedancia y mejora considerablemente esa transferencia de energía.

El rango de frecuencias audibles varía ampliamente entre especies. Según el modelo, su límite superior está relacionado con la velocidad de procesamiento de las células ciliadas del oído, mientras que el límite inferior depende del tamaño del aparato auditivo, por ejemplo de la longitud de la cóclea o de la membrana auditiva. Un sistema auditivo más pequeño tiende, por tanto, a presentar un límite inferior de frecuencia más alto que uno de mayor tamaño. Las dimensiones y propiedades fisiológicas del sensor condicionan así directamente el intervalo de ondas mecánicas que una especie puede detectar.

El efecto Doppler permite obtener información adicional sobre el movimiento relativo de una fuente. Cuando la fuente y el receptor se aproximan o se alejan, cambia la frecuencia observada. Los murciélagos aprovechan este principio durante la ecolocalización: emiten pulsos y analizan el corrimiento Doppler de sus ecos para estimar la velocidad de una presa. Una polilla que se aleja produce un desplazamiento de frecuencia pequeño, pero detectable gracias a la extraordinaria resolución espectral de la cóclea especializada del murciélago. Cuanto mayor sea la velocidad de alejamiento de la presa, mayor será el corrimiento Doppler y más fácil resultará detectarlo.

Esta elevada resolución espectral tiene, sin embargo, un costo: según el modelo, distinguir diferencias de frecuencia muy pequeñas exige sacrificar parte de la resolución temporal. Aparece así una compensación entre determinar con gran precisión la frecuencia de una señal y localizar con igual precisión el momento en que esta ocurre.

La velocidad de propagación también determina una de las principales claves utilizadas para localizar horizontalmente una fuente sonora: la diferencia interaural de tiempo. Cuando el sonido procede de un costado, alcanza primero el oído más próximo y después el más alejado. En el ser humano, debido a la separación entre ambos oídos, esta diferencia puede alcanzar varios cientos de microsegundos cuando la fuente se encuentra directamente a un lado.

El sistema auditivo humano puede detectar diferencias temporales mucho menores que ese máximo, lo que requiere una comparación neural extraordinariamente precisa de las señales recibidas por ambos oídos. Según el modelo, esta coincidencia temporal se realiza en el núcleo olivar superior y permite transformar diferencias de llegada extremadamente pequeñas en información sobre la posición horizontal de la fuente.

El medio modifica también la magnitud de estas diferencias temporales, porque estas dependen de la velocidad de propagación de la onda. Para una misma separación entre los receptores y una misma posición angular de la fuente, una menor velocidad de propagación genera una diferencia interaural de tiempo mayor y, por tanto, potencialmente más fácil de detectar.

En conjunto, la percepción auditiva está directamente condicionada por las propiedades físicas de las ondas mecánicas y del medio que las transporta. La rigidez y la densidad determinan la velocidad de propagación; la impedancia controla la transmisión de energía entre medios; el tamaño y la fisiología del aparato auditivo delimitan el rango audible; el efecto Doppler proporciona información sobre la velocidad relativa de las fuentes, y las diferencias interaurales de tiempo permiten determinar su dirección.

Así, un sistema auditivo no se limita a detectar vibraciones: aprovecha las propiedades físicas de las ondas para extraer información sobre frecuencia, movimiento y posición espacial, adaptándose al medio en el que vive cada organismo.

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