Reflexión del Sonido

La reflexión del sonido sigue la ley de "el ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión", llamada a veces ley de la reflexión. El mismo comportamiento se observa con las ondas de luz y de otro tipo, y con el rebote de una bola de billar contra una banda de la mesa. Las ondas reflejadas pueden interferir con las ondas incidentes, produciendo patrones de interferencia constructiva y destructiva. Esto puede llevar a resonancias denominadas ondas estacionarias confinadas. También significa que la intensidad del sonido cerca de una superficie dura se mejora debido a que la onda reflejada se suma a la onda incidente, dando una amplitud de presión que es dos veces mayor en una delgada "zona de presión" cerca de la superficie. Esto se utiliza en los micrófonos de zona de presión para aumentar la sensibilidad. La duplicación de la presión da un aumento de 6 decibelios en la señal captada por el micrófono. La reflexión de ondas en cuerdas y columnas de aire son esenciales para la producción de ondas estacionarias resonantes en esos sistemas.

Ejemplos de Reflexión

Onda Plana, Superficie Plana

Fuente Puntual, Superficie Plana

Fuente Puntual, Superficie Cóncava

Cambio de Fase en la Reflexión

La fase de las ondas sonoras reflejadas por superficies duras y la reflexión de ondas de cuerdas por sus extremos, determinan si la interferencia de las ondas reflejadas e incidentes será constructiva o destructiva. En los extremos de las cuerdas, las ondas sufren un cambio de fase, y esto juego un importante papel en la producción de las resonancias en las cuerdas. Puesto que la onda reflejada y la onda incidente cuando se mueven en direcciones opuestas se añaden la una a la otra, se pierde el aspecto de propagación, y la vibración resultante se denomina onda estacionaria.

Cuando las ondas sonoras en el aire (ondas de presión) encuentran una superficie dura, no hay cambio de fase en la reflexión. Es decir, cuando la parte de alta presión de una onda sonora choca contra la pared, se refleja como una alta presión, no una baja presión, que sería una inversión de fase. Téngase en cuenta que cuando se habla de la presión asociada con una onda sonora, una presión positiva o "alta", es la que está por encima de la presión atmosférica ambiental y una presión negativa o "baja" es una que está por debajo de la presión atmosférica. Una pared se dice que tiene una mayor "impedancia acústica" que el aire, y cuando una onda encuentra un medio de mayor impedancia acústica no hay cambio de fase en la reflexión.

Por otro lado, si una onda sonora en un sólido choca contra una pared de aire, la onda de presión que se refleja sobre el sólido, experimentará una inversión de fase -una parte de alta presión se refleja como una región de baja presión-. Es decir, las reflexiones en un dispositivo de menor impedancia serán invertidas en fase.

Además de manifestarse en la "zona de presión" en el aire cerca de una superficie dura, la naturaleza de las reflexiones contribuyen a las ondas estacionarias en habitáculos y en las columnas de aire que se constituyen en los instrumentos musicales.

Las condiciones que conducen a un cambio de fase en un extremo, pero no el otro también se pueden prever con una cuerda si se presume que el extremo suelto de la cuerda está limitado a moverse sólo transversal a ella. El extremo suelto representaría una interfaz con una menor impedancia efectiva y no produciría ningún cambio de fase para la onda transversal. En muchos aspectos, la cuerda y la columna de aire son justamente la inversa la una de la otra.

Zona de Presión

La intensidad de sonido cerca de una superficie dura se mejora porque la onda reflejada se suma a la onda incidente, dando una amplitud de presión que es dos veces mayor en una delgada "zona de presión" cerca de la superficie. Esto se utiliza en los micrófonos de zona de presión para aumentar la sensibilidad. La duplicación de la presión da un aumento de 6 decibelios en la señal captada por el micrófono.

Este es un intento de visualizar el fenómeno de la zona de presión en términos de la dinámica de las moléculas de aire que intervienen en el transporte de la energía del sonido. Las moléculas de aire están por supuesto, en movimiento continuo por su energía térmica y tienen energía como resultado de la presión atmosférica. La energía involucrada en el transporte del sonido en general es muy pequeña en comparación con el total de energía. Si se visualiza los vectores de velocidad que se muestran en la ilustración como justamente esa energía adicional que se asocia con la energía del sonido en la onda longitudinal, entonces se puede argumentar que las componentes horizontales de las velocidades se invertirán tras la colisión con la pared. Suponiendo que las colisiones con la pared son elásticas, no se pierde energía en las colisiones. Viendo la colección de moléculas como un "fluido", se puede invocar la idea de que la presión interna de un líquido es una medida de la densidad de energía. La energía de las moléculas que se reflejan de la pared se suma a la de las moléculas que se aproximan a la pared en el volumen muy próximo de la pared, doblando efectivamente la densidad de energía y por lo tanto la presión asociada con la onda de sonido.