Las ondas sonoras son ondas de presión que viajan a través de la corteza terrestre, las masas de agua y la atmósfera. Las frecuencias naturales del sonido especifican los atributos de frecuencia de las ondas sonoras que inducirán eficazmente la vibración en un cuerpo (por ejemplo, la membrana timpánica del oído) o que resultan naturalmente de la vibración de ese cuerpo.
Las ondas sonoras son creadas por una perturbación que luego se propaga a través de un medio (por ejemplo, la corteza, el agua, el aire). Las partículas individuales no se transmiten con la onda, pero la propagación de la onda hace que las partículas (por ejemplo, las moléculas de aire individuales) oscilen en torno a una posición de equilibrio.
Cada objeto tiene una frecuencia natural de vibración única. La vibración puede ser inducida por la perturbación forzada directa de un objeto o por la perturbación forzada del medio en contacto con un objeto (por ejemplo, el aire o el agua circundantes). Una vez excitados, todos estos vibradores (es decir, los cuerpos vibratorios) se convierten en generadores de ondas sonoras. Por ejemplo, cuando una roca cae, el aire circundante y la corteza impactada sufren oscilaciones sinusoidales y generan una onda sonora.
Los cuerpos vibratorios también pueden absorber ondas sonoras. Sin embargo, los cuerpos vibratorios sólo pueden vibrar eficazmente a ciertas frecuencias llamadas frecuencias naturales de oscilación. En el caso de un diapasón, si una onda sonora sinusoidal viajera tiene la misma frecuencia que la onda sonora producida naturalmente por las oscilaciones del diapasón, la onda de presión viajera puede inducir la vibración del diapasón a esa frecuencia particular.
La resonancia mecánica se produce con la aplicación de una fuerza periódica a la misma frecuencia que la frecuencia natural de vibración. En consecuencia, a medida que las fluctuaciones de presión de una onda sonora viajera resonante golpean las puntas del diapasón, éstas experimentan fuerzas sucesivas a intervalos apropiados para producir la generación de sonido a la frecuencia de vibración natural o sonido natural. Si la onda viajera resonante sigue ejerciendo fuerza, la amplitud de oscilación del diapasón aumentará y la onda sonora que emana del diapasón se hará más fuerte. Si las frecuencias están dentro del rango de la audición humana, el sonido parecerá crecer más fuerte. Los cantantes son capaces de romper el cristal cantando en voz alta una nota a la frecuencia natural de vibración del cristal. Las vibraciones inducidas en el cristal pueden llegar a ser tan fuertes que el cristal supera su límite elástico y se rompe. Fenómenos similares ocurren en las formaciones rocosas.
Todos los objetos tienen una frecuencia natural o un conjunto de frecuencias a las que vibran.
Las ondas sonoras pueden potenciarse o anularse de acuerdo con el principio de superposición y si están en fase o fuera de fase entre sí. Las ondas de todas las formas pueden sufrir interferencias constructivas o destructivas. Las ondas sonoras también presentan desplazamientos Doppler, es decir, un cambio aparente de frecuencia debido al movimiento relativo entre la fuente de emisión del sonido y el punto de recepción. Cuando las ondas sonoras se mueven hacia un observador, el efecto Doppler desplaza las frecuencias observadas hacia arriba. Cuando las ondas sonoras se alejan de un observador, el efecto Doppler desplaza las frecuencias observadas hacia abajo. El efecto Doppler se observa común y fácilmente en el paso de aviones, trenes y automóviles.
La velocidad de propagación de una onda sonora depende de la densidad del medio de transmisión. Las condiciones meteorológicas (por ejemplo, la temperatura, la presión, la humedad, etc.) y ciertas características geofísicas y topográficas (por ejemplo, montañas o colinas) pueden obstruir la transmisión del sonido. La alteración de las ondas sonoras por las condiciones meteorológicas habituales es generalmente insignificante, excepto cuando las ondas sonoras se propagan a grandes distancias o emanan de una fuente de alta frecuencia. En los casos extremos, las condiciones atmosféricas pueden doblar o alterar la transmisión de las ondas sonoras.
La velocidad del sonido a través de un fluido -en esta definición de «fluido» se incluyen los gases atmosféricos- depende de la temperatura y la densidad del fluido. Las ondas sonoras viajan más rápido a mayor temperatura y densidad del medio. Como resultado, en una atmósfera estándar, la velocidad del sonido (reflejada en el número de Mach) disminuye al aumentar la altitud.
Las condiciones meteorológicas que crean capas de aire a temperaturas dramáticamente diferentes pueden refractar las ondas sonoras.
La velocidad del sonido en el agua es aproximadamente cuatro veces más rápida que la velocidad del sonido en el aire. El sondeo SONAR del terreno oceánico es una herramienta habitual de los oceanógrafos. Propiedades como la presión, la temperatura y la salinidad también afectan a la velocidad del sonido en el agua.
Debido a que el sonido viaja tan bien bajo el agua, muchos biólogos marinos sostienen que la introducción en los océanos de ruidos provocados por el hombre (por ejemplo, el ruido de los motores, la cavitación de las hélices, etc.) interfiere con los métodos de comunicación sonora entre los animales marinos previamente bien adaptados evolutivamente. Por ejemplo, se ha demostrado que el ruido producido por el hombre interfiere en las comunicaciones de largo alcance de las ballenas. Aunque las implicaciones a largo plazo de esta interferencia no se conocen del todo, muchos biólogos marinos temen que esta interferencia pueda afectar al apareamiento de las ballenas y conducir a una mayor reducción o extinción de la población.
Ver también Aerodinámica; Composición y estructura de la atmósfera; Capas de inversión atmosférica; Espectro electromagnético; Transformaciones de energía; Sismógrafo; Sismología