La idea de que el movimiento de aire generado por un cuerpo vibrante es también vibratorio y con la misma frecuencia que el del cuerpo es antigua, retrotrayéndose al menos a Pitágoras de Samos (-580 a -496), si no es que surgió antes. Aunque los griegos estaban más interesados en la música que en un verdadero análisis científico, en el año -550 Pitágoras determinó que las notas musicales comprendidas en una octava presentan una relación de frecuencias de 1 a 2, enunciando una Ley de las cuerdas que conecta las consonancias musicales con relaciones numéricas sencillas.
Aristóteles de Estagira (-384 a -322), una de las mentes más brillantes de la Antigüedad, en su obra “Sobre el sonido y sobre la audición” indicó que el movimiento del aire es generado por una fuente “empujando hacia adelante en cierta manera el aire adyacente, y así el sonido viaja inalterado en calidad tan lejos como la perturbación del aire puede llegar”. Aristóteles presentó una explicación del fenómeno del eco y afirmó –erróneamente- que las notas altas viajan más rápido que las bajas.
Las ideas de Aristóteles fueron fuertemente resistidas por otros filósofos, debido a que los movimientos del aire no son aparentes.
La teoría ondulatoria del sonido surgió de la observación de las ondas en el agua, las cuales pueden hacer oscilar los objetos pero sin arrastrarlos en su dirección de propagación. En este sentido dejaron textos el griego Crisipo (-281 a -208), el ingeniero romano Marcus Vitruvio (-25) y el filósofo romano Boecio (480 a 524).
Las ideas ondulatorias durmieron durante un milenio hasta que en 1500 el célebre humanista italiano Leonardo da Vinci (1452 – 1519) plantease nuevamente que el sonido es un fenómeno ondulatorio.
El físico italiano Galileo Galilei (1564 – 1642), uno de los creadores de la física experimental, demostró que la frecuencia de un sonido determina su tono. Para ello, raspó con una escofina de hierro una lámina de cobre, obteniendo un sonido agudo. Galileo notó que (a) la altura del sonido depende de la rapidez del movimiento de la escofina y (b) las partículas de metal raspado se disponen a lo largo de la lámina en filas paralelas, variando la distancia entre ellas según el tono del sonido. Midiendo dicha distancia, comprobó la relación entre las frecuencias de las vibraciones octavas, quintas y cuartas. Galileo efectuó también una segunda clase de experimentos: al hacer vibrar una cuerda de violín con su arco, notó que las paredes de una copa de cristal cercana comenzaban a vibrar. Colocando la copa en un recipiente con agua en contacto con sus paredes, observó que por la superficie del agua se propagaban ondas concéntricas. Galileo demostró así por vez primera que el sonido es de naturaleza ondulatoria. También observó el fenómeno de resonancia, sobre lo cual anotó: “Una cuerda después de ser golpeada, emite un sonido, que se prolonga todo el tiempo que duran sus vibraciones; dichas vibraciones obligan a trepidar y vibrar al aire que la rodea, las trepidaciones y vibraciones se propagan a gran distancia y repercuten en todas las cuerdas del mismo instrumento e incluso en los instrumentos vecinos. Cada una de las cuerdas, afinada al unísono con la primera, siendo propensa a vibrar con ella a los iguales intervalos de tiempo, al primer toque comienza apenas a vibrar, al primer impulso se suma al segundo, el tercero... de modo que, al fin de cuentas obtiene una vibración parecida a la vibración de la primera cuerda”.
En el año 1633, el filósofo natural francés Pierre Gassendi (1592 – 1655) realizó la primera medición de la velocidad del sonido en el aire, obteniendo una valor (expresado en unidades modernas) de 325m/s. Gassendi, uno de los defensores de Galileo y de la teoría atómica, creía que el sonido se debía a las oscilaciones de dichos átomos.
En el año 1640, el sacerdote y filósofo francés Marin Mersenne (1588 – 1648), llamado “el padre de la Acústica”, realizó medidas de la velocidad del sonido utilizando el fenómeno del eco y demostrando que –contrariamente a lo afirmado por Aristóteles- dicha velocidad es independiente de la frecuencia de la perturbación. Mersenne también demostró experimentalmente que en una cuerda la frecuencia del armónico fundamental depende directamente de la raíz cuadrada de la tensión, del inverso de la raíz cuadrada de la densidad lineal de la cuerda y del inverso de la longitud de la misma. Estas relaciones se denominaron Leyes de Mersenne y son fácilmente demostrables hoy día. En su obra “Armonía Universal” (1636), Mersenne describió además la primera determinación absoluta de la frecuencia de un tono audible (de 84Hz).
Las mediciones cada vez más precisas de la velocidad del sonido continuaron. En el año 1656 dos discípulos de Galileo, los italianos Borelli y Vincenzo Viviani (1622 – 1703), de la Academia de Cimento, Florencia, obtuvieron un valor de 350m/s. Las discrepancias entre las diferentes velocidades se debían a factores que eran aún ignorados por los experimentadores: la humedad del aire, la temperatura y la velocidad del viento.
En 1738, se hizo una medición sumamente cuidadosa de la velocidad del sonido en el aire, bajo la dirección de la Academia de Ciencias de París, utilizándose el sonido emitido por un cañón. Los experimentadores obtuvieron el valor de 332m/s a 0ºC. Es de hacer notar que, según mediciones realizadas 200 años después, con tecnologías mucho más avanzadas, se obtuvo el valor (331,45 ± 0,05)m/s, en aire seco, a 760mm de presión y 0ºC. Los dos valores coinciden extraordinariamente.
En 1740, el italiano Branconi demostró por primera vez que la velocidad del sonido depende de la temperatura. Ese mismo año, las variaciones, batidos o trémolos de sonido fueron descubiertos por el violinista italiano Giuseppe Tartini y el organista alemán Georg Sorge.
En 1822, una Comisión de la Oficina de Longitudes francesa realizó una nueva medida, utilizando cañones ubicados en las ciudades de Villejuif y Montlhéry, separadas 18.621m. El método consistía en disparar un arma en una de las ciudades, al tiempo que se encendía un cronómetro. Cuando el sonido llegaba a la segunda ciudad, se disparaba otra arma. Al llegar este sonido, se apagaba el cronómetro, obteniéndose el tiempo insumido para recorrer la distancia 2D y compensando en cierta medida las variaciones debidas a la velocidad del viento. El valor obtenido fue de 331m/s en el aire a 0ºC.
En el año 1827, se realizaron las primeras mediciones de la velocidad del sonido en el agua, efectuadas por los franceses Jacques Sturm y Colladon en el Lago Ginebra. Para ello, los experimentadores se ubicaban en dos botes separados una distancia conocida. Uno de ellos llevaba una campana sumergida en el agua: al golpear la campana un mecanismo ingenioso provocaba simultáneamente el encendido de una pequeña porción de pólvora, que marcaba el comienzo del experimento. El segundo observador medía entonces el tiempo transcurrido entre la explosión de pólvora y la llegada del sonido que se propagaba a través del agua. De esa manera, Sturm y Colladon determinaron que la velocidad del sonido en el agua vale 1435m/s, a 8,1ºC. Estos resultados fueron mejorados por el francés Marty en 1919. Efectuando experimentos en la rada de Cherburgo (Francia), obtuvo el valor de 1503m/s a 14,9ºC.
En 1660 el físico inglés Robert Boyle (1627 – 1691) demostró que el sonido no se propaga en el vacío. Para ello, colocó una campanilla dentro de un recipiente en el que posteriormente hizo el vacío. Al agitar la campanilla, Boyle observó que desde afuera no se percibía sonido alguno.
El célebre físico inglés Isaac Newton (1642 – 1727) planteó en su libro “Principios Matemáticos de la Filosofía Natural” (1687) su interpretación de las ondas sonoras como “pulsos” de presión transmitidos a través de las partículas de un fluido. Newton formuló la relación entre el módulo de elasticidad, la densidad del fluido y la velocidad del sonido en el mismo. Suponiendo que los cambios de presión se producirían a temperatura constante, Newton obtuvo una ecuación para el cálculo de la velocidad del sonido, pero el resultado era un 16% menor que el experimental. Ello se debe a que, contrariamente a lo pensado por Newton, las ondas sonoras no se propagan isotérmicamente sino adiabáticamente, es decir sin intercambios de calor.
Los matemáticos franceses Jean D’Alambert (1717 – 1783), Joseph Louis Lagrange (1736 – 1813), el holandés Johan Bernoulli (1667 – 1748) y el suizo Leonhard Euler (1707 – 1783) continuaron el desarrollo de la teoría matemática del sonido a mediados del S. XVIII. Entre otras cosas investigaron el tono y la calidad de los sonidos generados por diferentes instrumentos musicales.
A fines del siglo, el físico alemán Ernst Chladni (1756 – 1827) realizó numerosos descubrimientos, en lo tocante a la vibración longitudinal de cuerdas, varillas y láminas.
En el año 1822, el francés Jean Baptiste Fourier (1768 – 1830) realizó el tratamiento matemático completo de los armónicos, el cual fue y aplicado al sonido por el alemán Georg Simon Ohm (1787 – 1854).
En 1842 el austríaco Christian Johann Doppler (1803 – 1853) presentó una memoria indicando que la frecuencia de los sonidos, así como el color de los cuerpos luminosos, debían variar como consecuencia del movimiento relativo del cuerpo emisor y del observador. El Efecto Doppler tendría luego grandes aplicaciones en la técnica y en la astronomía.
En la segunda mitad del siglo, el científico, y fisiólogo alemán Hermann Von Helmholtz (1821 – 1894) realizó numerosas investigaciones en lo tocante a la percepción de los sonidos por el oído, la voz humana, así como en los fenómenos de resonancia, la separación de los sonidos compuestos.
En cuanto a las notas musicales, en el año 1700 se realizó un primer intento de estandarización de sus sonidos, proponiendo el físico francés Joseph Sauveur que se tomase como patrón la frecuencia de la nota Do, 256Hz.
En 1834 el alemán Johann Scheibler volvió a proponer la elección de un patrón de frecuencias, sugiriendo el La de 440Hz. Pese a ello, el gobierno francés adoptó en 1859 el La con una frecuencia de 435Hz, como resultado de las investigaciones del físico Jules Antoine Lissajouss (1822 – 1880). Esta definición standard se mantuvo vigente hasta 1939 cuando mediante un acuerdo internacional se adoptó el La de 440Hz (también llamado A440) para la calibración de pianos, violines y otros instrumentos musicales.
En nuestros días los sonidos y ultrasonidos encuentras numerosas aplicaciones además de las musicales, en la tecnología, la química y la medicina, como los equipos de detección submarina, los de búsqueda de minerales y petróleo y los ecógrafos.
