Velocidad del sonido en el aire, el agua y otros medios

Resumen

La velocidad del sonido es la tasa a la que una perturbación de presión se propaga a través de un medio. Depende de las propiedades elásticas y la densidad del material. En gases aumenta con la temperatura; en líquidos y sólidos la relación está gobernada por el módulo de compresibilidad. Comprender la velocidad del sonido es crítico para la acústica, ultrasonidos, aerodinámica y sistemas de comunicación submarina.

Fórmulas Principales

Velocidad del Sonido en un Gas Ideal

$c = \sqrt{\gamma \, R \, T}$

donde $\gamma$ es la razón de calores específicos, $R$ es la constante específica del gas y $T$ es la temperatura absoluta en kelvin.

Velocidad del Sonido en Líquidos y Sólidos

$c = \sqrt{\frac{K}{\rho}}$

donde $K$ es el módulo de compresibilidad (o módulo de elasticidad para sólidos) y $\rho$ es la densidad másica.

Relación General

$c = f \, \lambda$

La frecuencia multiplicada por la longitud de onda es igual a la velocidad de propagación.

Variables

Velocidad del Sonido en Medios Comunes

Efecto de la temperatura en la velocidad en el aire

Velocidad del sonido en el agua vs temperatura

Calculadora — Velocidad en aire seco

Convertidor de unidades

Velocidad subsónica y supersónica

Si el número de Mach es inferior a 1, la velocidad de flujo es menor que la velocidad local del sonido y la velocidad es subsónica. Si el número de Mach es 1, la velocidad es transónica. Si el número de Mach es superior a 1, la velocidad de flujo es mayor que la velocidad del sonido y la velocidad es supersónica.

Tablas de fuente originales restauradas

Las siguientes tablas se restauran de la página de fuente original para preservar los datos de referencia completos.

Módulo de compresibilidad y densidad de algunas sustancias comunes

Imágenes originales de la fuente

La siguiente imagen original de la fuente se preserva para evitar perder material de referencia visual.

Notas de Ingeniería

• Dominancia de la temperatura en el aire. Una regla general aproximada: la velocidad del sonido aumenta aproximadamente 0.6 m/s por cada aumento de 1 °C en la temperatura. La humedad tiene un efecto secundario menor (~0.1–0.5 % de variación).
• La presión tiene un efecto directo despreciable sobre la velocidad del sonido en gases ideales porque tanto la densidad como el módulo de elasticidad volumétrico se escalan proporcionalmente con la presión, cancelándose. La variable dominante es la temperatura.
• En el agua, la salinidad, la temperatura y la presión (profundidad) afectan de manera medible la velocidad del sonido. Los modelos acústicos subacuáticos como la ecuación de Chen-Millero de la UNESCO consideran las tres variables.
• En sólidos, el tipo de onda importa. Las velocidades longitudinales (onda P) mostradas arriba son más altas que las velocidades de corte (onda S). Las ondas superficiales (Rayleigh) y de placa (Lamb) viajan a tasas aún diferentes.
• Estampido sónico y número de Mach. La velocidad local del sonido define la velocidad crítica para flujo compresible. Un objeto moviéndose a Mach 1.0 crea una onda de choque cuya geometría depende directamente de la velocidad del sonido ambiental.
• Ultrasonidos médicos. La imagen de tejidos blandos asume una velocidad promedio de 1540 m/s. Errores en la velocidad asumida causan desenfoque y desalineación en imágenes de ultrasonido.
• Ángulo del cono de Mach se da por $\sin(\mu) = 1/\text{Ma}$, donde Ma es el número de Mach. A mayores altitudes, una temperatura más baja reduce la velocidad del sonido y ensancha el cono para la misma velocidad del aire.

Referencias

• Engineering Toolbox — Velocidad del Sonido
• Kinsler, L. E., et al., Fundamentos de Acústica, 4ª ed., Wiley.
• UNESCO, Algoritmos para Propiedades Fundamentales del Agua de Mar, Documentos Técnicos en Ciencias Marinas.