Biofísica de la Audición1.0. El Sonido: Aspectos físicos Fundamentales1.1 ¿qué es el sonido?Si partimos del hecho experimental de que en el vacío no son audibles los sonidos, podemos inferirQue para la propagación del sonido es necesario la existencia de un medio que sirva de sustratoMaterial entre el punto donde se originó y nuestro aparato auditivo.Además, y para sonidos intensos, podemos percibir en cuerpos delgados próximos un finoMovimiento que interpretamos como una vibración producida por el sonido.Si interponemos un medio absorbente tal como un trozo de cartón, entre la fuente sonora y nosotros, podemos apreciar una atenuación de la intensidad.También apreciaremos que sonidos agudos y graves, producen distinta velocidad de vibración, más rápida en los agudos que en los graves. Todos estos datos recogidos sencillamente, nos servirán para interpretar correctamente la naturaleza del sonido.Si lanzamos un cuerpo tal como una piedra, sobre una superficie liquida en reposo, observaremosQue, a partir del punto de perturbación se extienden una serie de círculos concéntricos. EstaPerturbación que se propaga se denomina “onda”, y si observamos con atención veremos que cuando esta onda se propaga superficialmente, el agua se agita en algún punto, pero no se desplaza con la onda. En otras palabras: la onda puede viajar a cierta distancia pero una vez que la onda ha pasado, cada gota de agua queda en el lugar donde se encontraba. Esta analogía es enteramente aplicable a la explicación de la naturaleza del fenómeno sonoro.El sonido es una perturbación que se propaga en forma de onda, alterando de tal forma la posiciónInstantánea de las moléculas constituyentes de un medio, que estas sufren desplazamientosParalelos a la perturbación, en un intervalo muy corto de tiempo, retornando nuevamente a la posición anterior una vez que el fenómeno ha cesado.Trataremos de aclarar estos conceptos.1.2: OndasSi fijamos una varilla elástica por un extremo, y en el otro extremo ubicamos un inscriptor queRegistra su movimiento sobre un papel (Fig.1) que se desliza en el sentido que marca la flecha,Obtendremos la gráfica de un movimiento oscilatorio o vibración, cuyo estudio adquiere fundamental importancia en el tema que nos ocupa.El más sencillo de estos movimientos es el llamado “movimiento armónico simple”, que seObtiene proyectando el movimiento circular uniforme sobre un punto p sobre una circunferencia.(Fig2). De la representación gráfica de este movimiento resulta una sinusoide, tomando como abscisas los tiempos y como ordenadas la elongación e, o sea la distancia entre 0 y la proyección del punto p sobre la vertical que pasa por 0. Esta sinusoide es una onda representada gráficamente. El tiempo t que tarda el punto P en describir una revolución completa, se denomina “periodo” y su representación gráfica correspondiente es la distancia que va de p a p” en la Fig. 2. fenómeno que ocurre dentro de un lapso t de tiempo.También se puede definir el periodo como el "tiempo que transcurre entre 2 pasos consecutivos delMóvil por la misma posición, moviéndose con la misma velocidad y en el mismo sentido. PuedeObservarse que los puntos p y p" cumplen con la definición.

FIG 2

La frecuencia de la onda es el número de períodos contenidos en la unidad de tiempo y su dimensión es ciclos/seg o Kilociclos/seg (103ciclos/seg) o megaciclos/seg (106 ciclos/seg).

Volviendo a lo anterior, la elongación de la onda queda determinada por la máxima expresión delPunto p, lo que es dependiente a su vez del radio de la circunferencia sobre la cual se mueve elPunto. En la sinusoide de la Fig. 2, la elongación máxima se denomina "amplitud de la onda". Si laDistancia p y p" se mide en cms o en cualquier otra unidad de longitud, podemos obtener la longitud de onda en la cual está contenido un ciclo completo.1.3 Cualidades del sonidoUn sonido queda caracterizado si se dan 3 cualidades que lo definan: INTENSIDAD, ALTURA YTIMBRE. La intensidad depende de la amplitud de la vibración, y cuanto mayor sea esta, tanto masintenso será. Un sonido de pequeña amplitud es débil.De acuerdo a la altura del sonido se clasifican en: graves o agudos y está relacionado con laFrecuencia de la onda. Los sonidos son más agudos cuanto mayor sea su frecuencia.El timbre nos permite distinguir entre 2 sonidos de igual altura e intensidad, la fuente que emite (por ejemplo un piano o un violín). Esta cualidad es debida a que las fuentes sonoras no emiten sonidos puros, vale decir, de la frecuencia bien determinada. A la onda de mayor intensidad seAsocian otras ondas más débiles cuya frecuencia es siempre un múltiplo de la del sonidoFundamental que se llaman "armónicos".1.4 Perturbaciones que experimenta el aire cuando un sonido lo atraviesa.La perturbación que experimenta el aire cuando es atravesado por una sonora consiste básicamente en movimientos de las moléculas del gas en forma paralela al desplazamiento de la onda a uno y otro lado (figura 3).

FIG 3Las moléculas del aire se movilizan en los sentidos indicados por las flechas paralelas a laTrayectoria de la onda.Estos desplazamientos provocan variaciones súbitas de la presión del aire en los puntos en dondeSe propaga la onda, en forma de disminución o aumento de la presión.Cuando una fuente emite un sonido por ejemplo una palmada se produce un impulso de ciertaDuración en forma de un frente de perturbación que tiene por delante y por detrás de las mismasZonas de aire no perturbada.Estos movimientos oscilatorios en las moléculas de aire son característicos de la onda sonora.1.5 Velocidad del sonido.La velocidad de propagación del sonido en el aire a 20º c es de 342 mts/seg y varía con laTemperatura, pero no varía mayormente con la presión atmosférica. La velocidad es proporcional aRaíz cuadrada de la temperatura absoluta. Por cada grado centígrado de incremento de temperatura, la velocidad se incrementa en 60 cm/seg.En los sólidos la velocidad es mayor: plomo 1300 mts/seg; acero 5000 mts/seg; vidrio 5500 mts/seg; en el agua 1435 mts/seg.Existe una relación simple entre la velocidad de la onda sonora, la frecuencia y la longitud de onda:La velocidad queda determinada por la frecuencia multiplicada por la longitud de onda.2.0 Estructura anatómica del oído humano.El sistema auditivo se divide clásicamente en oído externo, oído medio, oído interno serán objeto de estudio desde el punto de viste del mecanismo de la audición, es decir, la biofísica de la percepción del sonido.

2.1 Oído Externo:El pabellón auricular obra en cierto modo cómo reflector o colector de sonido, pero es muy pequeño para cumplir esta función ya que las longitudes de onda que recibe son demasiado grandes en comparación a él. Puede cumplir funciones de colector cuando se halla próximo a la fuente sonora por ejemplo durante la auscultación sin instrumento.De todos modos la audición no cambia notablemente en ausencia de pabellón.El meato auditivo u orificio auditivo externo tiene un área media de 0,4 cm2 +/- 0,1, y se continúa con el conducto auditivo externo cuya longitud promedio es de 2,7 cm2.La membrana timpánica: tiene una forma cónica y está fijada en su periferia a la extremidad internaDel conducto. Su área es de alrededor de 90 mm2. En su porción central está fijada a la cadena deHuesecillos por medio del martillo.2.2 Oído medio.La caja timpánica es una cavidad llena de aire de unos cm3 de volumen, conectada con el exteriorPor medio de la trompa de Eustaquio, la que, con cu mecanismo semivalvular regula el pasaje de aire de acuerdo a las variaciones de la presión atmosférica, facilitando el pasaje de aire desde la caja hacia el exterior, pero permitiendo un movimiento mucho más lento de aire desde el exterior hacia la caja timpánica.La cadena de huesecillos está formada por el martillo, en contacto con la membrana timpánica; elEstribo, en contacto con la venta oval, que comunica con el oído interno y el yunque que se hallaEntre los dos huesos citados.Las variaciones de presión producidas por las ondas sonoras sobre el tímpano determinanMovimientos de la cadena de huesecillos que se comunican al oído interno por medio del estribo elCual efectúa un movimiento de balanceo de la venta oval, enviando ondas de presión al fluido coclear.2.3 Oído interno:El oído interno es anatómicamente complejo y su función no es solamente la audición; pero sólo seEstudiará la cóclea, que es la parte relacionada con la audición.La cóclea se halla dentro del caracol óseo, arrollada en forma de espiral que si se estira alcanzaríaUna longitud de 3,7 cm

3.0Acción del sonido a nivel del aparato auditivo.La función del aparato auditivo es trasformar las ondas sonoras recogidas en impulsos nerviosos, yComo todas las ondas sonoras producen ondas de presión en el oído, básicamente la función esTransformar a esta en impulsos nerviosos.Es a nivel del tímpano donde las vibraciones sonoras son transformadas en movimientos mecánicos.La onda sonora produce pequeños movimientos del tímpano que se transmiten a la cadena de

Huesecillos. El desplazamiento del tímpano para sonidos a nivel de una conversación normal esIncreíblemente pequeña pero es mucho mayor para otros sonidos.Al transmitir estas vibraciones desde el tímpano hasta el oído interno el aparato auditivo efectúa dos importantes transformaciones: a- reducción de los movimientos desde el tímpano hasta el estribo en un valor de 1,3 a 3 veces menor. Esto trae como consecuencia un aumento de la fuerza ejercida sobre la venta oval respecto de la ejercida sobre el tímpano, lo que puede advertirse en la analogía mecánica de la figura 7. b- multiplicación de la presión a nivel de la ventana oval. El área del tímpano es mayor que el de la ventana oval aproximadamente 30 veces.

Los movimientos producidos por el tímpano son reducidos por la cadena de huesecillos 1,3 a 3 veces, luego la fuerza que se ejerce en FE es mayor que la que se ejerce en FT.La presión ejercida en el tímpano de área A, por la fuerza F será:P= F/A; (3)Y a nivel de la ventana oval: P´= F´/A´ (4)Teniendo en cuenta que A´< A y F´> F,Tenemos: P´ (VENTANA OVAL) > P (TÍMPANO) (5)

Fig. 8De esta manera la presión que actúa sobre el tímpano se multiplica unas 30 veces.El estribo efectúa a nivel de la ventana oval un movimiento de báscula (Fig. 9), que envía una ondaDe presión al fluido coclear (perilinfa).

FIG 9

Cuando esta onda de presión actúa sobre la peri linfa, se transmite íntegramente en todos los sentidos de acuerdo a la ley de pascal y debido a que solamente la ventana redonda y la participación coclear son estructuras elásticas, se produce la incurvación de ambas. A nivel de esta última, la onda de presión produce un pandeo, es decir una incubación hacia abajo, dentro de la rampa timpánica. Esta incurvación o pandeo comienza en el extremo basal y se mueve hacia el helicotrema, llegando a este en unos tres mseg aproximadamente. Existe prácticamente una independencia del sitio donde se efectúa la excitación y la respuesta de la participación coclear, ya que si la onda proviene de un sitio distinto de la venta oval (por ejemplo del techo del caracol óseo) la respuesta es la misma. Esto explica la conducción ósea del sonido, o sea la conducción del sonido a través de los huesos del cráneo. Esta propiedad elástica de la participación coclear es determinada principalmente por la membrana bacilar.Existen diferencias entre los sitios de deformación de la membrana bacilar de acuerdo a laFrecuencia del sonido: los sonidos más agudos (de mayor frecuencia) excitan principalmente la parte basal, más próxima a la ventana redonda; los tonos graves (baja frecuencia) excitan principalmente el extremo apical, próximo a la helicótrema. En la figura 10 se han ubicado las distintas frecuencias y su sitio en la membrana bacilar de excitación principal.Estos conocimientos son debidos a Goorg von Bókósy (premio novel) quién halló que cuando seExcita la ventana oval se pone en vibración la membrana bacilar, siendo máxima en un puntoDependiente de la frecuencia de la vibración, y decae en todas direcciones a partir de este punto,Pero más rápidamente hacia el helicotrema. En la figura 11 muestra el movimiento de pandeo de laPartición coclear para diversas frecuencias (derecha) y la propagación de la onda en la membranabacilar (izquierda).Estos fenómenos mecánicos excitan las terminaciones nerviosas de la partición coclear, de lasCuales hay unas 30000 en la cóclea y este impulso llega al nervio auditivo y al cerebro donde seEfectuará la interpretación del sonido.4.1 Umbral de la audición. Decibel.El umbral de la audión U se define como el sonido más débil que puede ser oído por un sujetoNormal para una frecuencia de 1000 ciclos/seg. También podemos definirlo como la mínimaIntensidad de una onda sonora que es capaz de producir una respuesta que traiga comoConsecuencia la audición.El valor de U es = 10-16 vatios /cm2 ó 10-9 ergios/seg/cm2 y equivale a la billonésima parte de laIntensidad del sonido que pudo percibirse sin dolor.De acuerdo a lo expresado más arriba es usual medir niveles de intensidad sonora con una unidadQue se adapte a nuestros conceptos de intensidad sonora subjetiva. Esta unidad es el Bel y se loDefine como el logaritmo del cociente entre la intensidad de un sonido dado I y el umbral de laAudición:Bel= 1g x I/U. (6)El decibel es la décima parte del Bel: dB = 10 x 1g X I/U. (7)

TIPO DE SONIDO INTENSIDAD (vatio/cm2) NIVEL DE INTENSIDAD (dB)

DolorosoMartillo neumático Tráfico urbano denso Conversión ordinaria CuchicheoSonido apenas perceptible

10-4

10-6

10-9

10-10

10-14

10-16

1201007060200

5.0 Aspectos físicos de la audición.5.1 Amplificación.En el punto 3.0 de la acción amplificadora de las estructuras del oído.Ya que el conducto auditivo externo obra como una bocina conductora del sonido para una frecuencia de 300 ciclos/seg, la ganancia máxima por amplificación y resonancia está en alrededor de 17 a 22 dB.La amplificación en el oído medio y debido a la relación de superficie entre el tímpano y el pié delEstribo (aproximadamente =30) produce una amplificación del orden del 15 a 20 dB.5.2 Impedancia.Debido a que el aparato auditivo es un sistema vibrante complejo, existen una serie de factores que se oponen o que son capaces de atenuar el movimiento vibratorio, produciendo de esta manera pérdida energética. Estos factores que se oponen al movimiento vibratorio de un sistemaDenominasen impedancia mecánica. Algunos de los elementos relacionados con la impedancia son:Masa, fricción, la elasticidad de los elementos del oído, la inercia vinculada a la masa, frecuencia del sonido, etc.La impedancia mecánica del oído interno ha sido calculada en 9 x 103 dynas x seg/cm3.La impedancia acústica específica Z de un medio se define como la relación entre la presión P delsonido y la velocidad de la partícula vibrante v: Z = P/v (DINA x seg/cm3) (12)La caída de energía debido a estos factores es del orden de los 20 a 30 dB.5.3 Resonancia.Todos los cuerpos poseen una frecuencia natural de vibración. Cuando una onda incide en un medio con una frecuencia igual a la frecuencia natural del medio, se produce un refuerzo de la vibración que se llama resonancia, y que consiste en la magnificación de la amplitud.La frecuencia natural del conducto auditivo externo es aproximadamente de 2800 ciclos/seg; la delOído medio es de alrededor de 1200 ciclos/seg.Un factor limitante del refuerzo del sonido por resonancia es la amortiguación del sistema, vale decir, los componentes rígidos del sistema que se oponen a la vibración.Sí el oído fuera un sistema fuertemente amortiguado continuaría vibrando luego de interrumpida laAcción del sonido y esto provocaría molestar sensaciones. El tímpano se detiene 4 x 10-3 seg (4miliseg) después de interrumpida la excitación sonora.6 Microfónica coclear.Como respuesta a la estimulación acústica se generan potenciales a nivel de la cóclea en formainmediata. Se ha propuesto como origen de estos potenciales (que no tienen período refractario) a las inflexiones de los cilios de las células ciliadas debido a la vibración de la membrana tectriz de laPartición coclear, que por medio de un efecto piezoeléctrico, generan corriente a la manera de unCristal de un micrófono.De tal modo que no constituyen impulsos nerviosos, sino potenciales propios de la cóclea, queGuardan estrecha relación con la onda sinusoidal del estímulo.La respuesta microfónica se hace solo para frecuencias inferiores a 3000 ciclos/seg.7.0 Ondas Viajeras.Cuando el estribo ejerce una presión sobre la ventana oval también actúa sobre la ventana redonda (porque hay una continuidad líquida entre ambas ventanas) produciéndose su prominencia hacia el oído medio.Debido a que la onda no tendrá tiempo a recorrer el espacio que media entre la venta oval y elhelicotrema, hasta la ventana redonda, se produce una inflexión de la membrana bacilar, cuya tensión elástica inicia una onda que viaja a lo largo de la membrana de acuerdo a lo dicho en el punto 3.0.Los diversos segmentos de la membrana bacilar tienen distintas frecuencias naturales y cuandoExiste resonancia con la frecuencia, se reforzará en ése sitio. Por ello la frecuencias altas, medianas y bajas harán vibrar las porciones basal, medial y helicotrémica respectivamente (ver Fig. 10).8.0 Audiometría.La llamada agudeza auditiva es la capacidad del oído de detectar sonidos de pequeña intensidad; en un ambiente aislado del exterior desde el punto de vista –lógicamente- de los ruidos.

Si en dicho ambiente se hace llegar al oído tonos puros de variada frecuencia puede confeccionarse un audiograma variando el nivel de intensidad en dB para cada frecuencia que pueda ser audible (umbral en función de la frecuencia).Se utiliza un instrumento capaz de emitir estos tonos puros entre las frecuencias de 100 a 10 ó 12000 ciclos/seg denominado audiómetro. Este aparato consta de un oscilador productor de ondasSinusoidales puras, conectado a un atenuador para controlar manualmente la intensidad del sonido.Se hacen llegar estos sonidos a un teléfono que se pone en contacto con el aparato auditivo delSujeto, es posible determinarla agudeza auditiva para diversas frecuencias y para la vía aérea. Para la vía ósea se pone en contacto con la apófisis mastoides un vibrador conveniente. Estos datos obtenidos se grafican en coordenadas cartesianas poniendo en las ordenadas la intensidad en decibeles y en las abscisas la frecuencia del sonido. Existe una gráfica normal del sujeto tipo (con audición normal) y sobre estos parámetros se pudo determinar la normalidad de audiograma. La figura 12 se puede ver un audiograma normal.Los defectos de la audición pueden asentar sobre el oído medio o interno y ser de conducción (porLesiones en el oído medio o externo); de percepción (lesiones de tipo nervioso) o mixtos. ExistenGráficas tipo para cada una de las lesiones más típicas de la audición, por ejemplo la sordera nerviosa por deterioro del nervio auditivo produce una curva caracterizada por una pérdida auditiva que se incrementa a medida que aumenta la frecuencia.La determinación de un audiograma de realizarse en cuartos “ad hoc” en donde esté garantizada laAislamiento de los ruidos que pudieran confundir al paciente y alterar el resultado del estudio. FIG 12

9.0 Ultrasonido.Ya se ha dicho que el rango de frecuencias audibles comprende de 20 a 20000 ciclos/seg. En general y en forma práctica un individuo normal tiene dificultades para oír sonidos entre 13000 a 20000 ciclos/seg.Los sonidos con frecuencia mayor a esta última se denomina ultrasonidos y lógicamente no sonAudibles para el oído del ser humano.

Existen aparatos que pueden generar en estos sonidos de elevadas frecuencias a 500000 a 700000 ciclos/seg. Como se comprende, la longitud de onda será pequeña del orden de centímetros y hasta micrones, y la energía transportada por la onda será considerable.9.1 Producción de ultrasonidos:La obtención de los ultrasonidos puede efectuarse por magnetostricción y piezoelectricidad.Cuando se hace actuar un campo magnético intenso sobre una varilla de hierro dulce, se producenEn ésta movimientos relacionados con su longitud y consisten en contracción y dilatación periódica.Esta vibración puede ser igual a la frecuencia del campo magnético variable, en cuyo caso la amplitud será máxima. A éste procedimiento se lo denomina magnetostricción. Esta vibración de la barrilla puede generar ultrasonidos de elevada frecuencia.La piezoelectricidad fue descubierta por los hermanos Curie en 1880 y consiste básicamente en laProducción de potenciales eléctricos por la compresión brusca de cristales tales como el cuarzo y el tartrato doble de sodio y potasio. Existen encendedores de cocina que se basan en ese fenómeno.Pero si se someten estos cristales a la acción de corriente eléctrica variables en la dirección del ejeDel cristal, se produce en éstos una vibración análoga a la de la barrilla de hierro dulce,Produciéndose ultrasonidos.9.2 Efectos Biológicos de los Haces Ultrasónicos.Cuando un haz ultrasónico actúa a nivel de los tejidos, pueden observarse fundamentalmente efectos térmicos, variaciones de la presión y un fenómeno llamado cavitación.a- Efectos térmicos: la absorción del sonido en un medio material sigue una ley exponencial, o sea,Una fracción idéntica de energía incidente se absorberá por cada capa de igual espesor. L aAtenuación del has supone una entrega de energía al medio, la que será dependiente de la intensidad y del espesos del medio del que se trate. La intensidad se refiere a la potencia/ superficie del sonido.Esta entrega de energía produce un aumento de la temperatura local, que puede ser importante para haces de elevada intensidad.b- Variaciones de la presión: es una importante propiedad de los ultrasonidos, y es producida sobreLas moléculas constituyentes del medio material donde se absorbe (v.g. los tejidos). El aumento de la presión localizada sobre un sitio puede alcanzar, para intensidades del orden de 35 vatios/cm2, unas 10 atmósferas. Esto puede traer importantes cambios celulares que pueden ser irreversibles.c- Cavitación: este fenómeno consistente en la formación de burbujas gaseosas en los tejidos seDebe fundamentalmente a las variaciones de la presión bruscas producidas en los mismos queConcluye con la liberación de gases sueltos en el medio intra o extra celular. A la cavitación se debe el efecto destructivo que acompaña a la aplicación de ultrasonido en los tejidos para haces de elevada intensidad (40-60 vatios/cm2 de intensidad).9.3 Aplicaciones médicas de los ultrasonidos.Fundamentalmente se basan en la acción benéfica que produce la entrega de calor en un medio.En la guía de Termodinámica Biológica pueden verse algunas cuestiones referentes a la acción delCalor en los tejidos.