Biofisica de la Audición

1. Biofísica de la Audición
1.0. El Sonido: Aspectos físicos Fundamentales
1.1 ¿qué es el sonido?
Si partimos del hecho experimental de que en el vacío no son audibles los sonidos, podemos inferir
Que para la propagación del sonido es necesario la existencia de un medio que sirva de sustrato
Material entre el punto donde se originó y nuestro aparato auditivo.
Además, y para sonidos intensos, podemos percibir en cuerpos delgados próximos un fino
Movimiento 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,
másrápida en los agudos que en los graves. Todos estos datos recogidos sencillamente, nos
serviránpara interpretar correctamente la naturaleza del sonido.
Si lanzamos un cuerpo tal como una piedra, sobre una superficie liquida en reposo, observaremos
Que, a partir del punto de perturbación se extienden una serie de círculos concéntricos. Esta
Perturbación 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 posición
Instantánea de las moléculas constituyentes de un medio, que estas sufren desplazamientos
Paralelos 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: Ondas
Si fijamos una varilla elástica por un extremo, y en el otro extremo ubicamos un inscriptor que
Registra 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 mássencillo de estos movimientos es el llamado “movimiento armónico simple”, que se
Obtiene 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 del
Móvil por la misma posición, moviéndose con la misma velocidad y en el mismo sentido. Puede
Observarse 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 del

2. Punto p, lo que es dependiente a su vez del radio de la circunferencia sobre la cual se mueve el
Punto. En la sinusoide de la Fig. 2, la elongación máxima se denomina "amplitud de la onda". Si la
Distancia p y p" se mide en cms o en cualquier otra unidad de longitud, podemos obtener la
longitud de onda en la cual estácontenido un ciclo completo.
1.3 Cualidades del sonido
Un sonido queda caracterizado si se dan 3 cualidades que lo definan: INTENSIDAD, ALTURA Y
TIMBRE. La intensidad depende de la amplitud de la vibración, y cuanto mayor sea esta, tanto
mas
intenso será.Un sonido de pequeña amplitud es débil.
De acuerdo a la altura del sonido se clasifican en: graves o agudos y estárelacionado con la
Frecuencia de la onda. Los sonidos son másagudos 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 se
Asocian otras ondas másdébiles cuya frecuencia es siempre un múltiplo de la del sonido
Fundamental 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 3
Las moléculas del aire se movilizan en los sentidos indicados por las flechas paralelas a la
Trayectoria de la onda.
Estos desplazamientos provocan variaciones súbitas de la presión del aire en los puntos en donde
Se 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 cierta
Duración en forma de un frente de perturbación que tiene por delante y por detrásde las mismas
Zonas 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 la
Temperatura, pero no varía mayormente con la presión atmosférica. La velocidad es proporcional
a
Raíz 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 seránobjeto de
estudio desde el punto de viste del mecanismo de la audición, es decir, la biofísica de la
percepción del sonido.

3. 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 estáfijada en su periferia a la extremidad interna
Del conducto. Su área es de alrededor de 90 mm2. En su porción central estáfijada a la cadena de
Huesecillos 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 exterior
Por 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 máslento de aire desde el exterior
hacia la caja timpánica.
La cadena de huesecillos estáformada por el martillo, en contacto con la membrana timpánica; el
Estribo, en contacto con la venta oval, que comunica con el oído interno y el yunque que se halla
Entre los dos huesos citados.
Las variaciones de presión producidas por las ondas sonoras sobre el tímpano determinan
Movimientos de la cadena de huesecillos que se comunican al oído interno por medio del estribo el
Cual 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
se
Estudiarála 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 alcanzaría
Una 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, y
Como todas las ondas sonoras producen ondas de presión en el oído, básicamente la función es
Transformar 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 es
Increíblemente 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

4. 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. 8
De 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 onda
De 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)

5. 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 la
Frecuencia del sonido: los sonidos másagudos (de mayor frecuencia) excitan principalmente la
parte basal, máspróxima 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 se
Excita la ventana oval se pone en vibración la membrana bacilar, siendo máxima en un punto
Dependiente de la frecuencia de la vibración, y decae en todas direcciones a partir de este punto,
Pero másrápidamente hacia el helicotrema. En la figura 11 muestra el movimiento de pandeo de la
Partición coclear para diversas frecuencias (derecha) y la propagación de la onda en la membrana
bacilar (izquierda).
Estos fenómenos mecánicos excitan las terminaciones nerviosas de la partición coclear, de las
Cuales hay unas 30000 en la cóclea y este impulso llega al nervio auditivo y al cerebro donde se
Efectuarála interpretación del sonido.
4.1 Umbral de la audición. Decibel.
El umbral de la audión U se define como el sonido másdébil que puede ser oído por un sujeto
Normal para una frecuencia de 1000 ciclos/seg. También podemos definirlo como la mínima
Intensidad de una onda sonora que es capaz de producir una respuesta que traiga como
Consecuencia la audición.
El valor de U es = 10-16 vatios /cm2 ó 10-9 ergios/seg/cm2 y equivale a la billonésima parte de la
Intensidad del sonido que pudo percibirse sin dolor.
De acuerdo a lo expresado másarriba es usual medir niveles de intensidad sonora con una unidad
Que se adapte a nuestros conceptos de intensidad sonora subjetiva. Esta unidad es el Bel y se lo
Define como el logaritmo del cociente entre la intensidad de un sonido dado I y el umbral de la
Audición:
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/cm
2
) NIVEL DE INTENSIDAD (dB)
Doloroso
Martillo neumático
Tráfico urbano denso
Conversión ordinaria
Cuchicheo
Sonido apenas perceptible
10
-4
10
-6
10
-9
10
-10
10
-14
10
-16
120
100
70
60
20
0
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 estáen 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 del
Estribo (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 sistema
Denominasen impedancia mecánica. Algunos de los elementos relacionados con la impedancia
son:

6. 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 del
sonido 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 del
Oído 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 la
Acción del sonido y esto provocaría molestar sensaciones. El tímpano se detiene 4 x 10-3 seg (4
miliseg) después de interrumpida la excitación sonora.
6 Microfónica coclear.
Como respuesta a la estimulación acústica se generan potenciales a nivel de la cóclea en forma
inmediata. 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
la
Partición coclear, que por medio de un efecto piezoeléctrico, generan corriente a la manera de un
Cristal de un micrófono.
De tal modo que no constituyen impulsos nerviosos, sino potenciales propios de la cóclea, que
Guardan 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 tendrátiempo a recorrer el espacio que media entre la venta oval y el
helicotrema, 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 cuando
Existe resonancia con la frecuencia, se reforzaráen ése sitio. Por ello la frecuencias altas,
medianas y bajas haránvibrar 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 ondas
Sinusoidales 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 del
Sujeto, 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 (por
Lesiones en el oído medio o externo); de percepción (lesiones de tipo nervioso) o mixtos. Existen
Gráficas tipo para cada una de las lesiones mástípicas 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
la
Aislamiento de los ruidos que pudieran confundir al paciente y alterar el resultado del estudio.
FIG 12

7. 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 son
Audibles 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 serápequeña del orden de
centímetros y hasta micrones, y la energía transportada por la onda seráconsiderable.
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 producen
En 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 serámáxima. 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 la
Producción 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
eje
Del 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 absorberápor cada capa de igual espesor. L a

8. Atenuación del has supone una entrega de energía al medio, la que serádependiente 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
sobre
Las 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 se
Debe fundamentalmente a las variaciones de la presión bruscas producidas en los mismos que
Concluye 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 del
Calor en los tejidos.