M@RFISIK 20.17

Desde el MARFISU, 50 años, compartiendo experiencias con la Fisica y un poco mas…

Acústica

A.  Logro de desempeños

  • Demostrar conocimiento de la naturaleza de las ondas sonoras, y las propiedades comunes con otras ondas.

  • Explicar la producción, Propagación y características del sonido (intensidad, tono y timbre).

  • Relacionar las propiedades físicas de las ondas sonoras con el tono y el volumen.

  • Resolver problemas que relacionen la frecuencia, la longitud de onda y la velocidad del sonido

  • Definir el efecto Doppler e identificar algunas de sus aplicaciones

  • Explica el funcionamiento de sistemas resonantes (Cuerdas, tubos, varillas) a partir del concepto de resonancia y de la producción de ondas estacionarias

1. Introducción.

El tipo de movimiento en el cual no es el medio en si mismo sino alguna perturbación lo que se desplaza se denomina onda. Existen muchos otros tipos de ondas, tales como las ondas de radio, la luz, la radiación del calor, las ondas sobre la superficie de un lago, los tsunamis, los movimientos sísmicos, etc. Cuando la onda tiene lugar en un medio líquido o gaseoso se denomina onda acústica. Cuando resulta audible, se llama onda sonora.

1. ¿Qué es el sonido?

 

Para un profesional de la salud, El sonido es el fenómeno físico que estimula el sentido del oído. Un cuerpo solo puede emitir un sonido cuando vibra. Las vibraciones son transmitidas mediante el aire en el tímpano, que vibra y comunica estas vibraciones a través de un conjunto de pequeños huesos en las ramificaciones del nervio auditivo.

Para un físico, El sonido es una onda longitudinal que se propaga en un medio material elástico (sólido, liquido y gaseoso), que se genera por la vibración de un objeto material, denominado foco y cuya frecuencia está comprendida aproximadamente entre 15 y 20.000 hertz.

Los manantiales de sonidos y de ruidos son infinitos. Basta que un cuerpo vibre. La diferencia entre sonido y ruido se basa, simplemente, en el grado de placer que proporciona.

2. ¿Cómo se propaga el sonido?

El sonido se propaga a través del aire, debido a que una fuente que vibra, produce vibraciones regulares en la presión del aire. A medida que la energía del movimiento ondulatorio se propaga alejándose del centro de la perturbación, las moléculas de aire individuales que transmiten el sonido se mueven hacia delante y hacia atrás, de forma paralela a la dirección del movimiento ondulatorio. Por tanto, una onda de sonido es una serie de compresiones (áreas donde las partículas están cerca unas a las otras) y rarefacciones (áreas donde las partículas están separadas unas de las otras) sucesivos del aire. Cada molécula individual transmite la energía a las moléculas vecinas, pero una vez que pasa la onda de sonido, las moléculas permanecen más o menos en la misma posición. El sonido no se propaga en el vació, para que el sonido se transmita es necesario un medio, si no hay una sustancia que se comprima y se expanda no puede haber sonido.

3. ¿Qué son ondas infrasónicas y ondas ultrasónicas?

Las ondas sonoras con una frecuencia de más de 20.000 vibraciones por segundo (hertz) se llaman ondas ultrasónicas o ultrasonidos por que están por encima del nivel de detección del oído humano.

Las ondas sonoras inferiores a 20 vibraciones por segundo se llaman ondas infrasónicas o infrasonidospor que están por debajo del nivel de detección del oído humano.

Algunos animales (por ejemplo el perro) pueden escuchar sonidos de muy baja frecuencia, tales como los creados por las ondas sísmicas durante un terremoto. Por esta razón los animales se muestran inquietos en los instantes previos a los terremotos: pueden escuchar la señal de advertencia que resulta inaudible para el ser humano.

En forma similar, algunos animales escuchan ultrasonidos. El murciélago es un caso notable, ya que escucha sonidos de más de 100.000 Hz, que le permite orientarse y le brinda abundante información con respecto al entorno, que emplean para detectar y cazar insectos en pleno vuelo.

Para obtener información sobre el ambiente, los delfines emiten sonidos cuya frecuencia oscila entre menos de 2.000 y más de 100.000 Hz.

En medicina, los ultrasonidos se emplean como herramienta de diagnóstico, para destruir tejido enfermo y para reparar tejidos dañados. Los médicos usan fuentes de ultrasonido para detectar las palpitaciones del corazón de un feto.

4. La velocidad del sonido.

La velocidad con que se propaga el sonido depende del material que sirve como medio de transporte. Cualquier alteración de las propiedades del material, como su temperatura, densidad, elasticidad, etc., hace variar su velocidad de propagación.

Temperatura: en temperaturas bajas el movimiento de las partículas se vuelve más lento, las partículas se mueven con mayor dificultad y tardan más en volver a su posición original. Por eso, el sonido se mueve más lento en temperaturas bajas y más rápidas en temperaturas altas.

La velocidad de propagación del sonido en aire seco a una temperatura de 0 °C es de 331,6 m/s y por cada grado de incremento en la temperatura, la rapidez del sonido se aumenta en 0,60 m/s. V = 331 m / s + 0,60 m/s. T / ºC, es decir, al aumentar la temperatura aumenta la velocidad del sonido; por ejemplo, a 20 °C, la velocidad es de 344 m/s.

Elasticidad: la mayoría de los sonidos te llegan por el aire, pero las ondas sonoras pueden moverse a través de cualquier medio .La velocidad del sonido depende de las propiedades elásticas del medio. Si las partículas del medio se turban, éstas deben volver fácilmente a su posición normal. Los sólidos son más elásticos que los líquidos y los gases. Las partículas en un sólido no se apartan demasiado y rebotan rápidamente al pasar las compresiones y las rarefacciones de la onda sonora. Por lo tanto, el sonido se mueve más rápidamente a través de sólidos que a través de líquidos y gases. La mayoría de líquidos no tienen mucha elasticidad, por eso el sonido se transmite más lentamente que en los sólidos. Los gases son aún menos elásticos que los líquidos, por eso los gases son los peores transmisores de ondas sonoras.

Densidad: En materiales del mismo estado, la velocidad del sonido es más lenta en el material de mayor densidad, por que el medio más denso (con mayor masa por volumen) tiene más inercia. Sus partículas no se mueven tan rápidamente como las de un material menos denso. La velocidad del sonido en el plomo es menor que en el aluminio o el acero, por que es más denso y es también menos elásticos.

En resumen: “El sonido se mueve más rápidamente en temperaturas altas, en medios más elásticos y en medios menos densos”

5.  Caracteristicas del Sonido

Todos los sonidos se producen por vibraciones y se transmiten en ondas longitudinales. Sin embargo hay millones de sonidos diferentes, cada uno con ciertas características que lo hacen único. La descripción de un sonido que oyes cada día depende de las características físicas de la onda: amplitud, frecuencia y la longitud de onda.

Tono o altura: es la cualidad que nos permite distinguir entre un sonido grave o de baja frecuencia y otro agudo o de alta frecuencia. Para un sonido puro el tono viene determinado principalmente por la frecuencia, aunque también puede cambiar con la presión y la envolvente.

Generalmente, los hombres tienen voz grave (voz gruesa) y las mujeres, voz aguda (voz fina). En el lenguaje musical se dice que un sonido agudo es alto y que uno grave es bajo. Los cantantes de música clásica se clasifican de acuerdo con la frecuencia de las notas que son capaces de emitir, y son los bajos (con voz grave, masculina), los tenores (con voz menos graves, masculina), los sopranos (con voz aguda femenina), etc. Las frecuencias de las notas que estos cantantes son capaces de emitir, varían desde casi 100 Hz hasta los 1.200 Hz.

Timbre: Cada sonido tiene su calidad propia. Tú puedes distinguir entre el sonido de una trompeta y el de una flauta, aunque las dos produzcan la misma nota, también puedes distinguir las diferentes voces de tus compañeros de clase. Esto se debe a que los instrumentos y las personas tienen calidad de sonido o timbre.

El timbre de un sonido es la cualidad en virtud de la que podemos distinguir dos sonidos de igual frecuencia e intensidad emitidos por dos focos sonoros diferentes.

Intensidad (I): ¿Por qué algunos sonidos son más intensos que otros? Hay muchas razones, pero la causa principal es atribuible a la amplitud. La amplitud de un sonido es el máximo exceso de presión (o presión sonora) en cada ciclo.

La intensidad del sonido se define como la cantidad de energía que atraviesa una unidad de área perpendicular a la dirección de propagación de la onda en un segundo. También se dice que la intensidad es la potencia transferida por una onda sonora a través de la unidad de área normal a la dirección de propagación.        

I = P / A.    Unidades: I = Watt (vatios) /cm2.    

La intensidad es una propiedad que se relaciona con la energía de vibración de la fuente que emite la onda sonora. “cuanto mayor sea la cantidad de energía por unidad de tiempo que una onda sonora transporta hasta nuestros oídos, tanto mayor será la intensidad del sonido que percibiremos”. La intensidad del sonido es proporcional al cuadrado de la amplitud de la onda sonora y se mide por medio de un instrumento llamado osciloscopio.

La intensidad determina el volumen, el volumen es una sensación psicológica que se percibe en el cerebro y es diferente para cada persona, y se mide por medio de una escala que tiene el decibel (Db) como unidad de medida (en honor a Alexander Graham Bell).

El umbral de audición. Representa la intensidad mínima Io del sonido audible, apenas perceptible y es del orden de 10-16 W /cm2

El umbral de dolor. Representa la intensidad máxima que el oído puede registrar sin sentir dolor. Su valor es:

10-4 W /cm2

“Cuando la intensidad I1 de un sonido es diez veces mayor que la intensidad I2 de otro, se dice que la razón de intensidad es de un Bel (B)”.

Aprovechando este hecho fisiológico, se define la intensidad acústica B como:

B = 10 Log (I / Io) d B.

A partir de cero en el umbral auditivo de una persona normal, cada incremento de 10 dB significa que la intensidad del sonido aumenta por un factor de diez. Un sonido de 20 dB es 10 veces más intenso que uno de 10 dB, o 100 veces más intenso que el umbral auditivo.

La duración física de un sonido y la percibida están muy relacionadas aunque no son exactamente lo mismo. La duración percibida es aquel intervalo temporal en el que el sonido persiste sin discontinuidad.

6. El Efecto Doppler

¿Te has parado alguna vez al costado de la calle mientras pasaba una ambulancia, un auto de la policía o un carro de bomberos sonando la sirena?

EFECTO DOPPLER

 

Quizá hayas notado que el tono de la sirena es agudo cuando se acerca, pero se vuelve más grave cuanto más se aleja. Cuando el auto se acerca, cada vez que suena la sirena, envía nuevas ondas en la misma dirección en que se mueve el auto. Esto causa que las ondas se empujen unas a otras, reduciendo su longitud y aumentando su frecuencia y tono a medida que se acerca a ti. Las altas frecuencias producen tonos agudos.

Cuando el auto pasa de largo se mueve en dirección opuesta a la de las ondas que llegan hacia ti. Por esta razón las ondas están más extendidas, la frecuencia es más baja y el tono del sonido es más grave. Este cambio de tono se llama efecto Doppler.

El efecto Doppler es un cambio en la frecuencia y en el tono de un sonido debido al movimiento relativo de la fuente o el receptor del sonido.

 La ecuación general del efecto Doppler es fo=f[(v+vo)/(v-vf)] , donde fo = frecuencia observada,

f = frecuencia de la fuente, V = velocidad del sonido, vo velocidad del receptor, y vf =velocidad de la fuente

NOTA. Las velocidades son positivas para aproximaciones y negativas para alejamientos.

El efecto Doppler describe la variación en la frecuencia de un sonido, cuando la fuente que emite el sonido se acerca o se aleja de un observador. El que un sonido, sea más grave o menos agudo, depende de la frecuencia con que los frentes de ondas llegan a nuestros oídos. LLamado así en honor del físico Austriaco, Christian Doppler.

Cuando una ambulancia que suena su sirena se acerca a nosotros, los frentes de ondas están más apretados y llegan a nuestros oídos con mayor  frecuencia, escuchamos un sonido más agudo. Cuando la ambulancia se aleja de nosotros, a nuestro oído llegan menos frentes de onda por segundo y el sonido es más grave (menor frecuencia). Cuanto mayor es la velocidad de la ambulancia, tanto mayor es el cambio de frecuencia, percibido por nuestros oídos.

En general el movimiento puede ser de la fuente, del observador o de los dos, pero diremos que el efecto Doppler asume la frecuencia de la fuente como una constante pero lo escuchado depende de las velocidades de la fuente que emite el sonido y del observador. La policía usa el efecto Doppler de las ondas de radar para determinar  la rapidez de los autos en la carretera.

La luz también está sujeta al efecto Doppler. Cuando una fuente de luz se aproxima a nosotros vemos un aumento en la frecuencia medida, el aumento de frecuencia se conoce como desplazamiento hacia el azul. Cuando la fuente se aleja de nosotros, disminuye la frecuencia medida, la disminución de la frecuencia se describe como un desplazamiento hacia el rojo. Midiendo este desplazamiento puede calcularse el movimiento relativo de la Tierra y la estrella.

7. Interacciones de las ondas sonoras

7.1 Reflexión del sonido

El sonido también se ve afectado por la reflexión, y cumple la ley fundamental de que el ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión. Un eco es el resultado de la reflexión del sonido. El Sonar se basa en la reflexión de los sonidos propagados en agua.  La fracción de energía sonora que se refleja en una superficie dada es mayor si ésta es rígida y lisa, y menor cuando la superficie es suave e irregular. La energía sonora que no se refleja se absorbe o se transmite. El sonido se refleja en todas las superficies de una habitación: las paredes, el techo, el piso, los muebles y las personas. Cuando las paredes son demasiado reflejantes el sonido se hace confuso, esto se debe a reflexiones múltiples llamadas reverberaciones. Por otro lado, si las superficies reflejantes son demasiado absorbentes el nivel sonoro será bajo y el sonido parecerá apagado y sin vida.

Un objeto que sea grande en comparación con la longitud de onda de un sonido reflejara buena parte de este sonido. Estos reflejos se llaman eco. Los sonidos rodean los objetos que son pequeños en comparación con la longitud de onda. El hecho de que los objetos reflejen el sonido ha sido aprovechado por el hombre en la navegación para localizar los iceberg o el fondo, en la pesca comercial para encontrar grandes bancos de peces, y en operaciones militares para determinar la posición de los submarinos.

Sabemos que los materiales de diferentes densidades reflejan el sonido; por lo tanto, en el océano el sonido rebota contra la superficie, el fondo y las masas de agua de diferentes temperaturas, además de los animales y las plantas. Las capas de agua que tienen temperaturas diferentes desvían las ondas sonoras que no se reflejan. De este modo, una onda sonora que recorre el mar se expande, es absorbida, cambia de dirección, es reflejada y se dispersa. Cuanto mayor sea la frecuencia del sonido, mayor será el efecto. Por este motivo, la mayoría de las sondas por eco de largo alcance que utilizan los barcos operan a una frecuencia por debajo de los 5.000 Hz. Para detectar objetos pequeños a distancias mucho más reducidas, los sonares operan a una frecuencia que escapa al alcance auditivo del hombre, es decir, por encima de los 20.000 Hz.

7.2 Refracción del sonido.

Las ondas sonoras se refractan cuando hay vientos irregulares o cuando ésta se propaga en aire cuya temperatura no es homogénea. Por ejemplo, en un día caliente el aire próximo al suelo puede estar más caliente que el aire que está más arriba. Puesto que el sonido se propaga más aprisa en aire caliente, la rapidez del sonido cerca del suelo aumenta. La refracción no es abrupta, sino gradual, por tanto, las ondas sonoras tienden a desviarse alejándose del suelo caliente y se tiene la sensación de que el sonido no se transmite bien. En un día frió o durante la noche, cuando la capa de aire próxima al suelo está más fría que el aire que está más arriba, la rapidez del sonido se reduce y el sonido se desvía hacia el suelo. En estas condiciones el sonido se puede escuchar a distancias considerablemente mayores.

7.3 Interferencia de ondas sonoras.

¿Qué sucede cuando las ondas sonoras se combinan?

Cuando las ondas sonoras se combinan de tal manera que la turbulencia que producen es menor que cada una de las ondas, la interferencia es destructiva. El resultado de esta interferencia es la disminución de la intensidad del sonido, por lo tanto, el sonido tiene menos volumen. Una interferencia destructiva puede producir zonas en las que no se oyen sonidos, llamadas zonas muertas.

Si dos fuentes de sonidos tienen una frecuencia casi igual, pero no del todo, las ondas sonoras que producen se combinan de tal manera que la amplitud y el volumen de la onda resultante cambia a intervalos regulares. En algunos puntos la interferencia es constructiva y en otros, destructiva. El compás se vuelve a intervalos fuerte o suave, de acuerdo con la diferencia de las frecuencias. Los cambios repetidos de volumen se llaman compases.

 7.4 Resonancia.

Resonancia es la propiedad que tienen algunos cuerpos de ponerse a vibrar, cuando en ellos incide una onda sonora que son capaces de producir. Por ejemplo, si se colocan cerca dos diapasones que den la misma nota musical y se hace vibrar uno de ellos, el segundo también vibra, sin que sea necesario que lo toquemos.

 

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3 comentarios to “Acústica”

  1. maria de los angeles mendoza giraldo said

    Me parece que la información es concreta y simplificada para que podamos entender el tema además de los interactivos que fomentan la participación del estudiante por la excelencia académica, gracias profesor.

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  2. jean carlos pachon said

    excelente presentación querido profesor, lo felicito me gusto mucho la manera de investigacion que tenemos al alcance de nuestras manos.. saludos
    Jean C. Pachon 🙂

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  3. j-k said

    profe esto es un mensaje personal ya que note un buen cambio en la pagina lo cual me orgullese y espero q siga mejorando cada dia mas lo felicito y se lo agradesco a usted porq es el unico q le a puesto el pecho a esto y gracias por mostrar esto del colegio

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