Institución Educativa José Manuel RestrepoAmor, Disciplina Y Trabajo

2013

Acústica

Estudio Del Sonido

LA ACÚSTICA

Es una rama de la física interdisciplinaria queestudia el sonido, infrasonido y ultrasonido, esdecir ondas mecánicas que se propagan a travésde la materia (sólida, líquida o gaseosa). Aefectos prácticos, la acústica estudia laproducción, transmisión, almacenamiento,percepción o reproducción del sonido.

El sonido, en física, es cualquier fenómeno que

involucre la propagación en forma de ondas

elásticas (sean audibles o no), generalmente a través

de un fluido (u otro medio elástico) que estégenerando el movimiento vibratorio de un cuerpo.

El sonido humanamente audible consiste en ondassonoras que producen oscilaciones de la presión delaire, que son convertidas en ondas mecánicas en eloído humano y percibidas por el cerebro. Lapropagación del sonido es similar en los fluidos,donde el sonido toma la forma de fluctuaciones depresión.1 En los cuerpos sólidos la propagación delsonido involucra variaciones del estado tensionaldel medio.

La propagación del sonido involucra transporte de

energía sin in transporte de materia. Como las

vibraciones se producen en la misma dirección en la

que se propaga el sonido, se trata de una onda

longitudinal.

El sonido es un fenómeno vibratorio transmitido enforma de ondas. Para que se genere un sonido esnecesario que vibre alguna fuente. Las vibracionespueden ser transmitidas a través de diversos medioselásticos, entre los más comunes se encuentran el aire yel agua. La fonética acústica concentra su interésespecialmente en los sonidos del habla: cómo segeneran, cómo se perciben, y cómo se pueden describirgráfica y/o cuantitativamente.

Propagación Del Sonido

Ciertas características de los fluidos y de los sólidosinfluyen en la onda de sonido. Es por eso que elsonido se propaga en los sólidos y en los líquidos ygases pero con mayor rapidez que en los gases. Engeneral cuanto mayor sea la compresibilidad el mediotanto menor es la velocidad del sonido. También ladensidad es un factor importante en la velocidad depropagación, en general a mayor sea la densidad (ρ), aigualdad de todo lo demás, tanto mayor es lavelocidad de la propagación del sonido.

La propagación del sonido está sujeta a algunos condicionales.Así la transmisión de sonido requiere la existencia de un mediomaterial donde la vibración de las moléculas es percibida comouna onda sonora. En la propagación en medios compresiblescomo el aire, la propagación implica que en algunas zonas lasmoléculas de aire, al vibrar se juntan (zonas de compresión) yen otras zonas se alejan (zonas de rarefacción), esta alteraciónde distancias entre las moléculas de aire es lo que produce elsonido.

Compresión

Rarefacción

En fluidos altamente incompresibles como los líquidos las distancias seven muy poco afectadas pero se manifiesta en forma de ondas depresión. La velocidad de propagación de las ondas sonoras en un mediodepende de la distancia promedio entre las partículas de dicho medio,por tanto, es en general mayor en los sólidos que en los líquidos y enestos, a su vez, que en los gases. En el vacío no puede propagarse elsonido, nótese que por tanto las explosiones realmente son audibles enel espacio exterior.

Las ondas sonoras no se producen cuando un cuerpo vibrarápidamente. La frecuencia es el número de vibraciones u oscilacionescompletas que efectúan por segundo. Los sonidos producidos sonaudibles por un ser humano promedio si la frecuencia de oscilaciónestá comprendida entre 20 Hz y 20 000 HZ.

Por encima de esta última frecuencia se tiene un ULTRASONIDO noaudible por los seres humanos, aunque algunos animales pueden oírultrasonidos inaudibles por los seres humanos. La intensidad de unsonido está relacionada con el cuadrado de la AMPLITUD de presión dela onda sonora.

Velocidad del sonidoEl sonido tiene una velocidad de 331,5 m/s cuando: la temperatura es de0 °C, la presión atmosférica es de 1 atm (nivel del mar) y se presenta unahumedad relativa del aire de 0 % (aire seco). Aunque depende muy pocode la presión del aire.La velocidad del sonido depende del tipo de material. Cuando el sonidose desplaza en los sólidos tiene mayor velocidad que en los líquidos, y enlos líquidos es más veloz que en los gases. Esto se debe a que laspartículas en los sólidos están más cercanas.Comportamiento de las ondas de sonido a diferentes velocidadesLa velocidad del sonido en el aire se puede calcular en relación a latemperatura de la siguiente manera:

Vs=Vo +βTDonde:Vo=331,5m/sβ=0,606m/s°CT es la temperatura en grados Celsius. Si la temperatura ambiente es de15 °C, la velocidad de propagación del sonido es 340 m/s

Rapidez De Propagación Del Sonido En Diferentes Medios

medio Rapidez (m/s)

Aire (0°C) 331,5

Aire (15°C) 340

Oxígeno (0°C) 316

Hidrógeno (0 °C) 1260

Agua (20 °C) 1480

Glicerina 1950

Madera 4500

Vidrio Hasta 5300

Reflexión del sonido

Así como una onda en la superficie del agua se refleja alchocar con las paredes de una piscina, la energía de unaonda sonora se refleja al incidir sobre algunas superficies.No todas las superficies se comportan de igual manera,por ejemplo el sonido se refleja de manera mucho máseficiente en un muro de ladrillos que en un cortinajegrueso, el que absorberá gran parte del sonido. Engeneral, la reflexión del sonido es mejor entre mayordensidad tenga la superficie donde choque.

Existen mamíferos como los delfines y losmurciélagos que utilizan la reflexión del sonidopara ubicar objetos en el espacio, inclusive entotal oscuridad. Este mecanismo se llamaecolocalización y lo pueden usar gracias a quetienen un sistema auditivo muy desarrollado.Estos mamíferos emiten sonidos muy agudos (aveces inaudibles para los seres humanos) y alcaptar la reflexión de ellos en un obstáculo,pueden saber, por ejemplo, a qué distancia seencuentra dicho cuerpo.

¿Cuál será la distancia mínima que deberá tener una personacon un muro, para poder apreciar el fenómeno del eco?

El eco consiste en que el mismo sonido que se emite se vuelve aoír después de cierto tiempo. Para responder la preguntaplanteada inicialmente, hay que tomar en cuenta que el sonido,desde el momento de ser emitido por las cuerdas vocales, debellegar hasta el muro y reflejarse a la persona. Además, se debeconsiderar que el oído humano es capaz de diferenciar dossonidos, cuando llegan desfasados por un tiempo mínimo de 0,1s. Otro dato importante es la rapidez del sonido en el aire;consideraremos para este caso el valor de 340 m/s.

Imagina que vas a oír un concierto a una sala y de pronto lasleyes físicas cambian, de manera que los objetos que terodean pierden la capacidad de reflejar el sonido, ¿quéefectos podrías notar?, ¿qué ocurriría luego, si los objetosabsorbieran todo el sonido que reciben? Considera que lo quetransportan las ondas es energía.¿Cuál sería la distancia mínima que necesitaría un delfín paraescuchar su eco en el agua?En el aire el sonido viaja en promedio a 340 m/s. Imagina quenos pudiésemos comunicar en un medio físico donde elsonido viaje mucho más rápido, alrededor de cinco veces lavelocidad en el aire. ¿A qué distancia podríamos percibir eleco?

Sonidos agudos son los sonidos o tonos quecomponen la gama de altas frecuencias delespectro audible. Generalmente los sonidos porencima de 5 kHz son considerados agudos.

Sonidos graves: son los sonidos de baja frecuencia delespectro audible. Por lo general son sonidos que estána menos de 5 KHz.

Generalmente estas frecuencias son reproducidas pormedio de un woofer o un subwoofer.

Características del sonido

Tono o altura de un sonidoA mayor frecuencia, más agudo se percibe el sonido y, amenor frecuencia, más grave. A la frecuencia que seasocia a un sonido la llamaremos tono.Como los términos agudo y grave son subjetivos, losdiferentes tonos se clasifican según su frecuencia. Launidad física de frecuencia es el Hertz (Hz), llamada así enhonor al físico alemán Heinrich Hertz (1857-1894), quiendemostró la existencia de la ondas electromagnéticas.Una frecuencia de 1 Hz, equivale a una oscilación porsegundo; una frecuencia de 10 Hz equivale a 10oscilaciones por segundo, y así sucesivamente.

La intensidad de unsonido depende de lamagnitud de lasvibraciones del cuerpoque las produce, y cuandohablamos de magnitud dela vibración, nosreferimos a su amplitud.

A mayor amplitud, elsonido es más intenso.

Intensidad del sonido

El oído humano tiene la capacidad de escucharsonidos a partir de una intensidad de 1000-

12000 W/m². Esta intensidad se conoce como umbralde audición. Cuando la intensidad supera 1 W/m², lasensación se vuelve dolorosa.

Dado que en el rango de intensidades que el oídohumano puede detectar sin dolor hay grandesdiferencias en el número de cifras empleadas enuna escala lineal, es habitual utilizar una escalalogarítmica.

El timbre es la cualidad del sonido quenos permite distinguir entre dossonidos de la misma intensidad yaltura.Casi nunca se puede producir unsonido puro, siempre se producenotros que lo acompañan. Algunos deestos se llaman armónicos. El timbredepende de los sonidos armónicosque acompañan al principal.Por ejemplo, la nota emitida por unpiano es el resultado de la vibraciónno únicamente de la cuerdaaccionada, sino también de algunasotras partes del piano (madera,columnas de aire, otras cuerdas, etc.)las cuales vibran junto con ella y le dasu sonido característico

El oído Humano Las ondas sonoras, penetran aloído a través del canal auditivoexterno hacia el tímpano, en elcual se produce una vibración.Estas vibraciones se comunicanal oído medio mediante lacadena de huesecillos (martillo,yunque y estribo) y, a través dela ventana oval, hasta el líquidodel oído interno. A su vez estavibración estimula lasterminaciones nerviosas queenvían al cerebro los impulsoseléctricos que permitenreconocer los sonidos.

Efecto DopplerSe llama EFECTO DOPPLER a lasvariaciones aparentes en la Frecuenciade una onda cualquiera (sonora,luminosa, en el agua, etcétera),causadas por el movimiento ya sea dela fuente emisora, ya sea del receptorde la onda sonora o de ambos.

La moto (es la fuente sonora) emite unsonido, supongamos de 200 Hz defrecuencia, que viaja por el espaciohacia todas direcciones a una velocidadde 340 metros por segundo. A su vez, lamoto lleva una velocidad propia. ¿Quésucede con los receptores respecto a lafrecuencia con que perciben el sonidode la moto?

Todo depende de las velocidades de los involucrados.La chica de la izquierda está en reposo, respecto a ella,el sonido debería llegar a la velocidad de 340 m/s, peroresulta que el emisor del sonido (la moto) se aleja deella; por lo tanto, a ella percibirá un sonido de menorfrecuencia (ondas más largas, tono menos agudo).El muchacho de la derecha camina hacia la moto.Respecto a este muchacho, el sonido viaja hacia él a340 m/s, más la velocidad de la moto y más lavelocidad de su caminar hacia la moto; por lo tanto,percibirá un sonido de mayor frecuencia, ondas máscortas, tono más agudo).Entendida esta relación entre las velocidades,mostraremos cómo es posible obtener ecuaciones quenos permiten calcular las variaciones de frecuenciapercibidas por un receptor.A continuación la siguiente fórmula general permitehallar la frecuencia que percibirá el receptor uobservador:

Donde :

fo = frecuencia que percibe el observadorfe = frecuencia real que emite la fuentev = vs = velocidad del sonido (340 m/s)vo = velocidad del observadorve = velocidad de la fuente

La ubicación de signos es muy importante yaque usar uno u otro depende de si elobservador se acerca o se aleja de la fuenteemisora de sonido.

Tubos sonorosLos tubos de caña o de otras plantas detronco hueco, constituyeron los primerosinstrumentos musicales. Emitían sonidosoplando por un extremo. El airecontenido en el tubo entraba envibración emitiendo un sonido.Las versiones modernas de estosinstrumentos de viento son las flautas,las trompetas y los clarinetes, todos ellosdesarrollados de forma que el intérpreteproduzca muchas notas dentro de unaamplia gama de frecuencias acústicas.

Tubos abiertosSi un tubo es abierto, el aire vibra consu máxima amplitud en los extremos. Enla figura, se representan los tresprimeros modos de vibraciónComo la distancia entre dos nodos oentre dos vientres es media longitud deonda. Si la longitud del tubo es L,tenemos que:L=λ/2, L= λ, L=3 λ/2, ... en general

L=nλ/2, n=1, 2, 3... es un número enteroConsiderando que λ =vs/f (velocidad delsonido dividido la frecuencia)Las frecuencias de los distintos modosde vibración responden a la fórmula

Tubos cerrados

Si el tubo es cerrado se origina unvientre en el extremo por dondepenetra el aire y un nodo en elextremo cerrado. Como la distanciaentre un vientre y un nodoconsecutivo es l /4. La longitud L deltubo es en las figuras representadases L=λ/4, L=3λ/4, L=5λ/4...En general L=(2n+1)λ/4; con n=0, 1,2, 3, ...Las frecuencias de los distintosmodos de vibración responden a lafórmula