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“Año de la Diversificación Productiva y del Fortalecimiento de la Educación”
Institución Educativa
Emblemática Pedro Portillo
Curso : Ciencia Tecnología y Ambiente
Docente : Alain Ruiz Cárdenas
Alumnos : - Camacho Tamani, Willy- Llacsa Flores, Rut- Lopez Arirama, Danis- Maldonado Benitez, Wendy- Mera Rengifo, Karla
Grado : 5to “C”
- Naupay Gomez, Gabriela
- Panduro Castro, Enita
- Pinchi Pinedo, Patrick
2
Turno : Tarde
PUCALLPA – PERÚ2015
DEDICATORIA
A Dios por ser el Pilar que ilumina mi Camino.
3
A mis padres por el apoyo incondicional, que me da.
A Los lectores, puesto que estas
enseñanzas están bien especificadas, y
ayudara mucho en su alimentación
académica.
INDICEDEDICATORIA...............................................................................................................................2
INDICE........................................................................................................................................3
INTRODUCCIÓN.......................................................................................................................4
1. EL SONIDO Y LAS ONDAS............................................................................................5
1.1. EL SONIDO................................................................................................................5
1.2. CARACTERÍSTICAS FÍSICAS...............................................................................6
1.3. FRECUENCIA............................................................................................................6
1.4. AMPLITUD.................................................................................................................7
1.5. INTENSIDAD.............................................................................................................7
1.6. TIMBRE......................................................................................................................8
1.7. REFRACCIÓN, REFLEXIÓN E INTERFERENCIAS...........................................8
1.8. TRES TIPOS DE SONIDO IMPORTANTES.......................................................10
1.9. LA VELOCIDAD DEL SONIDO............................................................................11
2. VIBRACIÓN FORZADA Y RESONANCIA..................................................................13
3. ONDAS SONORAS........................................................................................................14
4. TONO Y TIMBRE............................................................................................................18
5. INTERFERENCIA Y PULSACIONES..........................................................................19
6. EFECTO DOPPLER.......................................................................................................20
CONCLUSIONES....................................................................................................................24
BIBLIOGRAFÍA........................................................................................................................25
ANEXOS...................................................................................................................................26
4
INTRODUCCIÓN
En nuestra vida cotidiana, cientos de sonidos alcanzan nuestros oídos. Algunos
nos producen placer, nos gustan, pero otros nos repelen y nos provocan
malestar. A partir del oído, que es uno de nuestros cinco sentidos, somos
capaces de percibir el sonido, que es un estímulo recibido por parte de nuestro
cuerpo. Pero a su vez también estamos capacitados para generar sonido, no
sólo a través de elementos o aparatos mecánicos o electrónicos, si no
naturalmente, por ejemplo, con nuestra voz, a través de la puesta en
funcionamiento de nuestras cuerdas vocales. Pero vamos al punto que nos
interesa, ¿qué es el sonido y cómo se origina?
En ningún momento se deja de estar en contacto con este tipo de estímulos,
inclusive cuando se está durmiendo, el oído sigue atento a cualquier cambio
que se produzca en el entorno. Sin el sonido no existirían ni la música ni los
medios audiovisuales.
Lamentablemente, al audio, no se le da el lugar que se merece. Se jerarquiza
lo visual, la imagen.
En este trabajo Hablaremos del Sonido, y sus aplicaciones físicas
5
1. EL SONIDO Y LAS ONDAS1.1. EL SONIDO
Sonido, fenómeno físico que estimula el sentido del oído. En los seres
humanos, esto ocurre siempre que una vibración con frecuencia comprendida
entre unos 15 y 20.000 hercios llega al oído interno. El hercio (Hz) es una
unidad de frecuencia que corresponde a un ciclo por segundo. Estas
vibraciones llegan al oído interno transmitidas a través del aire, y a veces se
restringe el término `sonido' a la transmisión en este medio. Sin embargo, en la
física moderna se suele extender el término a vibraciones similares en medios
líquidos o sólidos. Los sonidos con frecuencias superiores a unos 20.000 Hz se
denominan ultrasonidos.
Para lo relativo a la ciencia arquitectónica del diseño de estancias y edificios
con propiedades adecuadas de propagación y recepción del sonido. Para lo
relativo a la naturaleza del proceso fisiológico de la audición de sonidos y la
anatomía del mecanismo de audición en personas y animales. En cuanto a las
propiedades generales de la producción y propagación de ondas vibracionales,
entre ellas las ondas de sonido.
En general, las ondas pueden propagarse de forma transversal o
longitudinal. En ambos casos, sólo la energía y la cantidad de movimiento del
movimiento ondulatorio se propagan en el medio; ninguna parte del propio
medio se mueve físicamente a una gran distancia. Por ejemplo, imaginemos
que atamos firmemente una cuerda a un poste por un extremo, la estiramos sin
tensarla del todo y sacudimos el otro extremo. Una onda se desplazará por la
cuerda hacia el poste, donde se reflejará y volverá hacia la mano. En realidad,
ninguna parte de la cuerda se mueve longitudinalmente hacia el poste, pero
todas las partes de la cuerda se mueven transversalmente. Este tipo de
movimiento ondulatorio se denomina onda transversal. Del mismo modo, si
6
tiramos una piedra a un estanque, una serie de ondas transversales se
propaga desde el punto de impacto. Un corcho que flote cerca de dicho punto
se moverá hacia arriba y hacia abajo, es decir, de forma transversal a la
dirección del movimiento ondulatorio, pero apenas mostrará movimiento
longitudinal. En cambio, una onda de sonido es una onda longitudinal. 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 y enrarecimientos 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.
1.2. CARACTERÍSTICAS FÍSICASCualquier sonido sencillo, como una nota musical, puede describirse en
su totalidad especificando tres características de su percepción: el tono, la
intensidad y el timbre. Estas características corresponden exactamente a tres
características físicas: la frecuencia, la amplitud y la composición armónica o
forma de onda. El ruido es un sonido complejo, una mezcla de diferentes
frecuencias o notas sin relación armónica.
1.3. FRECUENCIAExisten distintos métodos para producir sonido de una frecuencia
deseada. Por ejemplo, un sonido de 440 Hz puede crearse alimentando un
altavoz con un oscilador sintonizado a esa frecuencia. También puede
interrumpirse un chorro de aire mediante una rueda dentada con 44 dientes
que gire a 10 revoluciones por segundo; este método se emplea en las sirenas.
Los sonidos de un altavoz y una sirena de la misma frecuencia tendrán un
timbre muy diferente, pero su tono será el mismo, equivalente al la situado
sobre el do central en un piano. El siguiente la del piano, la nota situada una
octava por encima, tiene una frecuencia de 880 Hz. Las notas situadas una y
dos octavas por debajo tienen frecuencias de 220 y 110 Hz respectivamente.
Por definición, una octava es el intervalo entre dos notas cuyas frecuencias
tienen una relación de uno a dos.
7
Una ley fundamental de la armonía afirma que dos notas separadas por una
octava producen una combinación eufónica cuando suenan simultáneamente.
Cuando el intervalo es de una quinta o de una tercera mayor, la combinación
es progresivamente menos eufónica. En física, un intervalo de una quinta
implica que la relación de las frecuencias de ambas notas es de tres a dos; en
una tercera mayor, la relación es de cinco a cuatro. La ley de la armonía afirma
que dos o más notas producen un sonido eufónico al sonar de forma
simultánea si la relación entre sus frecuencias corresponde a números enteros
pequeños; si las frecuencias no presentan dichas relaciones, se produce una
disonancia. En un instrumento de tonos fijos, como un piano, no es posible
establecer las notas de forma que todas estas relaciones sean exactas, por lo
que al afinarlo es necesario un cierto compromiso de acuerdo con el sistema de
tonos medios o escala temperada.
1.4. AMPLITUDLa amplitud de una onda de sonido es el grado de movimiento de las
moléculas de aire en la onda, que corresponde a la intensidad del
enrarecimiento y compresión que la acompañan. Cuanto mayor es la amplitud
de la onda, más intensamente golpean las moléculas el tímpano y más fuerte
es el sonido percibido. La amplitud de una onda de sonido puede expresarse
en unidades absolutas midiendo la distancia de desplazamiento de las
moléculas del aire, o la diferencia de presiones entre la compresión y el
enrarecimiento, o la energía transportada. Por ejemplo, la voz normal presenta
una potencia de sonido de aproximadamente una cienmilésima de vatio. Sin
embargo, todas esas medidas son muy difíciles de realizar, y la intensidad de
los sonidos suele expresarse comparándolos con un sonido patrón; en ese
caso, la intensidad se expresa en decibelios.
1.5. INTENSIDADLa distancia a la que se puede oír un sonido depende de su intensidad,
que es el flujo medio de energía por unidad de área perpendicular a la dirección
de propagación. En el caso de ondas esféricas que se propagan desde una
fuente puntual, la intensidad es inversamente proporcional al cuadrado de la
distancia, suponiendo que no se produzca ninguna pérdida de energía debido a
8
la viscosidad, la conducción térmica u otros efectos de absorción. Por ejemplo,
en un medio perfectamente homogéneo, un sonido será nueve veces más
intenso a una distancia de 100 metros que a una distancia de 300 metros. En la
propagación real del sonido en la atmósfera, los cambios de propiedades
físicas del aire como la temperatura, presión o humedad producen la
amortiguación y dispersión de las ondas sonoras, por lo que generalmente la
ley del inverso del cuadrado no se puede aplicar a las medidas directas de la
intensidad del sonido.
1.6. TIMBRESi se toca el la situado sobre el do central en un violín, un piano y un
diapasón, con la misma intensidad en los tres casos, los sonidos son idénticos
en frecuencia y amplitud, pero muy diferentes en timbre. De las tres fuentes, el
diapasón es el que produce el tono más sencillo, que en este caso está
formado casi exclusivamente por vibraciones con frecuencias de 440 Hz.
Debido a las propiedades acústicas del oído y las propiedades de resonancia
de su membrana vibrante, es dudoso que un tono puro llegue al mecanismo
interno del oído sin sufrir cambios. La componente principal de la nota
producida por el piano o el violín también tiene una frecuencia de 440 Hz. Sin
embargo, esas notas también contienen componentes con frecuencias que son
múltiplos exactos de 440 Hz, los llamados tonos secundarios, como 880, 1.320
o 1.760 Hz. Las intensidades concretas de esas otras componentes, los
llamados armónicos, determinan el timbre de la nota.
1.7. REFRACCIÓN, REFLEXIÓN E INTERFERENCIASEl sonido avanza en línea recta cuando se desplaza en un medio de
densidad uniforme. Sin embargo, igual que la luz, el sonido está sometido a la
refracción, es decir, la desviación de las ondas de sonido de su trayectoria
original. En las regiones polares, por ejemplo, donde el aire situado cerca del
suelo es más frío que el de las capas más altas, una onda de sonido
ascendente que entra en la región más caliente, donde el sonido avanza a más
velocidad, se desvía hacia abajo por la refracción. La excelente recepción del
sonido a favor del viento y la mala recepción en contra del viento también se
deben a la refracción. La velocidad del aire suele ser mayor en las alturas que
9
cerca del suelo; una onda de sonido ascendente que avanza a favor del viento
se desvía hacia el suelo, mientras que una onda similar que se mueve en
contra del viento se desvía hacia arriba, por encima de la persona que
escucha.
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. Una bocina es un tubo cónico que forma un haz
de ondas de sonido reflejando algunos de los rayos divergentes en los lados
del tubo. Un tubo similar puede recoger ondas de sonido si se dirige el extremo
ancho hacia la fuente de sonido.
El sonido también experimenta difracción e interferencia. Si el sonido de una
única fuente llega a un oyente por dos trayectorias diferentes —por ejemplo,
una directa y otra reflejada—, los dos sonidos pueden reforzarse; sin embargo,
si no están en fase pueden interferir de forma que el sonido resultante sea
menos intenso que el sonido directo sin reflexión. Las trayectorias de
interferencia son distintas para sonidos de diferentes frecuencias, con lo que la
interferencia produce distorsión en sonidos complejos. Dos sonidos de distintas
frecuencias pueden combinarse para producir un tercer sonido cuya frecuencia
es igual a la suma o diferencia de las dos frecuencias originales.
Sensaciones de tono
Si se practica una audimetría a una persona joven normal, se comprueba que
su oído es sensible a todos los sonidos entre 15-20 hercios y 15.000-20.000
hercios. El oído de las personas mayores es menos agudo, sobre todo en las
frecuencias más elevadas. El oído es especialmente sensible en la gama que
va desde el la situado por encima del do central hasta en la que está cuatro
octavas por encima; en esa zona, una persona puede percibir un sonido
cientos de veces más débil que una octava por encima o dos octavas por
debajo. El grado en que un oído sensible puede distinguir entre dos notas
puras que difieran ligeramente en intensidad o frecuencia varía en los
diferentes rangos de intensidad y frecuencia de los tonos. En sonidos de
intensidad moderada situados en el rango de frecuencia para el que el oído es
más sensible (entre 1.000 y 2.000 Hz aproximadamente), es posible distinguir
una diferencia de intensidad de un 20% (1 decibelio, o dB) y una diferencia en
10
frecuencia de un 0,33% (alrededor de una vigésima de nota). En este mismo
rango, la diferencia entre el sonido más tenue que puede oírse y el sonido más
fuerte que puede distinguirse como tal sonido (los sonidos más fuertes se
`sienten', o perciben, como estímulos dolorosos) es de unos 120 decibelios:
una diferencia de intensidad de aproximadamente un billón de veces.
Todas estas pruebas de sensibilidad se refieren a tonos puros, como los
producidos por un oscilador electrónico. Incluso para esos tonos puros, el oído
es imperfecto. Dos notas con frecuencia idénticas pero una gran diferencia de
intensidad pueden aparentar una ligera diferencia de tono. Más importante
resulta la diferencia en las intensidades relativas aparentes en las distintas
frecuencias. A intensidades altas, el oído es aproximadamente igual de
sensible a la mayoría de las frecuencias, pero a bajas intensidades el oído es
mucho más sensible a las frecuencias medias que a las extremas. Por tanto, un
equipo de reproducción de sonido que funciona perfectamente parecerá no
reproducir las notas más graves y agudas si se reduce mucho la intensidad.
1.8. TRES TIPOS DE SONIDO IMPORTANTESEn la voz, la música y el ruido, es raro escuchar un tono puro. Una nota
musical contiene, además de la frecuencia fundamental, tonos más agudos que
son armónicos de la misma. La voz contiene una mezcla compleja de sonidos,
de los que algunos (pero no todos) guardan una relación armónica entre sí. El
ruido está formado por una mezcla de muchas frecuencias diferentes dentro de
un determinado rango; por tanto, puede compararse con la luz blanca, que se
compone de una mezcla de luces de los distintos colores. Los distintos ruidos
se distinguen por sus diferentes distribuciones de energía en los distintos
rangos de frecuencias.
Cuando se transmite al oído un tono musical que contiene determinados
armónicos del tono fundamental, pero carece de otros armónicos o del propio
tono fundamental, el oído forma diferentes `batidos' o pulsaciones cuya
frecuencia es la suma o la diferencia de los sonidos originales, con lo que
producen los armónicos que faltan o el tono fundamental que no figura en el
sonido original. Estas notas también son armónicos de la nota fundamental
original. Esta respuesta incorrecta del oído puede resultar útil. Por ejemplo, un
equipo reproductor de sonido sin un altavoz grande no puede producir sonidos
11
de tono más grave que el do situado dos octavas por debajo del do central; sin
embargo, el oído de una persona que escuche ese equipo puede proporcionar
la nota fundamental a partir de las frecuencias de batido de sus armónicos.
Otra imperfección del oído ante los sonidos ordinarios es la incapacidad de oír
notas de alta frecuencia cuando existen sonidos de baja frecuencia de
intensidad considerable. Este fenómeno se denomina enmascaramiento.
En general, para que se entienda el habla y se comprenda satisfactoriamente
un tema musical basta reproducir las frecuencias entre 250 y 3.000 Hz (el
rango de frecuencias de un teléfono normal), aunque algunos sonidos —como
la zeta— requieren frecuencias de hasta 6.000 Hz. Sin embargo, para que el
efecto sea natural hay que reproducir el rango que va aproximadamente de 100
a 10.000 Hz. Los sonidos generados por unos pocos instrumentos musicales
sólo pueden reproducirse con naturalidad con frecuencias algo más bajas, y
algunos ruidos necesitan frecuencias más altas.
1.9. LA VELOCIDAD DEL SONIDO.Cualquier persona que haya visto a cierta distancia cómo se dispara un
proyectil ha observado el fogonazo del arma antes de escuchar la detonación.
Ocurre algo similar al observar el relámpago de un rayo antes de oír el trueno.
Aunque tanto la luz como el sonido viajan a velocidades finitas, la velocidad de
la luz es tan grande en comparación con la del sonido que pueden
considerarse instantánea. La velocidad del sonido se puede medir directamente
determinando el tiempo que tardan las ondas en moverse a través de una
distancia conocida. En el aire, a 0ºC, el sonido viaja a una velocidad de 331
m/s (1087 ft/s).
La velocidad de una onda depende de la elasticidad del medio y de la inercia
de sus partículas. Los materiales más elásticos permiten mayores velocidades
de onda, mientras que los materiales más densos retardan el movimiento
ondulatoria. Las siguientes relaciones empíricas se basan en estas
proporcionalidades.
Para las ondas sonoras longitudinales en un alambre o varilla, la velocidad de
onda está dada por
12
donde Y es el módulo de Young para el sólido y p es su densidad. Esta relación
es válida sólo para varillas cuyos diámetros son pequeños en comparación con
las longitudes de las ondas sonoras longitudinales que se propagan a través de
ellas.
En un sólido extendido, la velocidad de la onda longitudinal es función del
módulo de corte S, el módulo de volumen B, y la intensidad p del medio. La
velocidad de la onda se puede calcular a partir de
Las ondas longitudinales transmitidas en un fluido tienen una velocidad que se
determina a partir de
donde B es módulo de volumen para el fluido y p es su densidad.
Para calcular la velocidad del sonido en un gas, el módulo de volumen está
dado por
donde y es la constante adiabática (y = 1.4 para el aire y los gases diatómicos)
y P es la presión del gas. Por lo tanto, la velocidad de las ondas longitudinales
en un gas, partiendo de la ecuación del fluido, está dada por
Pero para un gas ideal
Donde R = constante universal de los gases
T = temperatura absoluta del gas
M = masa molecular del gas
13
Sustituyendo la ecuación nos queda
Ejemplos.
2. VIBRACIÓN FORZADA Y RESONANCIA.Cuando un cuerpo que está vibrando se pone en contacto con otro, el
segundo cuerpo se ve forzado a vibrar con la misma frecuencia que el original.
Por ejemplo, si un diapasón es golpeado con un martillo y luego se coloca su
base contra la cubierta de una mesa de madera, la intensidad del sonido se
incrementará repentinamente. Cuando se separa de la mesa el diapasón, la
intensidad disminuye a su nivel original. Las vibraciones de las partículas de la
mesa en contacto con el diapasón se llaman vibraciones forzadas.
14
Hemos visto que los cuerpos elásticos tienen ciertas frecuencias naturales de
vibración que son características del material y de las condiciones límite
(de frontera). Una cuerda tensa de una longitud definida puede producir
sonidos de frecuencias características. Un tubo abierto o cerrado también tiene
frecuencias naturales de vibración. Siempre que se aplican a un cuerpo una
serie de impulsos periódicos de una frecuencia casi igual a alguna de las
frecuencias naturales del cuerpo, éste se pone a vibrar con una amplitud
relativamente grande. Este fenómeno se conoce como resonancia o vibración
simpática.
Un ejemplo de resonancia es el caso de un niño sentado a un columpio. La
experiencia indica que la oscilación puede ser puesta en vibración con gran
amplitud por medio de una serie de pequeños empujones aplicados a intervalos
regulares. La resonancia se producirá únicamente cuando los empujones estén
en fase con la frecuencia natural de vibración del columpio. Una ligera variación
de los pulsos de entrada dará como resultado una vibración pequeña o incluso
ninguna.
El refuerzo del sonido por medio de la resonancia tiene múltiples aplicaciones,
así como también buen número de consecuencias desagradables. La
resonancia en una columna de aire en un tubo de órgano amplifica el débil
sonido de una vibración de un chorro de aire vibrante. Muchos instrumentos
musicales se diseñan con cavidades resonantes para producir una variedad de
sonidos. La resonancia eléctrica en los receptores de radio permite al oyente
percibir con claridad las señales débiles. Cuando se sintoniza la frecuencia de
la estación elegida, la señal se amplifica por resonancia eléctrica. En auditorios
mal diseñados o enormes salas de concierto, la música y las voces pueden
tener un sonido profundo que resulta desagradable al oído. Se sabe que los
puentes se destruyen debido a vibraciones simpáticas de gran amplitud
producidas por ráfagas de viento.
3. ONDAS SONORAS.Hemos definido el sonido como una onda mecánica longitudinal que se
propaga a través de un medio elástico. Éste es una definición amplia que no
impone restricciones a ninguna frecuencia del sonido. Los fisiólogos se
interesan principalmente en las ondas sonoras que son capaces de afectar el
15
sentido del oído. Por lo tanto, es conveniente dividir el espectro del sonido de
acuerdo con las siguientes definiciones.
Sonido audible es el que corresponde a las ondas sonoras en un intervalo de
frecuencias de 20 a 20 000 Hz.
Las ondas sonoras que tienen frecuencias por debajo del intervalo audible se
denominan infrasónicas.
Las ondas sonoras que tienen frecuencias por encima del intervalo audible se
llaman ultrasónicas.
Cuando se estudian los sonidos audibles, los fisiólogos usan los
términos, fuerza, tono y calidad (timbre) p’ara describir las sensaciones
producidas. Por desgracia, estos términos representan magnitudes sensoriales
y por lo tanto subjetivas. Lo que es volumen fuerte para una persona es
moderado para otra. Lo que alguien percibe como calidad, otro lo considera
inferior. Como siempre, los físicos deben trabajar con definiciones explícitas
medibles. Por lo tanto, el físico intenta correlacionar los efectos sensoriales con
las propiedades físicas de las ondas. Estas correlaciones se resumen en la
siguiente forma:
- Efectos sensoriales Propiedad física
- Intensidad acústica (Volumen) Intensidad
- Tono Frecuencia
- Timbre (Calidad) Forma de la onda
El significado de los términos de la izquierda puede variar considerablemente
de uno a otro individuo. Los términos de la derecha son medibles y objetivos.
Las ondas sonoras constituyen un flujo de energía a través de la materia. La
intensidad de una onda sonora específica es una medida de la razón a la cual
la energía se propaga a través de un cierto volumen espacial.
Un método conveniente para especificar la intensidad sonora es en términos de
la rapidez con que la energía se transfiere a través de la unidad de área normal
a la dirección de la propagación de la onda. Puesto que la rapidez a la cual
fluye la energía es la potencia de una onda, la intensidad puede relacionarse
con la potencia por unidad de área que pasa por un punto dado.
La intensidad sonora es la potencia transferida por una onda sonora a través
de la unidad de área normal a la dirección de la propagación.
16
La intensidad de una onda sonora es una
medida de la potencia transmitida por
unidad de área perpendicular a la dirección
de propagación de onda.
Las unidades para la intensidad resultan de
la relación de una unidad de potencia entre
una unidad de área. En unidades del SI, la
intensidad se expresa en W/m2, y ésa es la
unidad que emplearemos. Sin embargo, la
rapidez de flujo de energía en ondas
sonoras es pequeña, y en la industria se usa todavía ?W/cm2 en múltiples
aplicaciones. El factor de conversión es:
1 ?W/cm2 = 1 x 10-2 W/m2
Se puede demostrar por métodos similares a los utilizados para un resorte que
está vibrando, que la intensidad sonora varía en forma directa al cuadrado de la
frecuencia f y al cuadrado de la amplitud A de una determinada onda sonora.
Simbólicamente, la intensidad I está dada por:
I = 2?2f 2A2pv
Donde v es la velocidad del sonido en un medio de densidad p. El símbolo A en
la ecuación se refiere a la amplitud de la onda sonora y no a la unidad de área.
La intensidad I0 del sonido audible apenas perceptible es el orden de 10-12
W/m2. Esta intensidad, que se conoce como umbral de audición, ha sido
adoptado por expertos en acústica como la intensidad mínima para que un
sonido sea audible.
El umbral de audición representa el patrón de la intensidad mínima para que un
sonido sea audible. Su valor a una frecuencia de 1000 Hz es:
I0 = 1 x 10-2 W/m2 = 1 x 10-10 ?W/cm2
El intervalo de intensidades por arriba del cual el oído humano es sensible es
enorme. Abarca desde el umbral de audición I0 hasta una intensidad de 10-12
veces mayor. EL extremo superior representa el punto en el que la intensidad
es intolerable para el oído humano. La sensación se vuelve dolorosa y no sólo
auditiva.
17
El umbral del dolor representa la intensidad máxima que el oído promedio
puede registrar sin sentir dolor. Su valor es:
1p = 1 W/m2 = 100 ?W/cm2
En vista de la amplitud del intervalo de intensidades al que es sensible el oído,
es más conveniente establecer una escala logarítmica para las mediciones de
intensidades sonoras. Dicha escala se establece a partir de la siguiente regla.
Cuando la intensidad I, de un sonido es 10 veces mayor que la intensidad I2 de
otro, se dice que la relación de intensidades es de 1 bel (B).
O sea que, cuando se compara la intensidad de dos sonidos, nos referimos a la
diferencia entre niveles de intensidad dada por:
donde I, es la unidad de un sonido e I2 es la intensidad del otro.
Ejemplos
En la práctica, la unidad de 1 B es demasiado grande. Para obtener una unidad
más util, se define el decibel (dB) como un décimo del bel. Por lo tanto, la
respuesta al ejemplo también se puede expresar como 76.8 dB.
Usando la intensidad I0 como patrón de comparación para todas las
intensidades, es posible establecer una escala general para valorar cualquier
sonido. El nivel de intensidad en decibeles de cualquier sonido de intensidad I
puede calcularse a partir de la relación general.
donde I0 es la intensidad del umbral de audición (1 x 10-12 W/m2). El nivel de
intensidad para I0 es de cero decibeles.
18
En virtud de la notación logarítmica de los decibeles, el amplio intervalo de
intensidades a niveles de intensidad se reduce a un espectro de 0 a 120 dB.
Debemos recordar, sin embargo, que la escala no es lineal sino logarítmica. Un
sonido de 40 dB es mucho más que el doble de intensidad de un sonido de 20
dB. Un sonido es 100 veces más intenso que otro es tan sólo 20 dB mayor. En
la tabla aparecen varios ejemplos de los niveles de intensidad de sonidos
comunes.
4. TONO Y TIMBRE.El efecto de la intensidad en el oído humano se manifiesta en sí mismo
como volumen. En general, las ondas sonoras que son más intensas son
también de mayor volumen, pero el oído no es igualmente sensible a sonidos
de todas las frecuencias. Por lo tanto, un sonido de alta frecuencia puede ni
parecer tan alto como uno de menor frecuencia que tenga la misma intensidad.
La frecuencia de un sonido determina lo que el oído juzga como el tono del
sonido. Los músicos designan el tono por las letras que corresponden a las
notas de las teclas del piano. Por ejemplo, las notas do, re y fa se refieren a
19
tonos específicos, o frecuencias. Un disco de sirena, como el que
se muestra en la figura, puede utilizarse para demostrar cómo el tono queda
determinado por la frecuencia de un sonido. Una corriente de aire se envía
sobre una hilera de agujeros igualmente espaciados. Al variar la velocidad de
rotación del disco, el tono del sonido resultante se incrementa o decrece.
Demostración de la relación entre
tono y frecuencia.
Dos sonidos del mismo tono se
pueden distinguir fácilmente. Por
ejemplo, suponga que suena la
nota do (250 Hz) sucesivamente
en un piano, una flauta, una
trompeta y un violín. Aun cuando
cada sonido tiene el mismo tono, hay una marcada diferencia en el timbre. Se
dice que esta diferencia resulta una diferencia en la calidad o timbre del sonido.
En los instrumentos musicales, independientemente de la fuente de vibración,
generalmente se excitan en forma simultánea diversos modos de oscilación.
Por consiguiente, el sonido producido consiste no sólo en la fundamental, sino
también en varios sobretonos. La calidad de un sonido se determina por el
número y las intensidades relativas de los sobretonos presentes. La diferencia
en la calidad o timbre entre dos sonidos puede observarse en forma objetiva
analizando las complejas formas de onda que resultan de cada sonido. En
general, cuanto más compleja es la onda, mayor es el número de armónicas
que contribuyen a dicha complejidad.
5. INTERFERENCIA Y PULSACIONES.La interferencia también se presenta en el caso de las ondas sonoras
longitudinales y el principio de superposición también se les aplica a ellas. Un
ejemplo común de la interferencia en ondas sonoras se presenta cuando dos
diapasones (o cualquier otra fuente sonora de una sola frecuencia) cuyas
frecuencias difieren ligeramente, se golpean de manera simultánea. El sonido
que se produce varía en intensidad, alternando entre tonos fuertes y silencio
virtual. Estas pulsaciones regulares se conocen como pulsaciones. El efecto
20
vibrato que se obtiene en algunos órganos es producido por dos tubos
sintonizados a frecuencias ligeramente diferentes.
Para comprender el origen de las pulsaciones, examinemos la interferencia que
se establece entre ondas sonoras que producen de dos diapasones de
frecuencia ligeramente distinta. La superposición de ondas A y B ilustran el
origen de las pulsaciones. Los tonos fuertes se presentan cuando las ondas
interfieren constructivamente y los tonos suaves ocurren cuando las ondas
interfieren en forma destructiva. La observación y los cálculos demuestran que
las dos ondas interfieren constructivamente f – f’ veces por segundo. Así
podemos escribir
Número de pulsaciones por segundo = |f – f’|
Por ejemplo si dos diapasones de 256 y 259 Hz se golpean simultáneamente,
el sonido resultante pulsará tres veces por segundo.
6. EFECTO DOPPLER.Siempre que una fuente sonora se mueve en relación con un oyente, el tono
del sonido, como lo escucha el observador, puede no ser el mismo que el que
percibe cuando la fuente está en reposo. Por ejemplo, si uno está cerca de la
vía del ferrocarril y escucha el silbato del tren al aproximarse, se advierte que el
tono del silbido es más alto que el normal que se escucha cuando el tren está
detenido. A medida que el tren se aleja, se observa que el tono que se escucha
es más bajo que el normal. En forma similar, en las pistas de carreras, el
sonido de los automóviles que se acercan a la gradería es considerablemente
más alto en tono que el sonido de los autos que se alejan de la gradería.
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Diagrama que muestra el origen de las pulsaciones. La onda C es una
superposición de ondas A y B.
El fenómeno no se restringe al movimiento de la fuente. Si la fuente de sonido
está fija, un oyente que se mueva hacia la fuente observará un aumento similar
en el tono. Un oyente que se aleja de la fuente de sonido escuchará un sonido
de menor tono. El cambio en la frecuencia del sonido que resulta del
movimiento relativo entre una fuente y un oyente se denomina efecto Doppler.
El efecto Doppler se refiere al cambio aparente en la frecuencia de una fuente
de sonido cuando hay un movimiento relativo de la fuente y del oyente.
El origen del efecto Doppler se puede demostrar gráficamente por medio de la
representación de las ondas periódicas emitidas por una fuente como círculos
concéntricos que se mueven en forma radial hacia fuera. La distancia entre
cualquier par de círculos representa la longitud de onda? del sonido que se
desplaza con una velocidad V. La frecuencia con que estas ondas golpean el
oído determina el tono de sonido escuchado.
Consideremos en primer lugar que la fuente se mueve a la derecha hacia un
observador A inmóvil. A medida que la fuente en movimiento emite ondas
sonoras, tiende a alcanzar las ondas que viajan en la misma dirección que ella.
Cada onda sucesiva se emite desde un punto más cercano al oyente que la
onda inmediata anterior. Esto da por resultado que la distancia entre las ondas
sucesivas, o la longitud de onda, sea menor que la normal. Una longitud de
onda más pequeña producen una frecuencia de ondas mayor, lo que aumenta
el tono del sonido escuchado por el oyente A. Mediante un razonamiento
similar se demuestra que un incremento en la longitud de las ondas que llegan
al oyente B hará que B escuche un sonido de menor frecuencia.
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Representación gráfica de ondas sonoras emitidas desde una fuente fija.
Ilustración del efecto Doppler. Las ondas frente a una fuente en movimiento
están más cercanas entre sí que las ondas que se propagan detrás de la fuente
móvil.
Ahora podemos deducir una relación para predecir el cambio en la frecuencia
observada. Durante una vibración completa de la fuente estacionaria (un
tiempo igual al del periodo T), cada onda se moverá a lo largo de una distancia
de una longitud de onda. Esta distancia de una longitud de onda. Esta distancia
se presenta con?? y está dada por:
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Cálculo de la magnitud de la longitud de onda del sonido que se emite desde
una fuente en movimiento. La velocidad de la fuente Vs se considera positiva
para velocidades de acercamiento y negativa para velocidades de alejamiento.
Donde V es la velocidad de sonido y fs es la frecuencia de la fuente. Si la
fuente se mueve a la derecha con una velocidad Vs, la nueva longitud de
onda?’ al frente de la fuente será:
?’ = VT - VsT = (V – Vs) T
Esta ecuación también se aplica para la longitud de onda a la izquierda de la
fuente en movimiento si seguimos la convención de que las velocidades al
aproximarse se consideran positivas, y las velocidades al alejarse se
consideran negativas. Por lo tanto, si calculamos?’ a la izquierda de la fuente
en movimiento, el valor negativo sería sustituido para Vs’ dando por resultado
una mayor longitud de onda.
La velocidad del sonido en un medio es función de las propiedades del medio y
no depende del movimiento de la fuente. Así, la frecuencia f0 escuchada por un
oyente inmóvil y proveniente de una fuente en movimiento de frecuencia fs’
está dada por:
donde V es la velocidad del sonido y Vs es la velocidad de la fuente. La
velocidad Vs se considera como positiva para velocidades de acercamiento y
negativa para velocidades de alejamiento.
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CONCLUSIONES
Dentro de la física, el sonido es un fenómeno que se produce a partir de la
puesta en movimiento de ondas que son elásticas y que tienen la capacidad de
propagarse, expandiendo el alcance de ese movimiento, que es una vibración,
más allá de que sea audible o no. Esas ondas, al contacto con el aire,
producen un sonido que es captado por el cerebro, siempre teniendo como
intermediarios a los sentidos, como en este caso, el oído.
Nuestra voz es un perfecto ejempo de esto, ya que es una fuente de vibración y
que dicha vibración es producida por el movimiento de las cuerdas vocales,
que permiten de ese modo generar sonido. Además, también los humanos
somos capaces de generar sonido no sólo naturalmente sino también a partir
de aparatos electrónicos como los instrumentos musicales o de manera
artificial como por ejemplo si movemos en el aire un par de llaves.
El sonido se diferencia del ruido porque no produce un malestar o un daño,
sino que se mantiene en el nivel que no es perjudicial para el oído.
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BIBLIOGRAFÍA
- http://www.quimicaweb.net/grupo_trabajo_ccnn_2/tema4/tema4.htm
- http://www.fisicanet.com.ar/fisica/sonido/ap02_ondas_sonoras.php
- http://www.profesorenlinea.cl/fisica/SonidoOndas.htm
- www.sld.cu/galerias/pdf/sitios/rehabilitacion.../fisicas_del_sonido.pdf
- http://www.eumus.edu.uy/eme/ensenanza//acustica/apuntes/material-viejo/
fisica_r/
- http://www.importancia.org/sonido.php
- http://fido.palermo.edu/servicios_dyc/publicacionesdc/vista/
detalle_articulo.php?id_articulo=7512&id_libro=336
- https://elblogdemontagon.wordpress.com/2010/01/15/la-importancia-del-
sonido/
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ANEXOS