Ing. Alenis Arévalo

UNIDAD DE APRENDIZAJE III

ÍNDICE

Acústica Que es el sonido Magnitudes físicas del sonido Clasificación del sonido Ondas sonorasProducción de una onda sonora Categorías de las ondas del sonido Espectro audibleCaracterísticas o cualidades del sonido Velocidad del sonido Intensidad ¿Que es un decibelio db?Nivel de intensidad del sonido El efecto Doppler

ACUSTICA: parte de la física que estudia el origen, propagación, propiedades del sonido y sus aplicaciones.

¿QUE ES EL SONIDO?

El sonido es la vibración de un medio elástico, bien sea gaseoso, líquido o sólido y que es capaz de excitar el oído, originándose la percepción auditiva. Su naturaleza esta dada como un movimiento ondulatorio longitudinal perceptible al oído.

Cuando nos referimos al sonido audible por el oído humano, estamos hablando de la sensación detectada por nuestro oído, que producen las rápidas variaciones de presión en el aire por encima y por debajo de un valor estático. Este valor estático nos lo da la presión atmosférica (alrededor de 100.000 pascals) el cual tiene unas variaciones pequeñas y de forma muy lenta, tal y como se puede comprobar en un barómetro.

El sonido lo puede producir diferentes fuentes, desde una persona hablando hasta un altavoz, que es una membrana móvil que comprime el aire generado ondas sonoras.

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MAGNITUDES FÍSICAS DEL SONIDO

Como todo movimiento ondulatorio, el sonido puede representarse por una curva ondulante, como por ejemplo una sinusoide y se pueden aplicar las mismas magnitudes unidades de medida que a cualquier Onda mecánica.A saber:

Longitud de onda: indica el tamaño de una onda. Entendiendo por tamaño de la onda, la distancia entre el principio y el final de una onda completa (ciclo).

Frecuencia: número de ciclos (ondas completas) que se producen unidad

de tiempo. En el caso del sonido la unidad de tiempo es el segundo y la frecuencia se mide en Hercios (ciclos/s). Las frecuencias mas bajas se corresponden con lo que habitualmente llamamos sonidos "graves" , son sonidos de vibraciones lentas. Las frecuencias más altas se corresponden con lo que llamamos "agudos" y son vibraciones muy rápidas

Periodo: es el tiempo que tarda cada ciclo en repetirse.

Amplitud: indica la cantidad de energía que contiene una señal sonora. No hay que confundir amplitud con volumen o potencia acústica.

Fase: la fase de una onda expresa su posición relativa con respecto a otra onda.

Potencia: La potencia acústica es la cantidad de energía radiada en forma de ondas por unidad de tiempo por una fuente determinada. La potencia acústica depende de la amplitud.

CLASIFICACION DEL SONIDO

Desde el punto de la vista de la física, los sonidos se clasifican según la forma de la onda en: Ruido y Sonidos Musicales.

Los Ruidos: son aquellos sonidos originados por una serie irregular de vibraciones que producen sensaciones desagradables al oído (físicamente hablando son ondas no periódicas). Ejemplo: Explosión de un cañón.

Los Sonidos Musicales: son los que se originan de una serie regular de vibraciones u ondas periódicas, capaces de provocar en nuestro oído una sensación agradable. Ejemplo: Sonido producido por una cuerda de guitarra, un violín, una orquesta o una cantante.

ONDAS SONORAS

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Son ondas longitudinales que viajan a través de cualquier material (gases, sólidos y liquidas) con una velocidad que depende de las propiedades del medio en el que se propaga.

PRODUCCIÓN DE UNA ONDA SONORA

Deben existir dos factores para que exista el sonido. Es necesaria una fuente de vibración mecánica y también un medio elástico a través del cual se propague la perturbación.

La fuente puede ser un diapasón, una cuerda que vibre o una columna de aire vibrando en un tubo de órgano. Los sonidos se producen por una materia que vibra. La necesidad de la existencia de un medio elástico se puede demostrar colocando un timbre eléctrico dentro de un frasco conectado a una bomba de vacío. Cuando el timbre se conecta a una batería para que suene continuamente, se extrae aire del frasco lentamente. A medida que va saliendo el aire del frasco, el sonido del timbre se vuelve cada vez más débil hasta que finalmente ya no se escucha. Cuando se permite que el aire penetre de nuevo al frasco, el timbre vuelve a sonar. Por lo tanto, el aire es necesario para transmitir el sonido.

Cuando se produce una onda sonora se genera una región de alta densidad y alta presión de aire llamada región de compresiones y una región de baja presiones llamada rarefacciones.

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CATEGORIAS DE ONDAS DE SONIDO

Existen tres categorías de onda mecánicas longitudinales que cubren diferentes rangos de frecuencia:

Ondas Audibles son ondas sonoras que caen dentro del rango de sensitividad del oído humano por lo general de 20 Hz a 20000 Hz, se pueden generar en diferentes formas tales como instrumentos musicales, cuerdas vocales y altavoces.

Ondas infrasónicas son todas longitudinales con frecuencia abajo del rango audible. Las ondas de terremotos son un ejemplo de ellas.

Ondas ultrasónicas son ondas longitudinales con frecuencia por arriba del rango audible. Son generadas por vibraciones al aplicar un campo eléctrico alternante.

ESPECTRO AUDITIVO

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ESPECTRO AUDIBLE

20Hz

GRAVES MEDIOS AGUDOS

500Hz 5000Hz 20.000Hz

INFRASONIDOULTRASONIDO

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CARACTERÍSTICAS O CUALIDADES DEL SONIDO

Las cualidades del sonido son:

El Tono viene determinado por la frecuencia fundamental de las ondas sonoras y es lo que permite distinguir entre sonidos graves, agudos o medios. El tono lo determina la frecuencia de la onda, medida en ciclos por segundos o Hercios (Hz). Para que podamos percibir los humanos un sonido, éste debe estar comprendido en la franja de 20 y 20.000 Hz. Por debajo tenemos los infrasonidos y por encima los ultrasonidos. A esto se le denomina rango de frecuencia audible. Cuanto mas edad se tiene, este rango va reduciéndose tanto en graves como en agudos.

La Intensidad es la cantidad de energía acústica que contiene un sonido. La intensidad viene determinada por la potencia acústica, que a su vez está determinada por la amplitud y nos permite distinguir si el sonido es fuerte o débil. Los sonidos que percibimos deben superar el umbral auditivo (0 dB) y no llegar al umbral de dolor (120 dB). Esta cualidad la medimos con el sonómetro y los resultados se expresan en decibelios (dB).

El Timbre es la cualidad que confiere al sonido los armónicos que acompañan a la frecuencia fundamental. Esta cualidad es la que permite distinguir dos sonidos, por ejemplo, entre la misma nota (tono) con igual intensidad producida por dos instrumentos musicales distintos.

La Duración. Esta cualidad está relacionada con el tiempo de vibración del objeto. Por ejemplo, podemos escuchar sonidos largos, cortos, muy cortos, etc...

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 de331 m/sLa 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 ondulatorio.

1. Para las ondas sonoras longitudinales en un alambre o varilla, la velocidad de onda está dada por

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Donde Y es el módulo de Young para el sólido y es su densidad de masa (densidad absoluta). 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.

= masa/ volumen = m/V

Unidades:V: m/s, cm/sY: Pasca = N/m2

: gr/cm3, Kg/m3

2. Las ondas longitudinales transmitidas en un fluido tienen una velocidad que se determina a partir de

Donde es módulo de volumen para el fluido y es su densidad volumétrica.

= masa/ volumen = m/VUnidades:V: m/s, cm/s: Pasca = N/m2

: gr/cm3, Kg/m3

3. Rapidez de una onda sonora reacuerdo a la temperatura en el medio

INTENSIDAD

La Intensidad es la cantidad de energía acústica que contiene un sonido. La intensidad viene determinada por la potencia acústica, que a su vez está determinada por la amplitud y nos permite distinguir si el sonido es fuerte o débil. Los sonidos que percibimos deben superar el umbral auditivo (0 dB) y no llegar al umbral de dolor (120 dB). Esta cualidad la medimos con el sonómetro y los resultados se expresan en decibelios (dB).

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.

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V= (331m/s). T . 273ºK

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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.

Unidades: watio/m2

Si un foco emite ondas en todas direcciones, uniformemente, la energía a una distancia r del mismo estará distribuida uniformemente sobre una corteza esférica de área 4r2. Si la potencia emitida por el foco es Pm, se denomina intensidad de potencia por unidad de área a una distancia r del foco que esta incidiendo normalmente a la dirección de propagación,

La intensidad de una onda decrece con el cuadrado de la distancia al foco puntual.

Puede demostrarse que la intensidad de una onda armónica es proporcional al cuadrado de la amplitud de la presión, Po.

¿QUE ES UN DECIBELIO DB?

El decibelio es una unidad logarítmica de medida utilizada en diferentes disciplinas de la ciencia. En todos los casos se usa para comparar una cantidad con otra llamada de referencia. Normalmente el valor tomado como referencia es siempre el menor valor de la cantidad. En algunos casos puede ser un valor

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: densidad del mediov: velocidad de propagación de la onda en el medio

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promediado aproximado. En Acústica la mayoría de las veces el decibelio se utiliza para comparar la presión sonora, en el aire, con una presión de referencia. Este nivel de referencia tomado en Acústica, es una aproximación al nivel de presión mínimo que hace que nuestro oído sea capaz de percibirlo. El nivel de referencia varia lógicamente según el tipo de medida que estemos realizando. No es el mismo nivel de referencia para la presión acústica, que para la intensidad acústica o para la potencia acústica. A continuación se dan los valores de referencia.

Nivel de Referencia para la Presión Sonora (en el aire) = 0.00002 = 2E -5

Pa (rms).

Nivel de Referencia para la Intensidad Sonora (en el aire)= 0.000000000001 = 1E-12 w/m2

Nivel de Referencia para la Potencia Sonora (en el aire) = 0.00000000001 = 1E-12 w

NIVEL DE INTENSIDAD DEL SONIDO ()

Para el oído humano el umbral de audición, para una frecuencia de 1.000 Hz, es 10-12 W/m2, y el umbral de dolor es de aproximadamente 1 W/m2.Es decir solo es capaz de percibir sonidos cuya intensidad es superior a 10 -12

W/m2 y no soporta sonidos de intensidad superior a 1 W/m2.Debido al enorme margen de intensidades audibles y a que la sensación sonora varía con la intensidad de modo no lineal, sino casi de modo logarítmico, se usa la escala logarítmica para describir el nivel de intensidad sonora. El nivel de intensidad b se mide en decibelios (db) y se define:

= 10 log ( I / Io ) decibeles (db)

Donde I es la intensidad del sonido e I0 es un nivel arbitrario de referencia que se considera como el umbral de audición. I0 = 10-12 W/m2.

Nivel de intensidad de algunos sonidos comunes

  (dB)   (dB)

Umbral de audición 0 Tráfico pesado 70

Respiración normal 10 Fábrica 80

Rumor de hojas 20 Camión pesado 90

Murmullo a 5 m 30 Tren suburbano 100

Biblioteca 40 Ruido de construcción 110

Oficina tranquila 50 Concierto de rock 120 (umbral de dolor)

Conversación normal 60 Martillo neumático 130

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La percepción y tolerancia del ruido por parte del oído tiene un gran componente de subjetividad, como siempre que se trata de la traducción de otros fenómenos o situaciones por los sentidos humanos que la variabilidad individual fundamenta y permite; por esta razón, debe ser tinido en cuenta el concepto de umbral de estímulo como el valor de la intensidad del estímulo, por debajo del cual éste no es percibido por el hombre.

UMBRAL DE AUDICIÓN, Es la intensidad mínima de sonido capaz de impresionar el oído humano. El valor normal se sitúa entre 0 db udiométrico, equivalentes a 20 micropascales y 25 dB audiométricos

A intensidades de, aproximadamente 70 db, el ruido comienza a tener efectos psicológicos, sobre todo en tareas que requieren una activación de la atención; entre 80-90 db, el ruido provoca desórdenes neurovegetativos, reacciones de estrés y alteraciones de la atención, el descanso y el sueño.

UMBRAL TÓXICO, a los 100-110 db, puede generar lesiones en el oído medio, destrucción de las células de Corti y llegar a afectar al laberinto.

UMBRAL DE DOLOR: la intensidad máxima de sonido a partir de la cual el sonido produce en el oído sensación de dolor. Su valor medio se sitúa en torno a los 120 -130 dB o 100 Pascales.

ESCALA DE DECIBELIOS (Real Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales. Madrid.

Nivel de sonido (en decibelios) Ejemplos de fuentes.

0 Umbral de audición

10 Pisada

30 Conversación suave

40 Cuarto de estar

50 Tráfico ligero

60 Conferencia

70 Tráfico intenso

80 Timbre

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90 Aspiradora

100 Tráfico subterráneo

110 Claxon

120 Explosión de cohete

150 Avión de reacción despegando

180 Motor de un cohete

 

NIVELES DE PRESIÓN SONORA

DECIBELIOSPERCEPCIÓN SUBJETIVA

RUIDO AMBIENTAL

0 (Umbral de audición)20

SILENCIOSO Estudios de televisión

4080

POCO RUIDOSO

Área residencial (por la noche)Conversación a 1 m de distancia

780100 (Umbral tóxico)

MUY RUIDOSO (Molesto)

Calle con tráfico intensoInterior de un avión DC-6

120 (Umbral del dolor)140

INTOLERABLEClaxon de automóvil a 1 mDespegue

EFECTO DOPPLER

El efecto Doppler, llamado así por Christian Andreas Doppler, consiste en la variación de la longitud de onda de cualquier tipo de onda emitida o recibida por un objeto en movimiento. Existe un efecto Doppler siempre que hay un movimiento relativo entre la fuente y el observador..

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Álgebra del efecto Doppler en ondas sonoras Caso 1: El observador se mueve y la fuente se encuentra en reposo.

a) Cuando el observador O se acerca hacia una fuente S que se encuentra en reposo.

El medio es aire y se encuentra en reposo. El observador O comienza a desplazarse hacia la fuente con una velocidad vo. La fuente de sonido emite un sonido de velocidad v, frecuencia f y longitud de onda λ. Por lo tanto, la velocidad de las ondas respecto del observador no será la v del aire, sino la siguiente:

. Sin embargo, no debemos olvidar que como el medio no cambia, la longitud de onda será la misma, por lo tanto si:

Pero como mencionamos en la primera explicación de este efecto, el observador al acercarse a la fuente oirá un sonido más agudo, esto implica que

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su frecuencia es mayor. A esta frecuencia mayor captada por el observador se la denomina frecuencia aparente y la simbolizaremos con f'.

El observador escuchará un sonido de mayor frecuencia debido a que

b) cuando el observador O se aleja de una fuente S que se encuentra en reposo.

Cuando el observador se aleje de la fuente, la velocidad v' será v' = v − vo y de manera análoga podemos deducir que:

.

En este caso la frecuencia aparente percibida por el observador será menor que la frecuencia real emitida por la fuente, lo que genera que el observador perciba un sonido de menor altura o más grave.

De estas dos situaciones concluimos que cuando un observador se mueve con respecto a una fuente en reposo, la frecuencia aparente percibida por el observador es:

Caso 2: El observador O se encuentra en reposo y la fuente S se mueve.

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a) Cuando la fuente se acerca hacia el observador

Cuando la fuente se desplace hacia el observador, los frentes de onda estarán más cerca uno del otro. En consecuencia, el observador percibe sonidos con una menor longitud de onda. Esta diferencia de longitud de onda puede expresarse como:

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Por tanto, la longitud de onda percibida será:

Como se puede deducir que:

b) Cuando la fuente se aleja hacia el observador

Haciendo un razonamiento análogo para el caso contrario (fuente alejándose),

Se puede concluir que la frecuencia percibida por un observador en reposo con una fuente en movimiento será:

Cuando la fuente se acerque al observador se pondrá un (-) en el denominador, y cuando la fuente se aleje se lo reemplazará por un (+).

Caso 3: Observador y fuente en movimiento

Al terminar de leer lo anteriormente expuesto surge la siguiente pregunta: ¿Qué pasará si la fuente y el observador se mueven al mismo tiempo? En este caso particular se aplica la siguiente fórmula, que no es más que una combinación de las dos:

Los signos y deben ser respetados de la siguiente manera. Si en el numerador se suma, en el denominador debe restarse y viceversa.

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