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El sonido
A J Barbero. Dept. Física Aplicada. Curso 2004/2005
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NATURALEZA DEL SONIDO
• Onda mecánica
Las ondas sonoras están constituidas por ondas
mecánicas longitudinales que se propagan en un medio
gaseoso, líquido o sólido. Se producen cuando un
sistema físico, como una cuerda o una membrana tensa,
vibra y origina una perturbación en la densidad del
medio (compresiones y rarefacciones).
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NATURALEZA DEL SONIDO
• Propagación
La perturbación se propaga a través del medio mediante la
interacción de las moléculas del mismo. La vibración de las
moléculas tiene lugar a lo largo de la dirección de propagación de
la onda. Sólo se propaga la perturbación; las propias moléculas
sólo vibran hacia delante y hacia atrás alrededor de sus posiciones
de equilibrio.
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Sobrepresión
COMPRESIÓN/RARIFICACIÓN
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VELOCIDAD DEL SONIDO
Aumenta cuando aumenta la rigidez del medio
Sólidos > líquidos > gases
Figura 1
Velocidad del sonido en el aire en funcion de la temperatura
360
355
350
v (m/s)
345
340
335
330
0
5
10
15
20
T (C)
25
30
35
40
5
TONO y TIMBRE
El TONO es la cualidad del sonido asociada a su carácter
más o menos agudo. Las frecuencias altas corresponden
a tonos agudos, la frecuencias bajas a tonos graves.
El TIMBRE es la cualidad del sonido que permite
distinguir entre diversos sonidos aunque correspondan a
la misma frecuencia. Por ejemplo, se puede distinguir
entre una misma nota musical emitida por un clarinete y
por un piano.
ARMÓNICOS
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NIVEL DE POTENCIA SONORA
Potencia instantánea: tasa a la cual la energía sonora
es emitida en cualquier instante del tiempo.
Potencia media
en un intervalo
Potencia máxima
en un intervalo
Susurro
40 dB
10-8 W
Aspiradora
80 dB
10-4 W
Tractor oruga pesado
110 dB
0.1 W
Motor reacción
160 dB
104 W
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INTENSIDAD DEL SONIDO
La intensidad del sonido en una dirección
especificada en un punto del campo sonoro es el
flujo de energía sonora a través de una unidad de
área en ese punto (potencia por unidad de área
fluyendo a través del punto), con la unidad de área
perpendicular a la dirección especificada.
Se mide en w/m2.
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INTENSIDAD DEL SONIDO
INTENSIDAD:
W/m2
Energía por unidad de
superficie (perpendicular
a la dirección dada) y
por unidad de tiempo
Es imprescindible
especificar la dirección
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NIVEL DE INTENSIDAD
SONORA
Recepción del sonido de una fuente
 I 
LI  10 log10  
 I0 
Intensidad de referencia: I0 = 10-12 w/m2
• Umbral de audición: 10-12 w/m2 (0 dB)
• Umbral de dolor: 1 w/m2 (120 dB)
10
El órgano del oído
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UMBRALES de AUDICIÓN: MAF y MAP
UMBRAL DE MÍNIMO CAMPO AUDIBLE (MAF)
Es el nivel de presión sonora del umbral de audición en jóvenes adultos con
audición normal, medido en un campo libre (es decir, aquel campo de
sonido en que la onda sonora se propaga a partir de la fuente sin efectos
apreciables de límites ni obstáculos).
Se determina para tonos puros, con el oyente frente a la fuente, y
escuchando con ambos oídos.
UMBRAL DE MÍNIMA PRESIÓN AUDIBLE (MAP)
Es el nivel de presión sonora del umbral de audición en jóvenes adultos con
audición normal, medido mediante la exposición de un oído al sonido a
través de auriculares (la mayoría de las medidas de umbrales se llevan a
cabo con auriculares, por ejemplo en audiometrías).
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Sonoridad
Puesto que el oído tiene diferente sensibilidad según la frecuencia,
cuando cambia la frecuencia un sonido de una intensidad determinada
produce en el oído la sensación de un cambio de intensidad, aunque la
potencia por unidad de superficie que alcanza el tímpano no se haya
alterado. Mientras que la intensidad de un sonido es una magnitud física,
la sonoridad (sensación producida por éste en el oído) es subjetiva.
El fonio es la unidad acústica usada para medir el nivel total de
sonoridad. Un tono puro de 1000 Hz a un nivel de intensidad de
sonido de 1 dB se define como un sonido con nivel de sonoridad
de 1 fonio. Todos los demás tonos tendrán un nivel de sonoridad de n
fonios si el oído aprecia que suenan tan sonoros como un tono puro de
1000 Hz a un nivel de intensidad de n dB.
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EJEMPLO
¿Cuál es la sonoridad de:
a) Un sonido de 80 dB a 50 Hz?
b) Un sonido de 45 dB a 5000 Hz?
80 dB
60 fonios
45 dB
50 Hz
40 fonios
5000 Hz
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NIVELES SONOROS
PONDERADOS:
SONÓMETROS
El sonómetro es un instrumento diseñado para
responder al sonido en aproximadamente la misma
manera que lo hace el oído humano y dar mediciones
objetivas y reproducibles del nivel de presión sonora
Micrófono
Sección de procesamiento
Unidad de lectura
Ponderación A, B, C
Ponderación A: dB(A)
Reproduce la sensibilidad del oído humano
Ponderación C: dB (C)
Respuesta más plana, guarda mayor semejanza con la presión sonora sin ponderar
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Tipos de ruido en función de la frecuencia
nivel
Tono puro: presenta una única componente
sinusoidal con una sola frecuencia
característica. Ejemplo: silbato.
f
nivel
Armónico: presenta componentes
sinusoidales múltiples, con frecuencias
múltiplos de una frecuencia
fundamental. Ejemplo: nota musical.
f
Fuentes:
http://www.stee-eilas.org/lan_osasuna/udakoikas/acust/acus2.pdf
http://www.arrakis.es/~avf/acustica/acustica.htm#RUI
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Relación analítica entre niveles de presión sonora en db(A) y potencia sonora
en w/m2 (equivalente a tabla DB-1)
0
log W = -12 + 0.1 dB(A)
2
log W (W en w/m )
-2
-4
-6
-8
-10
w = 10(-12+0.1*dB(A))
-12
0
20
40
60
80
100
120
dB(A)
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CÁLCULO DEL NIVEL DE PRESIÓN SONORA TOTAL
COMO SUMA DE DISTINTOS COMPONENTES
1) Para cada nivel sonoro en el punto que ocupa el
observador, búsquese la potencia sonora en w/m2 en
tabla DB-1, o calcúlese mediante
w = 10(-12+0.1*dB(A))
2) Súmense todas las potencias para obtener la
potencia total W en w/m2.
3) Para obtener el nivel sonoro en dB(A) emplearemos
la relación:
Lp = 10·log10(W) + 120 dB(A)
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CÁLCULO DEL NIVEL DE PRESIÓN SONORA TOTAL
COMO SUMA DE DISTINTOS COMPONENTES
Ejemplo
Nivel de presión sonora de dos fuentes: una de 42 dB(A) y otra
de 44 dB(A)
Fuente 1:
1.585·10-8 w/m2
Fuente 2:
2.512·10-8 w/m2
Suma
W = 4.097·10-8 w/m2
Lp = 10·log10(4.097·10-8) + 120 = 46.1 dB(A)
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Ejemplo
Dos aerogeneradores están situados
a 200 m y 160 m del observador,
siendo los niveles de presión sonora
en las fuentes de 100 dB(A).
Determínese el nivel de presión
sonora en la posición del observador.
160 m
200 m
Solución
dB 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50
41 44,0 44,5 45,1 45,8 46,5 47,2 48,0 48,8 49,6 50,5
42 44,5 45,0 45,5 46,1 46,8 47,5 48,2 49,0 49,8 50,6
43 45,1 45,5 46,0 46,5 47,1 47,8 48,5 49,2 50,0 50,8
44 45,8 46,1 46,5 47,0 47,5 48,1 48,8 49,5 50,2 51,0
45 46,5 46,8 47,1 47,5 48,0 48.5 49,1 49,8 50,5 51,2
46 47,2 47,5 47,8 48,1 48,5 49,0 49,5 50,1 50,8 51,5
47 48,0 48,2 48,5 48,8 49,1 49,5 50,0 50,5 51,1 51,8
48 48,8 49,0 49,2 49,5 49,8 50,1 50,5 51,0 51,5 52,1
49 49,6 49,8 50,0 50,2 50,5 50.8 51.1 51,5 52.0 52.5
50 50,5 50,6 50,8 51,0 51,2 51,5 51,8 52,1 52,5 53,0
Nivel de presión sonora aerogenerador 1:
100-58 = 42 dB(A) (Tabla DB-2)
Nivel de presión sonora aerogenerador 2:
100-56 = 44 dB(A) (Tabla DB-2)
Suma de niveles:
Resultado 46.1 dB(A) (Tabla DB-3)
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ENERGÍA TRANSPORTADA POR UN
MOVIMIENTO ONDULATORIO
Flujo de energía:
energía transportada por unidad de tiempo a través de una unidad
de superficie perpendicular a la dirección de propagación.
J/(s·m2) = W/m2
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ONDAS ESTACIONARIAS EN UNA CUERDA (longitud L)
Cuerda con extremos fijos: frecuencia del modo n-ésimo
* Velocidad de propagación de las ondas:
v   f
* Frecuencia del modo normal n-ésimo:
T
fn  n v
2L
Relación entre velocidad de propagación de
las ondas y características físicas del sistema:
v
T

T  tensión de la cuerda
  densidad lineal de masa
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ONDAS ESTACIONARIAS EN UNA CUERDA
Ejemplo
Determinación de los tres primeros modos de vibración
de una cuerda de 10 g y 4 m de longitud, sometida a una
tensión de 25 N
m 10 2
 
 2.5 10 3 kg / m
L
4
v
T

f 2  2 100  25 Hz
2 4
f 3  3 100  37.5 Hz
24
25
100 m / s
3
2.5 10
1  2  4  8 m
f1  1 100  12.5 Hz
24
fn  n v
2L

1
n  2L
n
2  2  4  4 m
2
3  2  4  2.67 m
3
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