Download Colegio Americano de Barranquilla. Acústica. Eutimio Hernández

Colegio Americano de Barranquilla.
Acústica.
Eutimio Hernández Martínez.
Metas de comprensión
• Los estudiantes desarrollarán comprensión al identificar
el sonido como una onda mecánica longitudinal.
• Los estudiantes desarrollarán comprensión al diferenciar
los fenómenos acústicos y las cualidades del sonido.
• Los estudiantes desarrollarán comprensión al
identificar las características del efecto Doppler y
establecer su importancia en la vida cotidiana.
• Los estudiantes desarrollarán comprensión al
resolver situaciones problemas relacionadas con los
fenómenos acústicos.
Sonido: concepto.
Desde un punto de vista
físico, el sonido es una
vibración que se propaga
en un medio elástico
(sólido, líquido o gaseoso),
cuando nos referimos al
sonido audible por el oído
humano, lo definimos como
una sensación percibida en
el
órgano
del
oído,
producida por la vibración
que se propaga en un
medio elástico en forma de
ondas.
Propagación del sonido.
Un objeto cuando vibra,
perturba la presión y la
densidad del medio que le
envuelve, transmitiendo dicha
vibración al comprimirse y
expandirse, para ello es
necesario que sea un medio
elástico, ya que un cuerpo
rígido no permite que las
vibraciones se transmitan. Así
pues, sin un medio elástico
(aire, agua, cuerpo sólido), no
habría sonido, ya que las
ondas sonoras no se propagan
en el vacío.
Propagación del sonido.
• En esta otra imagen podemos
ver como la vibración del
diapasón,
obliga
a
las
partículas del aire que entren
a su vez en vibración. Las
partículas no se desplazan
hasta el final, sino que
oscilan hacia adelante y hacia
atrás, antes de regresar a su
lugar
de
origen.
Cada
partícula
transmite
la
vibración a la siguiente
dando
origen
a
un
movimiento en cadena.
Velocidad del sonido
• La velocidad del sonido depende de las características del
medio, así el sonido se propaga a diferentes velocidades
según el medio que transmita la vibración. En general, la
velocidad es mayor en los sólidos que en los líquidos y en
los líquidos es mayor que en los gases.
La velocidad del sonido en el aire a una temperatura de
20 ºC, es de 340 m/s, lo que equivale a unos 1224 Km/h
Velocidad del sonido
Ondas sonoras.
Hemos definido el sonido como la sensación producida en el oído por las vibraciones
de las partículas que se desplazan en forma de onda sonora a través de un medio
elástico que las propaga.
Como el sonido se propaga en forma de ondas, tenemos que saber que
características tiene la onda sonora para ver como se comporta.
•
1.- Es una onda mecánica.
Las ondas mecánicas no pueden desplazarse en el vacío, necesitan hacerlo a través
de un medio material (aire, agua, cuerpo sólido). Además dicho medio debe ser
elástico y no rígido para permitir la transmisión del sonido. Ya hemos visto cómo se
propaga la vibración a través de las partículas o moléculas que conforman el medio.
•
2.- Es una onda longitudinal.
En las ondas longitudinales el movimiento de las partículas se desplazan en la
misma dirección que la onda.
Ondas sonoras.
Mientras que en las ondas transversales el movimiento de las
partículas es perpendicular a la dirección de la onda
En cualquiera de los dos casos, las partículas oscilan alrededor de
un punto de reposo bien horizontalmente o verticalmente pero no
se desplazan hacia el final. Es decir lo que se transmite o propaga
a través del medio es la energía o vibración, no la materia.
• Para cualquier onda de sonido aplican las
mismas ecuaciones de velocidad de una onda.
V=
;
Un aumento en la temperatura también incrementa la velocidad
del sonido. Experimentalmente se ha observado que la velocidad de
propagación del sonido en el aire aumenta 0.6m/s por cada grado que
se incrementa la temperatura sobre 0°C. Por lo tanto se puede
calcular la velocidad V del sonido en el aire en función de la
temperatura T a través de la expresión:
• La velocidad de propagación del sonido
también se puede calcular conociendo la
distancia recorrida y el tiempo empleado en
recorrerla mediante la expresión: V=
• En general la rapidez a la cual se mueve una
perturbación a través de un medio depende de
la elasticidad del medio y de su densidad. Por
ejemplo, como usted aprendió en el capítulo
anterior, la rapidez de una onda en una
cuerda tensa está dada por V = , en donde F
es la tensión en la cuerda y µ es la densidad
lineal de la masa.
• Expresiones similares describen la rapidez de
las ondas en sólidos y líquidos. Aquí la
elasticidad se expresa en términos de los
módulos de Young (Y) y el módulo de volumen
(β). En general las rapideces del sonido en
sólidos y líquidos están dadas por:
V=
y V=
, respectivamente.
Donde ρ es la densidad.
Fenómenos acústicos
Reflexión del sonido.
• La reflexión es el fenómeno que se produce cuando las
ondas sonoras llegan hasta un obstáculo que se opone a su
propagación y se reflejan, cambiando de dirección o de
sentido.
De la misma manera que la luz
se refleja en un espejo o una
pelota rebota en el suelo, el
sonido se comporta igual
frente
a
un
obstáculo,
cumpliéndose la siguiente ley:
El ángulo de incidencia es
igual
al
ángulo
de
reflexión.
• Un curioso fenómeno relacionado con la reflexión del sonido
es el eco. Cuando se grita frente a una montaña, se oye
primero el sonido directo, y después el sonido reflejado en
el obstáculo. Esta repetición del sonido se denomina eco y
se debe a la reflexión de las ondas sonoras.
El eco es el fenómeno que se produce cuando las ondas de
sonido rebotan en algún obstáculo y cambian de sentido.
• Como la velocidad del
sonido en el aire es de
340 m/s (a 20 °C),
recorrerá 34 m en una
décima de segundo.
Por tanto, para que se
produzca el eco el
obstáculo debe estar
situado, como mínimo,
a 17 m del foco emisor.
De forma que el sonido
recorrerá 17 m para ir
y otros 17 m al volver
el sonido reflejado.
La reverberación.
En el caso de que el tiempo de
separación entre el sonido emitido y
el reflejado sea menor de 0,1 s,
nuestro oído percibirá un solo sonido
prolongado, fenómeno conocido como
reverberación.
Para que se produzca la reverberación,
el obstáculo debe estar a menos de 17
m; en este caso, el sonido inicial y el
reflejado se solapan, y resulta difícil
comprender el sonido emitido.
La reverberación se produce, por
ejemplo, cuando hablamos en una
sala vacía. Para disminuir la
intensidad de los sonidos reflejados y
mejorar la audición de una estancia,
se colocan materiales absorbentes de
las ondas sonoras, como cortinas,
alfombras o butacas tapizadas, y se
recubren las paredes de corcho.
REFRACCIÓN DEL SONIDO
• Es el cambio de dirección de una onda cuando
cruza el límite entre dos medios en los cuales la
onda viaja con diferente
rapidez.
El fenómeno de la refracción supone un cambio
en la velocidad de propagación de la onda,
cambio asociado al paso de un medio a otro de
diferente
naturaleza
o
de
diferentes
propiedades. Este cambio de velocidad da lugar
a un cambio en la dirección del movimiento
ondulatorio. Como consecuencia, la onda
refractada se desvía un cierto ángulo respecto
de
la
incidente.
La refracción se presenta con cierta frecuencia
debido a que los medios no son perfectamente
homogéneos, sino que sus propiedades y, por lo
tanto, la velocidad de propagación de las ondas
en ellos, cambian de un punto a otro.
• En un día caluroso, las capas de
aire próximas al piso, están más
calientes que las capas más altas.
como el sonido se propaga con
mayor velocidad en el aire más
caliente, una onda sonora emitida
por una persona, tiende a
refractarse
hacia
arriba.
Mientras que en la noche el
fenómeno es a lo inverso, el sonido
tiende a refractarse hacia abajo.
Interferencia del sonido.
Cuando dos ondas de igual frecuencia y en
igualdad de fase se superponen en un medio, se
produce una alternancia de máximos y mínimos
de amplitud de vibración.
En un concierto es muy difícil distinguir el
sonido de cada instrumento por separado. Esto
se debe a la interferencia que hace que
escuchemos solo las ondas resultantes. Cuando
se produce interferencia, la amplitud de
vibración varía con la posición: hay zonas donde
la amplitud de la vibración es máxima (zonas de
interferencia constructiva) y otras zonas
donde es mínima (zonas de interferencia
destructiva). Cuando se produce interferencia,
el sonido alcanza su máxima intensidad en las
zonas de interferencia constructiva, mientras
que en las zonas de interferencia destructiva
simplemente hay silencio.
Difracción del sonido.
• Cuando una onda viajera se
encuentra en su recorrido un
obstáculo
que
limita
parcialmente su propagación,
puede rodear el obstáculo y
seguir propagándose. Los
bordes de los obstáculos se
convierten
en
centros
emisores. Por esta razón una
persona que habla en una
habitación es escuchada por
otra persona que está en la
habitación contigua.
Cualidades o características del sonido.
Las cualidades del sonido son aquellas características que
permiten diferenciar unos sonidos de otros. En la audición
se distinguen tres cualidades del sonido: tono o altura,
intensidad y timbre.
•
Tono o Altura.
Es la característica del sonido por la cual una persona
distingue sonidos graves y agudos. Cuando una onda
sonora llega a nuestros oídos, tenemos la sensación de oír,
si la onda tiene una frecuencia comprendida entre 20hz y
20000hz, a las frecuencias que están en este intervalo se
les llama frecuencias audibles o audioconferencias.
Una onda longitudinal que se propaga en un medio
material con una frecuencia inferior a 20hz se denomina
infrasonido, y si su frecuencia es superior a 20.000hz,
recibe el nombre de ultrasonido, o sea que estas ondas
no provocan sensaciones auditiva alguna cuando lleguen
al oído de las personas
• Los sonidos de frecuencias bajas
los oímos como sonidos graves,
mientras que los de frecuencias
altas, los oímos como sonidos
agudos. El tono de un sonido
depende de su frecuencia.
Frecuencias bajas.
Frecuencias altas
Sonidos graves.
Sonidos agudos
Intensidad del sonido.
La intensidad es conocida también como
"Volumen". La intensidad de un sonido
depende de la energía que transporta y se
relaciona con la amplitud de la vibración
que
lo
genera.
Sonidos fuertes o intensos se asocian con
vibraciones de gran amplitud; mientras
que los sonidos débiles se asocian con
vibraciones de pequeña amplitud.
• A la intensidad del sonido más débil que puede oírse
se le llama umbral de audibilidad. Este umbral varía
según las personas y también con la frecuencia del
sonido. Para ser oídos, los sonidos deben tener una
intensidad mayor que la del umbral de audición y una
menor a cierto valor que el oído no puede tolerar,
llamado umbral de dolor. Este umbral depende de
cada persona, pero no le da la frecuencia del sonido.
• La intensidad del sonido se mide en una unidad denominada bel
(en homenaje a Alexander Graham Bell). En la práctica, un
submúltiplo de esta unidad es lo que más se usa: decibel (db) = 0,1
bel. A manera de ilustración, en la siguiente tabla se muestra la
intensidad de algunos sonidos expresada en decibeles.
Variación de la intensidad con la
distancia.
La
disminución
de
la
intensidad del sonido a medida
que se aumenta la distancia se
puede
explicar
fácilmente
considerando que la energía
que se propaga se reparte cada
vez en superficies mayores.
Supongamos que de una
fuente puntual de potencia P,
situada en el centro de una
esfera salen ondas esféricas.
A la distancia r, la
intensidad de la onda es:
Debido a que la fuente es
puntual, la energía emitida
se distribuye en la esfera
de radio (r) cuya superficie
es 4 π r2.
Luego:
La intensidad de la onda varia en razón inversa al cuadrado de su
distancia a la fuente inversa al cuadrado de su distancia a la fuente.
Nivel de intensidad.
• El oído oye intensidades sonoras de 10-12 w/m2 hasta
1w/m2. A causa de este gran intervalo de intensidades,
se prefiere utilizar una escala logarítmica (base 10) en
lugar de la escala natural. Para esto, el nivel de
intensidad β de una onda sonora se define como:
Β = 10 log
db
Siendo I0 una intensidad arbitraria de referencia que
se toma igual a 10-12w/m2 y que corresponde al sonido
más débil que se puede oír.
Timbre.
• El timbre es la cualidad del sonido que
permite
distinguir
sonidos
procedentes
de
diferentes
instrumentos, aun cuando posean
igual tono e intensidad. Debido a esta
misma cualidad es posible reconocer a
una persona por su voz, que resulta
característica de cada individuo.
El timbre nos permite distinguir dos
sonidos de la misma intensidad y la
misma frecuencia. Por ejemplo nos
permite distinguir el sonido de una
trompeta y un violín aunque emitan la
misma nota con la misma intensidad.
• Una forma de poner de
manifiesto este fenómeno
consiste
en
tomar
dos
diapasones capaces de emitir
un sonido de la misma
frecuencia
y
colocados
próximos el uno del otro,
cuando hacemos vibrar uno, el
otro
emite,
de
manera
espontánea, el mismo sonido,
debido a que las ondas
sonoras generadas por el
primero presionan a través
del aire al segundo.
Resonancia.
• En
el
sentido
literal,
resonancia significa sonar de
nuevo. De acuerdo a lo
anterior llámese resonancia
acústica a la reproducción de
un sonido por un resonador.
Lo fundamental para que
exista resonancia es que
tanto el cuerpo productor del
sonido como el reproductor
de éste, estén al unísono o
tengan la misma frecuencia.