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SONIDO
Unidad 1
Definición y Clasificación de las ondas
sonoras
• ondas mecánicas : la energía se transporta mediante
una perturbación del medio que se propaga a causa de
las propiedades elásticas de él.
• ondas longitudinales. Ya que la dirección de vibración
de las partículas del medio es paralela a la dirección de
propagación de la onda.
Ejemplo: ondas sonoras en el aire. La vibración del
cuerpo (cuerda, diapasón, etc.) origina una
perturbación de la presión y la densidad del aire; ésta
se propaga por el aire mediante choques de las
moléculas en él (compresiones y rarefacciones).
Velocidad del sonido
• La velocidad del las ondas depende de las propiedades del
medio pero es independiente del movimiento del foco emisor
respecto al medio.
Ej.: la velocidad de una onda sonora producida por el silbato de
un tren sólo depende de las propiedades del aire y no del
movimiento del tren.
• Velocidad de ondas en cuerdas v= T/
• Velocidad de ondas sonoras cuando la variación de la presión
no es demasiado grande será:
v= B/ donde  es la densidad del medio en kg/m3 y B el
módulo de elástico (módulo volumétrico para fluidos,
módulo de Young si son sólidos).
En ondas sonoras en el aire puede demostrarse que
v=  RT/M donde T es la temperatura absoluta, R= 8,31
J/mol.K , M es la masa molar del gas  es el cociente entre
los calores molares a P y V constantes ( para el aire es 1,4)
Tabla I Valores del módulo de
elasticidad para sólidos y líquidos
Medio
B (N/m2)
Agua
2,2 x 109
Mercurio
30 x 109
Alcohol etílico
1,1 x 109
Acero
1,9 a 2,2 x 1011
Cobre
1,0 a 1,2 x 1011
Plomo
1,5 x 1010
Ejercicios
(1)
Determinar la velocidad del sonido en al aire a las
siguientes temperaturas siendo la masa molar 0,0289kg/mol:
(a) -20,0ºC; (b) 0ºC; (c) 20,0ºC.
R.: (a) 319m/s; (b) 332m/s; (c) 343m/s.
(2)
El módulo elástico del agua de mar vale B = 2,2x109
N/m2. Además, su densidad es 1026kg/m3. Determinar
la
velocidad del sonido en el agua
R.: 1464m/s.
¿Por qué oímos?
Sistema auditivo: el oído
El aparato auditivo puede dividirse en tres partes: oído externo, oído medio y oído
interno.
•
•
El oído externo comprende la oreja, una membrana compuesta por un esqueleto
fibrocartilaginoso, cuya función es colectar cualquier tipo de sonido, reflejarlo y
dirigirlo al conducto auditivo externo, el cual termina en la pared de la caja
timpánica.
Partes del oído
– El oído medio comprende el tímpano, una cavidad llena de aire, la
cual comunica por un conducto denominado Trompa de Eustaquio con
la porción nasal de la faringe.
La pared externa del tímpano está formada por la membrana
timpánica, su espesor es comparable al de una hoja de papel y se halla
tapizada por piel por el lado exterior. La membrana del tímpano es el
elemento vibrátil que recibe el sonido.
La pared interna del tímpano posee dos orificios o ventanas, cerradas
por membranas: la ventana oval está por encima y por delante; la
ventana redonda se halla debajo y atrás. Tres pequeños huesecillos
rodeados de mucosa unen la membrana del tímpano con la ventana
oval; ellos son el martillo (en contacto con la membrana timpánica), el
yunque y el estribo, este último en contacto con la ventana oval. La
cadena de huesos transmite las vibraciones a la ventana oval.
En la parte interna del oído se halla el laberinto, una cavidad de forma compleja
contenida dentro de la cavidad ósea y que contiene el vestíbulo, en la parte central, los
canales semicirculares y el caracol. El laberinto se halla lleno de un líquido
denominado linfa, incompresible y encargado de transmitir los cambios de presión
provocados en la ventana oval. La ventana redonda sirve de válvula.
Cuando vibra la ventana oval –el movimiento es de algunas micras, apenaslos cambios de presión pasan al laberinto. En su interior, la membrana basilar, ubicada
en el caracol, cumple la función de detectar los tonos.
El extremo de esta membrana más cercano al tímpano resuena a cerca de 20kHz; el
extremo más alejado resuena a 20Hz. Por esta razón el rango de frecuencias audibles
por los seres humanos abarca aproximadamente el intervalo entre dichas frecuencias.
El nervio auditivo posee sensores de presión en la membrana basilar y traduce los
cambios de presión de las oscilaciones en pulsos eléctricos que son enviados al
cerebro, donde se procesan para convertirse en la sensación que denominamos
sensación auditiva.
Sonidos puros
• Tiene una frecuencia única y se suele utilizar como patrón.
• En 1711, John Shore inventó el diapasón.
Varilla prismática metálica, doblada en forma de U y
sostenida por su punto medio.
Al golpear el diapasón éste vibra con una frecuencia bien
definida, fruto de la superposición de las ondas que viajan por la
varilla, llegan al otro extremo y se reflejan, generando así una
onda estacionaria.
•
Para el afinado de los instrumentos musicales hoy día
se utiliza el denominado diapasón patrón, el que tiene una
frecuencia de exactamente 440Hz y corresponde a la nota
musical La.
Fenómenos físicos asociados a las ondas
• Reflexión
Si una onda, se refleja propagándose, por ejemplo en el aire, y
llega a una pared, la onda incidente origina una onda que
vuelve a propagarse por el aire, en el mismo medio que la
incidente y se llama onda reflejada. La onda reflejada es la
que origina, por ejemplo, el fenómeno que llamamos eco.
Leyes de la reflexión:
1. La recta normal y los rayos incidentes y reflejado
pertenecen a un mismo plano.
2. Cuando una onda se refleja en una barrera,
el ángulo de incidencia es igual al ángulo
de reflexión.
• Refracción
•
Cuando una onda incide sobre la superficie que separa dos medios, además de la onda
reflejada se origina otra que se transmite al otro medio. Esta onda se denomina refractada.
Una onda se refracta cuando las velocidades de la onda en los dos medios son diferentes.
•
Ej: si una onda sonora incide en la pared de una habitación, se origina una onda refractada
que viaja por la pared y puede ser percibida en una habitación contigua.
•
Si la onda incide perpendicularmente sobre la superficie de separación, se transmite sin
modificar su dirección de propagación.
•
Si incide con cualquier otro ángulo dependerá de las velocidades de los medios. Si la v1 es
mayor que v2, el rayo se desvía acercándose a la normal o sea que el ángulo de refracción
será menor que el ángulo de incidencia.
•
Leyes de la refracción:
1. La normal, el rayo incidente y el rayo refractado están contenidos en un mismo plano.
2. La relación entre los ángulos viene dada por la Ley de Snell:
seni/ v1= sen r/v2
Refracción
Ej. ondas en la superficie de un líquido.
Si en la cubeta tenemos dos zonas de diferente profundidad (1y2),
al hacer que una onda se propague en la superficie del agua de la
cubeta, hallaremos que la velocidad de la onda en la región más
profunda es mayor que en la región menos profunda (v1>v2)
De manera que estas regiones se comportan como dos
medios diferentes para la propagación de la onda.
Piensa un ejemplo en que se de refracción teniendo
cuerdas.
Difracción
•
•
•
Es la propiedad que posee una onda de rodear un obstáculo al ser interrumpida su
propagación parcialmente por él.
Debido a la difracción es que, por ejemplo, que un sonido emitido en una habitación
llegue a todos los lugares de la misma, aún en presencia de todo tipo de objetos.
Principio de Huygens: cada punto de un frente de ondas se puede considerar como un
emisor de ondas esféricas. Cuando una onda se encuentra con un obstáculo, parte de
las ondas son absorbidas por éste y no emiten más. Pero las ondas emitidas desde los
puntos que quedan “libres” siguen avanzando esféricamente, alcanzando las regiones
que el obstáculo esconde. La inda difractada está formada por la contribución de un
número menor de focos emisores y, en consecuencia,
representa una perturbación de
menor intensidad que la onda
original.
Fig 1
fig 2
Difracción a través de una abertura (fig. 2 de la diapositiva anterior)
En cuanto a la difracción por un orificio, es posible acentuar la difracción de la
onda, si aumentamos su longitud de onda o disminuimos el tamaño de dicho
orificio.
Si   d (ancho de ranura o tamaño de obstáculo) no se observará difracción
Una onda plana que se propaga a través de una abertura produce un
frente de onda que no es exactamente plano, sino redondeado sobre
los extremos.
Un frente de onda es el lugar geométrico de los puntos que tienen
igual desplazamiento en la onda en el agua o la misma magnitud del E
en la onda electromagnética.
Los puntos de un frente de onda están en fase.
Aplicaciones de los fenómenos al
sonido
Principio de superposición
• Cuando hay solamente un foco emisor de ondas, la
perturbación en cada punto del espacio corresponderá
a la onda procedente de dicho foco.
En general, suelen existir varios focos emisores de
onda. En este caso la perturbación en cada punto del
espacio resulta igual a la suma de las perturbaciones
generada por cada fuente en dicho punto. Esto es los
que establece el principio de superposición.
• Para analizar el fenómeno de interferencia de ondas se
analizará el ejemplo que aparece en la transparencia
que sigue.
Interferencia
Si golpeamos periódicamente con dos
pequeños objetos la superficie de un líquido,
dos ondas circulares se propagarán en ella,
actuando los dos objetos, F1 y F2 como las
fuentes donde se producen tales ondas.
Supongamos que dichos dispositivos vibran
con la misma frecuencia y percuten simultáneamente el líquido; es
decir, en el momento en que uno produce una cresta, el otro también
genera la suya, y cuando uno produce un valle, el otro también lo hace.
En estas condiciones, decimos que las dos fuentes vibratorias están en
fase. En esta figura de interferencia se observan líneas nodales,
constituidas por puntos permanentemente en reposo (interferencia
destructiva—valle+cresta), y crestas dobles y valles dobles (interferencia
constructiva) se propagan entre las líneas nodales.
Aplicaciones de interferencia: conexión entre altavoces
(parlantes)
• Al conocer los cables en un
sistema estereofónico y sus
altavoces, se advierte que los
cables está decodificados por
color y los parlantes tienen signos
positivos y negativos en las
conexiones. La razón de esto es
necesario conectar los altavoces
con la misma “polaridad”. De no
ser así, cuando se alimente un
sonido a ambos altavoces el cono
de ellos se moverá hacia afuera al
mismo tiempo que el cono del
otro altavoz se mueve hacia
adentro
(sonidos desfasados 180°)
• Por lo tanto …… averigua qué
pasaría pensando los tipos de
interferencia.
Efecto Doppler
• Si una ambulancia pasa
mientras su sirena
suena, la frecuencia del
sonido es más alta
cuando la ambulancia
se aproxima a nosotros
y más baja cuando se
aleja.
• Movimiento relativo
entre una fuente de
ondas y un observador.
Fuentes de información
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Alvarenga, B & Santos, M. Física General
Aristegui & otros. Física 1. Ed. Santillana
Serway, R & Faughn, J. Física
Librillo de práctico de Tornaría.
Libro adaptado para Física de 5to. artístico.