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FÍSICA DEL SONIDO
Sonido
El sonido es la sensación producida en el oído por la vibración de un
objeto transmitida a través de un medio elástico. El medio elástico se
comprime y descomprime produciendo ondas que se transmiten desde el
objeto vibrante.
Física del sonido
Disciplina conocida con el nombre de acústica, se aboca a estudiar los
fenómenos que ocurren fuera de la conciencia humana.
Psicoacústica
Disciplina que se dedica a analizar las impresiones subjetivas que el
sonido induce en cada persona. Esto es, la forma en que el cerebro
interpreta los estímulos sonoros registrados por el oído. En esta clase,
analizaremos principalmente algunos aspectos físicos del mundo del
sonido.
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Clases de movimiento ondulatorios
El movimiento ondulatorio transversal es aquél en el que la dirección de
propagación es perpendicular a la dirección de vibración, tal como sucede
en una cuerda, o las ondas electromagnéticas.
En el movimiento ondulatorio longitudinal coinciden la dirección de
vibración y de propagación, un ejemplo es el del sonido.
¿Cómo modifica la fuente sonora al medio?
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Al vibrar una fuente sonora, como por ejemplo, la membrana
de un parlante, ella sucesivamente comprime y enrarece el aire
que se encuentra a su alrededor.
Al propasarse, una onda de sonido induce sólo un pequeño
movimiento del aire. Las partículas de aire no se trasladan una
distancia neta, aún cuando el sonido continúa alejándose de la
fuente sonora.
GENERACION Y PROPAGACION DEL SONIDO
Para que una fuente sonora emita un tono, ella debe realizar un
movimiento periódico.
Registro de las oscilaciones de un
diapasón.
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El sonido requiere de un medio para propagarse (en el vacío no hay
propagación de sonido).
Campanilla sometida al vacío.
El sonido no sólo se propaga en el aire:
También lo hace a través de todos los demás cuerpos sólidos, líquidos y
gases. La mayoría de los sólidos y líquidos son buenos conductores del
sonido.
Existen buenos y malos conductores del sonido:
Los gases y las sustancias porosas y sueltas como el algodón, la lana y el
plumavit, son malos conductores del sonido, y por consiguiente son
precisamente los materiales que se usan como aislantes acústicos.
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VELOCIDADES DEL SONIDO
En el aire (a 15°C) el sonido se propaga con una velocidad de 340m/s. Las
velocidades de propagación del sonido en algunas otras sustancias se muestran
en la tabla siguiente:
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Tono:
Es el sonido producido por una fuente sonora que realiza oscilaciones
regulares. Hay cuatro propiedades básicas que caracterizan a un tono,
a saber: frecuencia, intensidad, duración y timbre.
La frecuencia f:
Es el número de oscilaciones por unida de tiempo realizada por la
fuente sonora.
La frecuencia se mide en Hertz (HZ), en honor al físico alemán
Heinrich Hertz, descubridor de las ondas electromagnéticas, y
corresponde a una oscilación por segundo.
FRECUENCIA DEL SONIDO
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Tonos generados por un disco perforado en movimiento giratorio.
Un disco con 48 perforaciones regularmente espaciadas y equidistantes del centro, lo hacemos girar
en forma regular cinco veces por segundo. Al soplar con una pajita a través de las perforaciones, el
flujo de aire será interrumpido 48*5=240 veces por segundo. De esta manera se produce una
perturbación periódica de la densidad del aire, o sea un tono de frecuencia n =240 HZ.
Al aumentar la velocidad de giro del disco, es decir, al aumentar la frecuencia, encontramos que el
tono se torna más agudo mientras que, al disminuir la frecuencia con que se interrumpe el flujo de
aire, el tono se vuelve más grave.
La altura de un sonido se mide por su frecuencia, es decir, el
número de veces por segundo que se repite exactamente una
forma determinada de vibración. Así, un tono puede ser más
agudo o más grave.
La periodicidad o aperiodicidad de las vibraciones sonoras
determinan si la sensación de sonido se interpreta como un
tono (posible de ser cantado) o un ruido.
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Percepción de las frecuencias del sonido
Humanos:
Pueden percibir tonos de frecuencia entre 16Hz y ~20000Hz.
Frecuencias menores de 16Hz se perciben como pulsaciones
separadas.
A su vez, ondas sonoras con frecuencias mayores de 20Khz no
producen sensaciones auditivas en las personas; tales son los
sonidos ultrasónicos.
Perros:
El límite superior se extiende hasta ~40Khz.
Murciélago:
Pueden escuchar frecuencias de hasta 65 Khz.
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¿Cuál es la sensibilidad del oído para distinguir dos sonidos?
La sensibilidad del oído para distinguir dos sonidos(que suenen en forma
consecutiva) de igual timbre e intensidad, pero de frecuencias distintas.
Para sonidos con frecuencias entre 500-4000 Hz, en condiciones bien
controladas, la sensibilidad es ~0.3%. Una diferencia de frecuencias
menor hará imposible que se distingan cada una de ellas como entre sí.
EFECTO DOPPLER
Cuando la fuente de ondas y el observador están en movimiento
relativo con respecto al medio material en el cual la onda se
propaga, la frecuencia de las ondas observadas es diferente de la
frecuencia de las ondas emitidas por la fuente. Este fenómeno
recibe el nombre de efecto Doppler en honor a su descubridor.
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INTENSIDAD DEL SONIDO (VOLUMEN)
Se define intensidad del movimiento ondulatorio, como la energía
transportada por unidad de área y por unidad de tiempo (lo que dependerá
de la perturbación de presión de aire que determine el sonido).
La unidad de medida de la intensidad de cualquier onda es Watt/m2
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Los sonidos pueden tener una amplia gama de intensidades. En el aire, la
intensidad depende de la amplitud de las fluctuaciones de la densidad del
aire generadas por la onda sonora.
Representación esquemática de dos sonidos de intensidades distintas. El sonido
de menor intensidad se muestra en la parte inferior.
Un aumento de la densidad del sonido se atribuye a un aumento local de la
presión del aire.
La determinación de la presión atmosférica en presencia de una onda sonora
es, por lo tanto, una buena manera de establecer su intensidad.
La presión se mide en Pascales.
1 Pa = 1 N/m2.
Es decir:
1 Pascal es igual a la presión ejercida por una fuerza de 1 Newton (el peso
de 100 gramos) repartida uniformemente sobre una superficie de 1 m2
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Al escuchar un tono, la presión atmosférica que actúa sobre el
tímpano no es uniforme sino que varía periódicamente.
Para ser percibidas por el oído, estas variaciones de la presión deben
ser al menos de 0.00002 Pa (de sólo 2 x 10-10 atmósferas).
Para medir la intensidad del sonido, se suele emplear una medida más
familiar, el decibel (abreviado db), según la definición:
Donde I es la intensidad que se aludió en las diapositivas anteriores e I0
es una intensidad de referencia. Para el caso del sonido en el aire el
nivel de referencia tomado arbitrariamente es de 10-12 W/m2.
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La percepción auditiva de la intensidad del sonido no se
relaciona linealmente con la escala decibélica:
Para un sonido de 1000 Hz, una persona subjetivamente percibe
que la intensidad del sonido aumenta al doble cada vez que hay
un aumento de 10 dB.
¿Cuál es la sensibilidad del oído a la intensidad de los
sonidos?
Bajo condiciones controladas una persona es capaz de percibir
diferencias de 1 dB en la intensidad de un tono.
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DURACION, DECAIMIENTO Y TIMBRE DE UN TONO
El timbre y la duración de un sonido son las propiedades que nos permiten
distinguir un Do central de un piano, de la misma nota producida por una
flauta dulce.
La duración de un tono, la forma cómo decae y también la forma cómo se
inicia (o se establece) son características típicas de los tonos generados por
los distintos instrumentos musicales.
El timbre de un tono depende de la intensidad de los distintos armónicos
(modos normales) que lo componen.
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