2. LA ACÚSTICA
Es una rama de la física interdisciplinaria que
estudia el sonido, infrasonido y ultrasonido, es
decir ondas mecánicas que se propagan a través
de la materia (sólida, líquida o gaseosa). A
efectos prácticos, la acústica estudia la
producción, transmisión, almacenamiento,
percepción o reproducción del sonido.
3. El sonido, en física, es cualquier fenómeno que
involucre la propagación en forma de ondas
elásticas (sean audibles o no), generalmente a través
de un fluido (u otro medio elástico) que esté
generando el movimiento vibratorio de un cuerpo.
El sonido humanamente audible consiste en ondas
sonoras que producen oscilaciones de la presión del
aire, que son convertidas en ondas mecánicas en el
oído humano y percibidas por el cerebro. La
propagación del sonido es similar en los fluidos,
donde el sonido toma la forma de fluctuaciones de
presión.1 En los cuerpos sólidos la propagación del
sonido involucra variaciones del estado tensional
del medio.
4. La propagación del sonido involucra transporte de
energía sin in transporte de materia. Como las
vibraciones se producen en la misma dirección en la
que se propaga el sonido, se trata de una onda
longitudinal.
El sonido es un fenómeno vibratorio transmitido en
forma de ondas. Para que se genere un sonido es
necesario que vibre alguna fuente. Las vibraciones
pueden ser transmitidas a través de diversos medios
elásticos, entre los más comunes se encuentran el aire y
el agua. La fonética acústica concentra su interés
especialmente en los sonidos del habla: cómo se
generan, cómo se perciben, y cómo se pueden describir
gráfica y/o cuantitativamente.
5. Propagación Del Sonido
Ciertas características de los fluidos y de los sólidos
influyen en la onda de sonido. Es por eso que el
sonido se propaga en los sólidos y en los líquidos y
gases pero con mayor rapidez que en los gases. En
general cuanto mayor sea la compresibilidad el medio
tanto menor es la velocidad del sonido. También la
densidad es un factor importante en la velocidad de
propagación, en general a mayor sea la densidad (ρ), a
igualdad de todo lo demás, tanto mayor es la
velocidad de la propagación del sonido.
6. La propagación del sonido está sujeta a algunos condicionales.
Así la transmisión de sonido requiere la existencia de un medio
material donde la vibración de las moléculas es percibida como
una onda sonora. En la propagación en medios compresibles
como el aire, la propagación implica que en algunas zonas las
moléculas de aire, al vibrar se juntan (zonas de compresión) y
en otras zonas se alejan (zonas de rarefacción), esta alteración
de distancias entre las moléculas de aire es lo que produce el
sonido.
Compresión
Rarefacción
7. En fluidos altamente incompresibles como los líquidos las distancias se
ven muy poco afectadas pero se manifiesta en forma de ondas de
presión. La velocidad de propagación de las ondas sonoras en un medio
depende de la distancia promedio entre las partículas de dicho medio,
por tanto, es en general mayor en los sólidos que en los líquidos y en
estos, a su vez, que en los gases. En el vacío no puede propagarse el
sonido, nótese que por tanto las explosiones realmente son audibles en
el espacio exterior.
Las ondas sonoras no se producen cuando un cuerpo vibra
rápidamente. La frecuencia es el número de vibraciones u oscilaciones
completas que efectúan por segundo. Los sonidos producidos son
audibles por un ser humano promedio si la frecuencia de oscilación
está comprendida entre 20 Hz y 20 000 HZ.
Por encima de esta última frecuencia se tiene un ULTRASONIDO no
audible por los seres humanos, aunque algunos animales pueden oír
ultrasonidos inaudibles por los seres humanos. La intensidad de un
sonido está relacionada con el cuadrado de la AMPLITUD de presión de
la onda sonora.
8. Velocidad del sonido
El sonido tiene una velocidad de 331,5 m/s cuando: la temperatura es de
0 °C, la presión atmosférica es de 1 atm (nivel del mar) y se presenta una
humedad relativa del aire de 0 % (aire seco). Aunque depende muy poco
de la presión del aire.
La velocidad del sonido depende del tipo de material. Cuando el sonido
se desplaza en los sólidos tiene mayor velocidad que en los líquidos, y en
los líquidos es más veloz que en los gases. Esto se debe a que las
partículas en los sólidos están más cercanas.
Comportamiento de las ondas de sonido a diferentes velocidades
La velocidad del sonido en el aire se puede calcular en relación a la
temperatura de la siguiente manera:
Vs=Vo +βT
Donde:
Vo=331,5m/s
β=0,606m/s°C
T es la temperatura en grados Celsius. Si la temperatura ambiente es de
15 °C, la velocidad de propagación del sonido es 340 m/s
9. Rapidez De Propagación Del Sonido En Diferentes
Medios
medio Rapidez (m/s)
Aire (0°C) 331,5
Aire (15°C) 340
Oxígeno (0°C) 316
Hidrógeno (0 °C) 1260
Agua (20 °C) 1480
Glicerina 1950
Madera 4500
Vidrio Hasta 5300
10. Reflexión del sonido
Así como una onda en la superficie del agua se refleja al
chocar con las paredes de una piscina, la energía de una
onda sonora se refleja al incidir sobre algunas superficies.
No todas las superficies se comportan de igual manera,
por ejemplo el sonido se refleja de manera mucho más
eficiente en un muro de ladrillos que en un cortinaje
grueso, el que absorberá gran parte del sonido. En
general, la reflexión del sonido es mejor entre mayor
densidad tenga la superficie donde choque.
11. Existen mamíferos como los delfines y los
murciélagos que utilizan la reflexión del sonido
para ubicar objetos en el espacio, inclusive en
total oscuridad. Este mecanismo se llama
ecolocalización y lo pueden usar gracias a que
tienen un sistema auditivo muy desarrollado.
Estos mamíferos emiten sonidos muy agudos (a
veces inaudibles para los seres humanos) y al
captar la reflexión de ellos en un obstáculo,
pueden saber, por ejemplo, a qué distancia se
encuentra dicho cuerpo.
12. ¿Cuál será la distancia mínima que deberá tener una persona
con un muro, para poder apreciar el fenómeno del eco?
El eco consiste en que el mismo sonido que se emite se vuelve a
oír después de cierto tiempo. Para responder la pregunta
planteada inicialmente, hay que tomar en cuenta que el sonido,
desde el momento de ser emitido por las cuerdas vocales, debe
llegar hasta el muro y reflejarse a la persona. Además, se debe
considerar que el oído humano es capaz de diferenciar dos
sonidos, cuando llegan desfasados por un tiempo mínimo de 0,1
s. Otro dato importante es la rapidez del sonido en el aire;
consideraremos para este caso el valor de 340 m/s.
13. Imagina que vas a oír un concierto a una sala y de pronto las
leyes físicas cambian, de manera que los objetos que te
rodean pierden la capacidad de reflejar el sonido, ¿qué
efectos podrías notar?, ¿qué ocurriría luego, si los objetos
absorbieran todo el sonido que reciben? Considera que lo que
transportan las ondas es energía.
¿Cuál sería la distancia mínima que necesitaría un delfín para
escuchar su eco en el agua?
En el aire el sonido viaja en promedio a 340 m/s. Imagina que
nos pudiésemos comunicar en un medio físico donde el
sonido viaje mucho más rápido, alrededor de cinco veces la
velocidad en el aire. ¿A qué distancia podríamos percibir el
eco?
14.
15. Sonidos agudos son los sonidos o tonos que
componen la gama de altas frecuencias del
espectro audible. Generalmente los sonidos por
encima de 5 kHz son considerados agudos.
16. Sonidos graves: son los sonidos de baja frecuencia del
espectro audible. Por lo general son sonidos que están
a menos de 5 KHz.
Generalmente estas frecuencias son reproducidas por
medio de un woofer o un subwoofer.
17. Características del sonido
Tono o altura de un sonido
A mayor frecuencia, más agudo se percibe el sonido y, a
menor frecuencia, más grave. A la frecuencia que se
asocia a un sonido la llamaremos tono.
Como los términos agudo y grave son subjetivos, los
diferentes tonos se clasifican según su frecuencia. La
unidad física de frecuencia es el Hertz (Hz), llamada así en
honor al físico alemán Heinrich Hertz (1857-1894), quien
demostró la existencia de la ondas electromagnéticas.
Una frecuencia de 1 Hz, equivale a una oscilación por
segundo; una frecuencia de 10 Hz equivale a 10
oscilaciones por segundo, y así sucesivamente.
18. La intensidad de un
sonido depende de la
magnitud de las
vibraciones del cuerpo
que las produce, y cuando
hablamos de magnitud de
la vibración, nos
referimos a su amplitud.
A mayor amplitud, el
sonido es más intenso.
20. El oído humano tiene la capacidad de escuchar
sonidos a partir de una intensidad de 1000-
12000 W/m². Esta intensidad se conoce como umbral
de audición. Cuando la intensidad supera 1 W/m², la
sensación se vuelve dolorosa.
Dado que en el rango de intensidades que el oído
humano puede detectar sin dolor hay grandes
diferencias en el número de cifras empleadas en
una escala lineal, es habitual utilizar una escala
logarítmica.
21.
22. El timbre es la cualidad del sonido que
nos permite distinguir entre dos
sonidos de la misma intensidad y
altura.
Casi nunca se puede producir un
sonido puro, siempre se producen
otros que lo acompañan. Algunos de
estos se llaman armónicos. El timbre
depende de los sonidos armónicos
que acompañan al principal.
Por ejemplo, la nota emitida por un
piano es el resultado de la vibración
no únicamente de la cuerda
accionada, sino también de algunas
otras partes del piano (madera,
columnas de aire, otras cuerdas, etc.)
las cuales vibran junto con ella y le da
su sonido característico
23. El oído Humano
Las ondas sonoras, penetran al
oído a través del canal auditivo
externo hacia el tímpano, en el
cual se produce una vibración.
Estas vibraciones se comunican
al oído medio mediante la
cadena de huesecillos (martillo,
yunque y estribo) y, a través de
la ventana oval, hasta el líquido
del oído interno. A su vez esta
vibración estimula las
terminaciones nerviosas que
envían al cerebro los impulsos
eléctricos que permiten
reconocer los sonidos.
24. Efecto Doppler
Se llama EFECTO DOPPLER a las
variaciones aparentes en la Frecuencia
de una onda cualquiera (sonora,
luminosa, en el agua, etcétera),
causadas por el movimiento ya sea de
la fuente emisora, ya sea del receptor
de la onda sonora o de ambos.
La moto (es la fuente sonora) emite un
sonido, supongamos de 200 Hz de
frecuencia, que viaja por el espacio
hacia todas direcciones a una velocidad
de 340 metros por segundo. A su vez, la
moto lleva una velocidad propia. ¿Qué
sucede con los receptores respecto a la
frecuencia con que perciben el sonido
de la moto?
25. Todo depende de las velocidades de los involucrados.
La chica de la izquierda está en reposo, respecto a ella,
el sonido debería llegar a la velocidad de 340 m/s, pero
resulta que el emisor del sonido (la moto) se aleja de
ella; por lo tanto, a ella percibirá un sonido de menor
frecuencia (ondas más largas, tono menos agudo).
El muchacho de la derecha camina hacia la moto.
Respecto a este muchacho, el sonido viaja hacia él a
340 m/s, más la velocidad de la moto y más la
velocidad de su caminar hacia la moto; por lo tanto,
percibirá un sonido de mayor frecuencia, ondas más
cortas, tono más agudo).
Entendida esta relación entre las velocidades,
mostraremos cómo es posible obtener ecuaciones que
nos permiten calcular las variaciones de frecuencia
percibidas por un receptor.
A continuación la siguiente fórmula general permite
hallar la frecuencia que percibirá el receptor u
observador:
26. Donde :
fo = frecuencia que percibe el observador
fe = frecuencia real que emite la fuente
v = vs = velocidad del sonido (340 m/s)
vo = velocidad del observador
ve = velocidad de la fuente
La ubicación de signos es muy importante ya
que usar uno u otro depende de si el
observador se acerca o se aleja de la fuente
emisora de sonido.
27. Tubos sonoros
Los tubos de caña o de otras plantas de
tronco hueco, constituyeron los primeros
instrumentos musicales. Emitían sonido
soplando por un extremo. El aire
contenido en el tubo entraba en
vibración emitiendo un sonido.
Las versiones modernas de estos
instrumentos de viento son las flautas,
las trompetas y los clarinetes, todos ellos
desarrollados de forma que el intérprete
produzca muchas notas dentro de una
amplia gama de frecuencias acústicas.
28. Tubos abiertos
Si un tubo es abierto, el aire vibra con
su máxima amplitud en los extremos. En
la figura, se representan los tres
primeros modos de vibración
Como la distancia entre dos nodos o
entre dos vientres es media longitud de
onda. Si la longitud del tubo es L,
tenemos que:
L=λ/2, L= λ, L=3 λ/2, ... en general
L=nλ/2, n=1, 2, 3... es un número entero
Considerando que λ =vs/f (velocidad del
sonido dividido la frecuencia)
Las frecuencias de los distintos modos
de vibración responden a la fórmula
29. Tubos cerrados
Si el tubo es cerrado se origina un
vientre en el extremo por donde
penetra el aire y un nodo en el
extremo cerrado. Como la distancia
entre un vientre y un nodo
consecutivo es l /4. La longitud L del
tubo es en las figuras representadas
es L=λ/4, L=3λ/4, L=5λ/4...
En general L=(2n+1)λ/4; con n=0, 1,
2, 3, ...
Las frecuencias de los distintos
modos de vibración responden a la
fórmula
