1. Ing. Alenis Arévalo
UNIDAD DE APRENDIZAJE III
ÍNDICE
Acústica
Que es el sonido
Magnitudes físicas del sonido
Clasificación del sonido
Ondas sonoras
Producción de una onda sonora
Categorías de las ondas del sonido
Espectro audible
Características o cualidades del sonido
Velocidad del sonido
Intensidad
¿Que es un decibelio db?
Nivel de intensidad del sonido
El efecto Doppler
ACUSTICA: parte de la física que estudia el origen, propagación, propiedades
del sonido y sus aplicaciones.
¿QUE ES EL SONIDO?
El sonido es la vibración de un medio elástico, bien sea gaseoso, líquido o
sólido y que es capaz de excitar el oído, originándose la percepción auditiva.
Su naturaleza esta dada como un movimiento ondulatorio longitudinal
perceptible al oído.
Cuando nos referimos al sonido audible por el oído humano, estamos hablando
de la sensación detectada por nuestro oído, que producen las rápidas
variaciones de presión en el aire por encima y por debajo de un valor estático.
Este valor estático nos lo da la presión atmosférica (alrededor de 100.000
pascals) el cual tiene unas variaciones pequeñas y de forma muy lenta, tal y
como se puede comprobar en un barómetro.
El sonido lo puede producir diferentes fuentes, desde una persona hablando
hasta un altavoz, que es una membrana móvil que comprime el aire generado
ondas sonoras.
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MAGNITUDES FÍSICAS DEL SONIDO
Como todo movimiento ondulatorio, el sonido puede representarse por una
curva ondulante, como por ejemplo una sinusoide y se pueden aplicar las
mismas magnitudes unidades de medida que a cualquier Onda mecánica.
A saber:
Longitud de onda: indica el tamaño de una onda. Entendiendo por tamaño
de la onda, la distancia entre el principio y el final de una onda completa
(ciclo).
Frecuencia: número de ciclos (ondas completas) que se producen unidad
de tiempo. En el caso del sonido la unidad de tiempo es el segundo y la
frecuencia se mide en Hercios (ciclos/s). Las frecuencias mas bajas se
corresponden con lo que habitualmente llamamos sonidos "graves" , son
sonidos de vibraciones lentas. Las frecuencias más altas se corresponden
con lo que llamamos "agudos" y son vibraciones muy rápidas
Periodo: es el tiempo que tarda cada ciclo en repetirse.
Amplitud: indica la cantidad de energía que contiene una señal sonora. No
hay que confundir amplitud con volumen o potencia acústica.
Fase: la fase de una onda expresa su posición relativa con respecto a otra
onda.
Potencia: La potencia acústica es la cantidad de energía radiada en forma
de ondas por unidad de tiempo por una fuente determinada. La potencia
acústica depende de la amplitud.
CLASIFICACION DEL SONIDO
Desde el punto de la vista de la física, los sonidos se clasifican según la forma
de la onda en: Ruido y Sonidos Musicales.
Los Ruidos: son aquellos sonidos originados por una serie irregular de
vibraciones que producen sensaciones desagradables al oído (físicamente
hablando son ondas no periódicas). Ejemplo: Explosión de un cañón.
Los Sonidos Musicales: son los que se originan de una serie regular de
vibraciones u ondas periódicas, capaces de provocar en nuestro oído una
sensación agradable. Ejemplo: Sonido producido por una cuerda de guitarra,
un violín, una orquesta o una cantante.
ONDAS SONORAS
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Son ondas longitudinales que viajan a través de cualquier material (gases,
sólidos y liquidas) con una velocidad que depende de las propiedades del
medio en el que se propaga.
PRODUCCIÓN DE UNA ONDA SONORA
Deben existir dos factores para que exista el sonido. Es necesaria una fuente
de vibración mecánica y también un medio elástico a través del cual se
propague la perturbación.
La fuente puede ser un diapasón, una cuerda que vibre o una columna de aire
vibrando en un tubo de órgano. Los sonidos se producen por una materia que
vibra. La necesidad de la existencia de un medio elástico se puede demostrar
colocando un timbre eléctrico dentro de un frasco conectado a una bomba de
vacío. Cuando el timbre se conecta a una batería para que suene
continuamente, se extrae aire del frasco lentamente. A medida que va saliendo
el aire del frasco, el sonido del timbre se vuelve cada vez más débil hasta que
finalmente ya no se escucha. Cuando se permite que el aire penetre de nuevo
al frasco, el timbre vuelve a sonar. Por lo tanto, el aire es necesario para
transmitir el sonido.
Cuando se produce una onda sonora se genera una región de alta densidad y
alta presión de aire llamada región de compresiones y una región de baja
presiones llamada rarefacciones.
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CATEGORIAS DE ONDAS DE SONIDO
Existen tres categorías de onda mecánicas longitudinales que cubren
diferentes rangos de frecuencia:
Ondas Audibles son ondas sonoras que caen dentro del rango de
sensitividad del oído humano por lo general de 20 Hz a 20000 Hz, se
pueden generar en diferentes formas tales como instrumentos musicales,
cuerdas vocales y altavoces.
Ondas infrasónicas son todas longitudinales con frecuencia abajo del
rango audible. Las ondas de terremotos son un ejemplo de ellas.
Ondas ultrasónicas son ondas longitudinales con frecuencia por arriba del
rango audible. Son generadas por vibraciones al aplicar un campo eléctrico
alternante.
ESPECTRO AUDITIVO
20Hz 500Hz 5000Hz 20.000Hz
INFRASONIDO ULTRASONIDO
GRAVES MEDIOS AGUDOS
ESPECTRO AUDIBLE
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CARACTERÍSTICAS O CUALIDADES DEL SONIDO
Las cualidades del sonido son:
El Tono viene determinado por la frecuencia fundamental de las ondas
sonoras y es lo que permite distinguir entre sonidos graves, agudos o
medios. El tono lo determina la frecuencia de la onda, medida en ciclos por
segundos o Hercios (Hz). Para que podamos percibir los humanos un
sonido, éste debe estar comprendido en la franja de 20 y 20.000 Hz. Por
debajo tenemos los infrasonidos y por encima los ultrasonidos. A esto se le
denomina rango de frecuencia audible. Cuanto mas edad se tiene, este
rango va reduciéndose tanto en graves como en agudos.
La Intensidad es la cantidad de energía acústica que contiene un sonido. La
intensidad viene determinada por la potencia acústica, que a su vez está
determinada por la amplitud y nos permite distinguir si el sonido es fuerte o
débil. Los sonidos que percibimos deben superar el umbral auditivo (0 dB) y
no llegar al umbral de dolor (120 dB). Esta cualidad la medimos con el
sonómetro y los resultados se expresan en decibelios (dB).
El Timbre es la cualidad que confiere al sonido los armónicos que
acompañan a la frecuencia fundamental. Esta cualidad es la que permite
distinguir dos sonidos, por ejemplo, entre la misma nota (tono) con igual
intensidad producida por dos instrumentos musicales distintos.
La Duración. Esta cualidad está relacionada con el tiempo de vibración del
objeto. Por ejemplo, podemos escuchar sonidos largos, cortos, muy cortos,
etc...
LA VELOCIDAD DEL SONIDO
Cualquier persona que haya visto a cierta distancia cómo se dispara un
proyectil ha observado el fogonazo del arma antes de escuchar la detonación.
Ocurre algo similar al observar el relámpago de un rayo antes de oír el trueno.
Aunque tanto la luz como el sonido viajan a velocidades finitas, la velocidad de
la luz es tan grande en comparación con la del sonido que pueden
considerarse instantánea. La velocidad del sonido se puede medir directamente
determinando el tiempo que tardan las ondas en moverse a través de una
distancia conocida. En el aire, a 0ºC, el sonido viaja a una velocidad de331 m/s
La velocidad de una onda depende de la elasticidad del medio y de la inercia
de sus partículas. Los materiales más elásticos permiten mayores velocidades
de onda, mientras que los materiales más densos retardan el movimiento
ondulatorio.
1. Para las ondas sonoras longitudinales en un alambre o varilla, la
velocidad de onda está dada por
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Donde Y es el módulo de Young para el sólido y ρ es su densidad de masa
(densidad absoluta). Esta relación es válida sólo para varillas cuyos diámetros
son pequeños en comparación con las longitudes de las ondas sonoras
longitudinales que se propagan a través de ellas.
ρ= masa/ volumen = m/V
Unidades:
V: m/s, cm/s
Y: Pasca = N/m2
ρ: gr/cm3, Kg/m3
2. Las ondas longitudinales transmitidas en un fluido tienen una
velocidad que se determina a partir de
Donde β es módulo de volumen para el fluido y ρ es su densidad volumétrica.
ρ= masa/ volumen = m/V
Unidades:
V: m/s, cm/s
β: Pasca = N/m2
ρ: gr/cm3, Kg/m3
3. Rapidez de una onda sonora reacuerdo a la temperatura en el medio
V= (331m/s). T .
273ºK
INTENSIDAD
La Intensidad es la cantidad de energía acústica que contiene un sonido. La
intensidad viene determinada por la potencia acústica, que a su vez está
determinada por la amplitud y nos permite distinguir si el sonido es fuerte o
débil. Los sonidos que percibimos deben superar el umbral auditivo (0 dB) y no
llegar al umbral de dolor (120 dB). Esta cualidad la medimos con el sonómetro
y los resultados se expresan en decibelios (dB).
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La intensidad sonora es la potencia transferida por una onda sonora a través
de la unidad de área normal a la dirección de la propagación.
La intensidad de una onda sonora es una medida de la potencia transmitida por
unidad de área perpendicular a la dirección de propagación de onda.
Unidades: watio/m2
Si un foco emite ondas en todas direcciones, uniformemente, la energía a una
distancia r del mismo estará distribuida uniformemente sobre una corteza
esférica de área 4πr2. Si la potencia emitida por el foco es Pm, se denomina
intensidad de potencia por unidad de área a una distancia r del foco que esta
incidiendo normalmente a la dirección de propagación,
Pm
I=
4πr 2
La intensidad de una onda decrece con el cuadrado de la distancia al foco
puntual.
Puede demostrarse que la intensidad de una onda armónica es proporcional al
cuadrado de la amplitud de la presión, Po.
Po 2 ρ: densidad del medio
I=
2 ρv v: velocidad de propagación de la onda en el medio
¿QUE ES UN DECIBELIO DB?
El decibelio es una unidad logarítmica de medida utilizada en diferentes
disciplinas de la ciencia. En todos los casos se usa para comparar una cantidad
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con otra llamada de referencia. Normalmente el valor tomado como referencia
es siempre el menor valor de la cantidad. En algunos casos puede ser un valor
promediado aproximado. En Acústica la mayoría de las veces el decibelio se
utiliza para comparar la presión sonora, en el aire, con una presión de
referencia. Este nivel de referencia tomado en Acústica, es una aproximación al
nivel de presión mínimo que hace que nuestro oído sea capaz de percibirlo. El
nivel de referencia varia lógicamente según el tipo de medida que estemos
realizando. No es el mismo nivel de referencia para la presión acústica, que
para la intensidad acústica o para la potencia acústica. A continuación se dan
los valores de referencia.
Nivel de Referencia para la Presión Sonora (en el aire) = 0.00002 = 2E-5
Pa (rms).
Nivel de Referencia para la Intensidad Sonora (en el aire)=
0.000000000001 = 1E-12 w/m2
Nivel de Referencia para la Potencia Sonora (en el aire) =
0.00000000001 = 1E-12 w
NIVEL DE INTENSIDAD DEL SONIDO (β)
Para el oído humano el umbral de audición, para una frecuencia de 1.000 Hz,
es 10-12 W/m2, y el umbral de dolor es de aproximadamente 1 W/m 2.
Es decir solo es capaz de percibir sonidos cuya intensidad es superior a 10 -12
W/m2 y no soporta sonidos de intensidad superior a 1 W/m2.
Debido al enorme margen de intensidades audibles y a que la sensación
sonora varía con la intensidad de modo no lineal, sino casi de modo
logarítmico, se usa la escala logarítmica para describir el nivel de intensidad
sonora. El nivel de intensidad b se mide en decibelios (db) y se define:
β = 10 log ( I / Io ) decibeles (db)
Donde I es la intensidad del sonido e I0 es un nivel arbitrario de referencia que
se considera como el umbral de audición. I0 = 10-12 W/m2.
Nivel de intensidad de algunos sonidos comunes
β(dB) β (dB)
Umbral de audición 0 Tráfico pesado 70
Respiración normal 10 Fábrica 80
Rumor de hojas 20 Camión pesado 90
Murmullo a 5 m 30 Tren suburbano 100
Biblioteca 40 Ruido de construcción 110
Oficina tranquila 50 Concierto de rock 120 (umbral de dolor)
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Conversación normal 60 Martillo neumático 130
La percepción y tolerancia del ruido por parte del oído tiene un gran
componente de subjetividad, como siempre que se trata de la traducción de
otros fenómenos o situaciones por los sentidos humanos que la variabilidad
individual fundamenta y permite; por esta razón, debe ser tinido en cuenta el
concepto de umbral de estímulo como el valor de la intensidad del estímulo, por
debajo del cual éste no es percibido por el hombre.
UMBRAL DE AUDICIÓN, Es la intensidad mínima de sonido capaz de
impresionar el oído humano. El valor normal se sitúa entre 0 db udiométrico,
equivalentes a 20 micropascales y 25 dB audiométricos
A intensidades de, aproximadamente 70 db, el ruido comienza a tener efectos
psicológicos, sobre todo en tareas que requieren una activación de la atención;
entre 80-90 db, el ruido provoca desórdenes neurovegetativos, reacciones de
estrés y alteraciones de la atención, el descanso y el sueño.
UMBRAL TÓXICO, a los 100-110 db, puede generar lesiones en el oído
medio, destrucción de las células de Corti y llegar a afectar al laberinto.
UMBRAL DE DOLOR: la intensidad máxima de sonido a partir de la cual el
sonido produce en el oído sensación de dolor. Su valor medio se sitúa en torno
a los 120 -130 dB o 100 Pascales.
ESCALA DE DECIBELIOS (Real Academia de Ciencias
Exactas, Físicas y Naturales. Madrid.
Nivel de sonido (en decibelios) Ejemplos de fuentes.
0 Umbral de audición
10 Pisada
30 Conversación suave
40 Cuarto de estar
50 Tráfico ligero
60 Conferencia
70 Tráfico intenso
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80 Timbre
90 Aspiradora
100 Tráfico subterráneo
110 Claxon
120 Explosión de cohete
150 Avión de reacción despegando
180 Motor de un cohete
NIVELES DE PRESIÓN SONORA
PERCEPCIÓN
DECIBELIOS RUIDO AMBIENTAL
SUBJETIVA
0 (Umbral de
audición) SILENCIOSO Estudios de televisión
20
Área residencial (por la
40 noche)
POCO RUIDOSO
80 Conversación a 1 m de
distancia
780 MUY RUIDOSO Calle con tráfico intenso
100 (Umbral tóxico) (Molesto) Interior de un avión DC-6
120 (Umbral del
Claxon de automóvil a 1 m
dolor) INTOLERABLE
Despegue
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EFECTO DOPPLER
El efecto Doppler, llamado así por Christian Andreas Doppler, consiste en la
variación de la longitud de onda de cualquier tipo de onda emitida o recibida
por un objeto en movimiento. Existe un efecto Doppler siempre que hay un
movimiento relativo entre la fuente y el observador.
.
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Álgebra del efecto Doppler en ondas sonoras
Caso 1: El observador se mueve y la fuente se encuentra en reposo.
a) Cuando el observador O se acerca hacia una fuente S que se
encuentra en reposo.
El medio es aire y se encuentra en reposo. El observador O comienza a
desplazarse hacia la fuente con una velocidad vo. La fuente de sonido emite un
sonido de velocidad v, frecuencia f y longitud de onda λ. Por lo tanto, la
velocidad de las ondas respecto del observador no será la v del aire, sino la
siguiente:
. Sin embargo, no debemos olvidar que como el medio no cambia,
la longitud de onda será la misma, por lo tanto si:
Pero como mencionamos en la primera explicación de este efecto, el
observador al acercarse a la fuente oirá un sonido más agudo, esto implica que
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su frecuencia es mayor. A esta frecuencia mayor captada por el observador se
la denomina frecuencia aparente y la simbolizaremos con f'.
v + vo
f ´= f ( )
v
El observador escuchará un sonido de mayor frecuencia debido a que
b) cuando el observador O se aleja de una fuente S que se encuentra en
reposo.
Cuando el observador se aleje de la fuente, la velocidad v' será v' = v − vo y de
manera análoga podemos deducir que:
.
v − vo
f ´= f ( )
v
En este caso la frecuencia aparente percibida por el observador será menor
que la frecuencia real emitida por la fuente, lo que genera que el observador
perciba un sonido de menor altura o más grave.
De estas dos situaciones concluimos que cuando un observador se mueve con
respecto a una fuente en reposo, la frecuencia aparente percibida por el
observador es:
v ± vo
f ´= f ( )
v
Caso 2: El observador O se encuentra en reposo y la fuente S se mueve.
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a) Cuando la fuente se acerca hacia el observador
Cuando la fuente se desplace hacia el observador, los frentes de onda estarán
más cerca uno del otro. En consecuencia, el observador percibe sonidos con
una menor longitud de onda. Esta diferencia de longitud de onda puede
expresarse como:
Por tanto, la longitud de onda percibida será:
Como se puede deducir que:
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v
f ´= f ( )
v − vs
b) Cuando la fuente se aleja hacia el observador
Haciendo un razonamiento análogo para el caso contrario (fuente alejándose),
v
f ´= f ( )
v + vs
Se puede concluir que la frecuencia percibida por un observador en reposo con
una fuente en movimiento será:
v
f ´= f ( )
v vs
Cuando la fuente se acerque al observador se pondrá un (-) en el denominador,
y cuando la fuente se aleje se lo reemplazará por un (+).
Caso 3: Observador y fuente en movimiento
Al terminar de leer lo anteriormente expuesto surge la siguiente pregunta: ¿Qué
pasará si la fuente y el observador se mueven al mismo tiempo? En este caso
particular se aplica la siguiente fórmula, que no es más que una combinación
de las dos:
Los signos y deben ser respetados de la siguiente manera. Si en el
numerador se suma, en el denominador debe restarse y viceversa.
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