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Transductores de sonido

Generalidades sobre el sonido, transductores, efectos y aplicaciones.

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Tranductores de Sonido

       meneses
El Sonido
• El sonido es una onda mecánica que se
  propaga de forma longitudinal.
• El sonido es un tipo de onda que se
  propaga únicamente en presencia de un
  medio que haga de soporte de la
  perturbación
• Una onda sonora es una oscilación en la
  presión del medio.
Características del Sonido
• Definición: Una perturbación que se
  propaga a través de un medio elástico a
  una velocidad determinada por la
  composición de este.
• El sonido usualmente es producido por la
  radiación proveniente de una superficie
  vibrante o por las perturbaciones en un
  fluido.
El oído humano
• El oído humano constituye el último eslabón de
  la cadena sonora: convierte las ondas sonoras
  en señales eléctricas que se transmiten por el
  nervio acústico hasta el cerebro, en donde el
  sonido es interpretado.
El Oído Humano: El sentido del equilibrio también
reside en el oído interno. Se encarga de la percepción
     de la posición de la cabeza y su movimiento.
Rango de frecuencias sonoras
                                                  Rango Audible (seres humanos)                                             ultrasonido
      infrasonidos



  0                  20Hz                                                                                          20 KHz                 frecuencia (Hz)
                                                      3.4 KHz
                            300Hz

                                          canal
                                    telefónico


                                                                             Frecuencias relacionadas con sonido
El audiómetro
• El audiómetro es
  un       dispositivo
  usado     por     los
  especialistas para
  medir la relatividad
  de la pérdida de la
  audición en una
  persona.
En ondas longitudinales, como las del sonido,
la dirección de propagación de la onda es igual
   a la dirección de propagación de la energía
Presión
Variación de la Presión del Aire
Compresiones: Regiones de Alta presión de
 aire

Rarefacciones: Regiones de Baja presión
 de aire
Ondas de Sonido
• La perturbación de sonido viaja en el medio.
  Hay transporte de energía pero no hay
  transferencia neta de masa.

• Cada partícula en el fluido se mueve hacia
  delante y hacia atrás alrededor de una posición.

• En general las ondas de sonido en cualquier
  medio pueden ser una mezcla de ondas
  longitudinales y de cizalla dependiendo
  principalmente de las condiciones de frontera.
Onda longitudinal
•     Es la forma más simple de onda, también es
    llamada compresional, en esta la oscilación de
    las partículas se da en la misma dirección del
    transporte de la energía.

• Este es el mecanismo predominante en fluidos
  y gases ya que en estos los esfuerzos de cizalla
  son despreciables.
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• El movimiento de las partículas es ortogonal
  (perpendicular) a la dirección en la que se
  propaga la perturbación (y la energía). En los
  sólidos, se pueden tener ondas de cizalla y
  ondas torsionales
• Las ondas de agua son una mezcla de ondas
  longitudinales y de cizalla.
Tipos de Sonidos
Intensidad
• Intensidad (o Volumen)
Es la fuerza relativa de las desviaciones en la
  presión del aire creadas por el objeto vibrante.
  La intensidad mide la cantidad de potencia pro
  metro cuadrado.

• Decibel (dB)
La unidad logarítmica utilizada para medir la
  intensidad percibida de un sonido.(Alexander G.
  Bell)
• El Umbral de audición es 0 dB.
• El umbral de dolor es 120 dB aproximadamente
Timbre
• TIMBRE o COLOR del TONO
Propiedad del sonido que nos permite diferenciar
  entre dos instrumentos diferentes como el de un
  saxofón y una flauta. El timbre es la cualidad
  percibida del sonido. Los timbres diferentes se
  presentan porque los sonidos escuchados a una
  frecuencia especifica en realidad contienen
  otras frecuencias.
Velocidad del sonido
• El sonido es una onda longitudinal que se
  transmite a través de un sólido, un líquido
  o un gas. (Su velocidad depende del
  medio)

• La velocidad del sonido en el aire, al nivel
  del mar y a temperatura ambiente (20° C)
  es de 343 m/s.
Velocidad del Sonido
Para una onda longitudinal en un medio el sonido
  tiene una velocidad v

                       v² = E / ρ
E: Modulo de Young para un sólido, este se
   reemplaza por el modulo de compresión B para un
   fluido.
B: -V * dp/dV (cambio fraccional del volumen debido al
   cambio en la presión aplicada).
ρ: Densidad del material
Velocidad del Sonido
• En gases normales, a frecuencias
  audibles, las fluctuaciones de presión
  ocurren esencialmente bajo condiciones
  adiabáticas (no hay transferencia de calor
  entre partículas de gas adyacentes).
Velocidad del Sonido en Gases

                v=        γP                         γ =Cp/Cv=1.4 para el aire
                          ρ
                                P= ρ RT (Ley de los Gases Ideales)



                                                                                 (Temperatura en
para el aire:
                     V=       γ RT          =20.05                     T           grados Kelvin)
Influencia del Medio
Dependiendo del medio de propagación, la velocidad del
  sonido puede variar con la frecuencia.
Medios No Dispersivos: la velocidad del sonido
 es independiente de la frecuencia, por lo tanto la
 velocidad en el transporte de energía y de
 propagación del sonido es la misma. Ej: El aire.

Medios Dispersivos: la velocidad es función de la
 frecuencia, la distribución temporal y espacial de
 la perturbación que se propaga varía
 continuamente. Cada componente de frecuencia
 se propaga a su propia velocidad de fase
 mientras que la energía de la perturbación se
 propaga a la velocidad de grupo. Ej: El agua.
Refracción
La refracción de las ondas involucra un
  cambio en la dirección cuando estas
  pasan de un medio a otro. La refracción o
  curvamiento de la trayectoria de las ondas
  está acompañada por un cambio en la
  velocidad y en la longitud de las ondas.
Este fenómeno es mas evidente cuando el sonido pasa a
   través de un medio con propiedades gradualmente
                       variables
Esto pasa cuando el sonido
  viaja por encima del
  agua.           El      aire
  directamente por encima
  de la superficie del agua
  es un poco mas fresco
  que el aire ubicado a
  mayor altura. Las ondas
  de sonido tienden a ser
  mas lentas en aire mas
  fresco que en el aire tibio,
  por esta razón el sonido
  directamente por encima
  de la superficie se curva
  hacia abajo.
Tipos de Sonido y Frecuencias
Efectos de los Infrasonidos
• 0,1 - 10 Hz: Deficiencias de movimiento.
• 1 - 100 Hz: Dificultad de respiración y
  habla.
• 4 - 100 Hz: Resonancias en el cuerpo.
• 4 - 800 Hz: Pérdida de visión.
• 2 - 1000 Hz: Bajo rendimiento en el
  trabajo
Efectos de los Infrasonidos
• Infrasonidos con una intensidad superior a 180 dB:
  provocan desgarro de los alvéolos pulmonares e,
  incluso, la muerte.
• Infrasonidos con una intensidad comprendida entre 140
  y 150 dB: (ejemplo: lanzamiento de cohetes). Con un
  tiempo de exposición menor a dos minutos, su efecto es
  casi nulo para personas en buen estado físico.
• Infrasonidos con una intensidad comprendida entre 120
  y 140 dB: Después de mucho tiempo expuesto a estas
  ondas aparecen perturbaciones fisiológicas y fatiga.
  Ejemplos pueden ser un automovilista o un aviador
  cuyos vehículos son fuentes artificiales de infrasonidos.
• Infrasonidos con una intensidad menor a 120 dB: No se
  conoce muy bien su acción a estos niveles pero una
  exposición de unos pocos minutos (unos 30 más o
  menos) no produce daño alguno.
                            •
Decibeles Acústicos:
Intensidad del Sonido
Sound Pressure Level (SPL)
Sonómetro
• Instrumento que mide
  el nivel de presión
  sonora, en decibeles,
  de forma directa
• Si además es capaz
  de          promediar
  linealmente       los
  valores de la presión
  hablamos          del
  sonómetro integrador
Diagrama de bloques de un
           sonómetro
• Filtros y Rectificador: Realizan las ponderaciones
  necesarias para compensar la diferencia de
  sensibilidad del oído a las distintas frecuencias
• Convertidor:       Obtiene el valor de la señal
  integrando la señal para amplios periodos de tiempo
  de forma que la lectura sea significativa, cuando los
  niveles de ruido son fluctuantes
El Eco
Eco-localización
Eco-localización (echolocation) es un
  método de orientación sensorial
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aplicación: Detección de Tsunamis
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Referencias
•   http://www.ehu.es/acustica/espanol/fisiologia1
•   http://www.bksv.com/Library/Primers.aspx
•   http://www.uhu.es/ondas/proguia/contondas/co
•   www.lg.ehu.es./acústica
•   http://www.finemech.com/tech_resources/
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Transductores de sonido

  • 2. El Sonido • El sonido es una onda mecánica que se propaga de forma longitudinal. • El sonido es un tipo de onda que se propaga únicamente en presencia de un medio que haga de soporte de la perturbación • Una onda sonora es una oscilación en la presión del medio.
  • 3. Características del Sonido • Definición: Una perturbación que se propaga a través de un medio elástico a una velocidad determinada por la composición de este. • El sonido usualmente es producido por la radiación proveniente de una superficie vibrante o por las perturbaciones en un fluido.
  • 4. El oído humano • El oído humano constituye el último eslabón de la cadena sonora: convierte las ondas sonoras en señales eléctricas que se transmiten por el nervio acústico hasta el cerebro, en donde el sonido es interpretado.
  • 5. El Oído Humano: El sentido del equilibrio también reside en el oído interno. Se encarga de la percepción de la posición de la cabeza y su movimiento.
  • 6. Rango de frecuencias sonoras Rango Audible (seres humanos) ultrasonido infrasonidos 0 20Hz 20 KHz frecuencia (Hz) 3.4 KHz 300Hz canal telefónico Frecuencias relacionadas con sonido
  • 7. El audiómetro • El audiómetro es un dispositivo usado por los especialistas para medir la relatividad de la pérdida de la audición en una persona.
  • 8. En ondas longitudinales, como las del sonido, la dirección de propagación de la onda es igual a la dirección de propagación de la energía
  • 10. Variación de la Presión del Aire Compresiones: Regiones de Alta presión de aire Rarefacciones: Regiones de Baja presión de aire
  • 11. Ondas de Sonido • La perturbación de sonido viaja en el medio. Hay transporte de energía pero no hay transferencia neta de masa. • Cada partícula en el fluido se mueve hacia delante y hacia atrás alrededor de una posición. • En general las ondas de sonido en cualquier medio pueden ser una mezcla de ondas longitudinales y de cizalla dependiendo principalmente de las condiciones de frontera.
  • 12. Onda longitudinal • Es la forma más simple de onda, también es llamada compresional, en esta la oscilación de las partículas se da en la misma dirección del transporte de la energía. • Este es el mecanismo predominante en fluidos y gases ya que en estos los esfuerzos de cizalla son despreciables.
  • 13. Onda de Cizalla • El movimiento de las partículas es ortogonal (perpendicular) a la dirección en la que se propaga la perturbación (y la energía). En los sólidos, se pueden tener ondas de cizalla y ondas torsionales • Las ondas de agua son una mezcla de ondas longitudinales y de cizalla.
  • 15. Intensidad • Intensidad (o Volumen) Es la fuerza relativa de las desviaciones en la presión del aire creadas por el objeto vibrante. La intensidad mide la cantidad de potencia pro metro cuadrado. • Decibel (dB) La unidad logarítmica utilizada para medir la intensidad percibida de un sonido.(Alexander G. Bell) • El Umbral de audición es 0 dB. • El umbral de dolor es 120 dB aproximadamente
  • 16. Timbre • TIMBRE o COLOR del TONO Propiedad del sonido que nos permite diferenciar entre dos instrumentos diferentes como el de un saxofón y una flauta. El timbre es la cualidad percibida del sonido. Los timbres diferentes se presentan porque los sonidos escuchados a una frecuencia especifica en realidad contienen otras frecuencias.
  • 17. Velocidad del sonido • El sonido es una onda longitudinal que se transmite a través de un sólido, un líquido o un gas. (Su velocidad depende del medio) • La velocidad del sonido en el aire, al nivel del mar y a temperatura ambiente (20° C) es de 343 m/s.
  • 18. Velocidad del Sonido Para una onda longitudinal en un medio el sonido tiene una velocidad v v² = E / ρ E: Modulo de Young para un sólido, este se reemplaza por el modulo de compresión B para un fluido. B: -V * dp/dV (cambio fraccional del volumen debido al cambio en la presión aplicada). ρ: Densidad del material
  • 19. Velocidad del Sonido • En gases normales, a frecuencias audibles, las fluctuaciones de presión ocurren esencialmente bajo condiciones adiabáticas (no hay transferencia de calor entre partículas de gas adyacentes).
  • 20. Velocidad del Sonido en Gases v= γP γ =Cp/Cv=1.4 para el aire ρ P= ρ RT (Ley de los Gases Ideales) (Temperatura en para el aire: V= γ RT =20.05 T grados Kelvin)
  • 21. Influencia del Medio Dependiendo del medio de propagación, la velocidad del sonido puede variar con la frecuencia. Medios No Dispersivos: la velocidad del sonido es independiente de la frecuencia, por lo tanto la velocidad en el transporte de energía y de propagación del sonido es la misma. Ej: El aire. Medios Dispersivos: la velocidad es función de la frecuencia, la distribución temporal y espacial de la perturbación que se propaga varía continuamente. Cada componente de frecuencia se propaga a su propia velocidad de fase mientras que la energía de la perturbación se propaga a la velocidad de grupo. Ej: El agua.
  • 22. Refracción La refracción de las ondas involucra un cambio en la dirección cuando estas pasan de un medio a otro. La refracción o curvamiento de la trayectoria de las ondas está acompañada por un cambio en la velocidad y en la longitud de las ondas.
  • 23. Este fenómeno es mas evidente cuando el sonido pasa a través de un medio con propiedades gradualmente variables Esto pasa cuando el sonido viaja por encima del agua. El aire directamente por encima de la superficie del agua es un poco mas fresco que el aire ubicado a mayor altura. Las ondas de sonido tienden a ser mas lentas en aire mas fresco que en el aire tibio, por esta razón el sonido directamente por encima de la superficie se curva hacia abajo.
  • 24. Tipos de Sonido y Frecuencias
  • 25. Efectos de los Infrasonidos • 0,1 - 10 Hz: Deficiencias de movimiento. • 1 - 100 Hz: Dificultad de respiración y habla. • 4 - 100 Hz: Resonancias en el cuerpo. • 4 - 800 Hz: Pérdida de visión. • 2 - 1000 Hz: Bajo rendimiento en el trabajo
  • 26. Efectos de los Infrasonidos • Infrasonidos con una intensidad superior a 180 dB: provocan desgarro de los alvéolos pulmonares e, incluso, la muerte. • Infrasonidos con una intensidad comprendida entre 140 y 150 dB: (ejemplo: lanzamiento de cohetes). Con un tiempo de exposición menor a dos minutos, su efecto es casi nulo para personas en buen estado físico. • Infrasonidos con una intensidad comprendida entre 120 y 140 dB: Después de mucho tiempo expuesto a estas ondas aparecen perturbaciones fisiológicas y fatiga. Ejemplos pueden ser un automovilista o un aviador cuyos vehículos son fuentes artificiales de infrasonidos. • Infrasonidos con una intensidad menor a 120 dB: No se conoce muy bien su acción a estos niveles pero una exposición de unos pocos minutos (unos 30 más o menos) no produce daño alguno. •
  • 29. Sonómetro • Instrumento que mide el nivel de presión sonora, en decibeles, de forma directa • Si además es capaz de promediar linealmente los valores de la presión hablamos del sonómetro integrador
  • 30. Diagrama de bloques de un sonómetro • Filtros y Rectificador: Realizan las ponderaciones necesarias para compensar la diferencia de sensibilidad del oído a las distintas frecuencias • Convertidor: Obtiene el valor de la señal integrando la señal para amplios periodos de tiempo de forma que la lectura sea significativa, cuando los niveles de ruido son fluctuantes
  • 33. Eco-localización (echolocation) es un método de orientación sensorial utilizado por diferentes especies animales
  • 40. Comunicaciones submarinas (Underwater acoustic communications), ejemplo de aplicación: Detección de Tsunamis
  • 42. Medición de Flujo con Ultrasonido
  • 43. Medición de Distancia con Ultrasonido
  • 47. Aplicaciones de los sensores de ultrasonido
  • 52. Otras aplicaciones • Limpieza de material médico • Corte con ultrasonido • Detección de fisuras en metales, tuberías, etc. • Medición de velocidad
  • 58. Señal de Habla Humana
  • 59. Referencias • http://www.ehu.es/acustica/espanol/fisiologia1 • http://www.bksv.com/Library/Primers.aspx • http://www.uhu.es/ondas/proguia/contondas/co • www.lg.ehu.es./acústica • http://www.finemech.com/tech_resources/ ultrasound_applications.html