EL SONIDO Katheryn Forero Ruiz Institución Educativa María Madre de la Iglesia San Martin Meta, Colombia
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AbstractThis document talks about sound waves which are disturbances in space, an environment that can occur and propagate those shocks. The physical origin of the waves is not the same for all, is why the differences in the origin of the waves producing properties that characterize each wave, manifesting different effects on the environment in which they propagate. Therefore try to wave types there is, according to different aspects: the average propagation direction of the disturbance and periodicity in this high lighting every aspect of sound waves or also called sound waves. KEY WORDS: disturbance, elements, properties, classification, echo, Doppler efect. RESUMEN: este documento se habla sobre las ondas del sonido las cuales son perturbaciones en el espacio, un medio en el que pueden producirse y propagarse dichas perturbaciones. El origen físico de las ondas no es el mismo para todas, es por ello que las diferencias en el origen de las ondas producen ciertas propiedades que caracterizan cada onda, manifestando distintos efectos en el medio en que se propagan. Por tal motivo trataremos de los tipos de ondas que existen saber, atendiendo a diferentes aspectos como: el medio, propagación, dirección de la perturbación y periodicidad en esto resaltando cada aspecto del las ondas del sonido o también llamadas ondas sonoras.
PALABRAS CLAVES: perturbación, elementos, propiedades, clasificación, eco, efecto doppler.
INTRODUCCION Desde siempre el ser humano ha tratado de averiguar el sentido de todas; desde el porqué de la lluvia, la naturaleza, hasta el cuando terminan las cosas. El sonido o las ondas como tal no serian la excepción pues siempre nos ha intrigado de donde viene eso que llamamos sonido. Muchos experimentos y conceptos se han escrito y practicado para hallar la respuesta a innumerables preguntas la cuales han llevado a este descubrimiento, el cual va avanzando y a medida del tempo adquiere mas conocimientos e importancias, así que en este trabajo mencionaremos dichos descubrimientos, conceptos y conocimientos encontrados sobre el sonido a lo largo del tiempo. El término sonido se usa de dos formas distintas. Los
fisiólogos definen el sonido en término de las sensaciones auditivas producidas por perturbaciones longitudinales en el aire. Para ellos, el sonido no existe en un planeta distante. En física, por otra parte, nos referimos a las perturbaciones por sí mismas y no a las sensaciones que producen.
EL SONIDO Una onda es una perturbación que avanza o que se propaga en un medio material o incluso en el vacío. A pesar de la naturaleza diversa de las perturbaciones que pueden originarlas, todas las ondas tienen un comportamiento semejante. El sonido es un tipo de onda que se propaga únicamente en presencia de un medio que haga de soporte de la perturbación. Los conceptos generales sobre ondas sirven para describir el sonido, pero, inversamente, los fenómenos sonoros permiten comprender mejor algunas de las características del comportamiento ondulatorio.
Producción y propagación 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. Las ondas que se propagan a lo largo de un
muelle como consecuencia constituyen un modelo de ondas mecánicas que se asemeja bastante a la forma en la que el sonido se genera y se propaga. Las ondas sonoras se producen también como consecuencia de una compresión del medio a lo largo de la dirección de propagación. Son, por tanto, ondas longitudinales.
Donde
son respectivamente la presión de inicial del
fluido y la sobrepresión máxima que ocasiona el paso de la onda. En el caso de las ondas sonoras ordinarias, casi siempre son la superposición de ondas de diferentes frecuencias y longitudes de onda, y forman pulsos de duración finita. Para estas ondas sonoras
Fig 1. Sonido del timbre sin medio de propagación.
Además,
los
fluidos
sólo
pueden
transmitir
la velocidad de fase no coincide con la velocidad de grupo o movimientos
ondulatorios en que la vibración de las partículas se da en dirección paralela a la velocidad de propagación o lo largo de la dirección de propagación. Así los gradientes de presión que acompañan a la propagación de una onda sonora se producen en la misma dirección de propagación de la onda, siendo por tanto éstas un tipo de ondas longitudinales (en los sólidos también pueden propagarse ondas elásticas transversales).
velocidad de propagación del pulso. La velocidad de fase es diferente para cada frecuencia y depende al igual que antes de la relación c=ν• λ. El hecho de que la velocidad de fase sea diferente para cada frecuencia, es responsable de la distorsión del sonido a grandes distancias.
Velocidad del Sonido: El sonido se propaga 10 veces más rápido en un medio solido que en uno gaseoso o liquido.
Propagación en medios Las ondas sonoras se desplazan también en tres dimensiones y sus frentes de onda en medios isótropos son esferas concéntricas que salen desde el foco de la perturbación en todas las direcciones. Por esto son ondas esféricas. Los cambios de presión p2 que tienen lugar al paso de una onda sonora tridimensional de frecuencia ν y longitud de onda λ en un medio isótropo y en reposo vienen dados por la ecuación diferencial:
Fig 2. ondas sonoras generadas por un avión poseen velocidad menor a la del sonido
Fig 3. El sonido en un metal.
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 de 331 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 ondulatoria. Las siguientes relaciones se basan en estas proporciones. Para las ondas sonoras longitudinales en un alambre o varilla, la velocidad de onda está dada por
donde r es la distancia al centro emisor de la onda, y c=ν•λ es la velocidad de propagación de la onda. La solución de la ecuación, a grandes distancias de la fuente emisora se puede escribir como:
Fig 8. Ondas longitudinales en un gas
Pero para un gas ideal
Fig 4. Velocidad de una onda sonora en un alambre.
Y es el módulo de Young para el sólido y p es su densidad. Esta relación es sólo para varillas con diámetros pequeños en comparación con las longitudes de las ondas sonoras longitudinales que se propagan a través de ellas. En un sólido, la velocidad de la onda longitudinal es función del módulo de corte S, el módulo de volumen B, y la intensidad p del medio. La velocidad de la onda se puede calcular a partir de
Fig 9. Ondas en un gas ideal
R = constante universal de los gases T = temperatura absoluta del gas M = masa molecular del gas Sustituyendo la ecuación nos queda
Fig 5. Velocidad de la onda longitudinal en un sólido.
Las ondas longitudinales transmitidas en un fluido tienen una velocidad que se determina a partir de
Fig 10. Ecuación final de los gases
Intensidad: B es módulo de volumen para el fluido y p es su densidad.
Fig 6. Velocidad de la onda longitudinal en un fluido Para calcular la velocidad del sonido en un gas, el módulo de volumen está dado por
Fig 7. Velocidad de un gas
donde y es la constante (y = 1.4 para el aire y los gases diatómicos) y P es la presión del gas. Por lo tanto, la velocidad de las ondas longitudinales en un gas, partiendo de la ecuación del fluido, está dada por
La intensidad del sonido percibido, o propiedad que hace que éste se capte como fuerte o como débil, está relacionada con la intensidad de la onda sonora correspondiente, también llamada intensidad acústica. La intensidad acústica es una magnitud que da idea de la cantidad de energía que está fluyendo por el medio como consecuencia de la propagación de la onda. Se define como la energía que atraviesa una superficie. Equivale a una potencia por unidad de superficie y se expresa en W/m 2. La intensidad de una onda sonora es proporcional al cuadrado de su frecuencia y al cuadrado de su amplitud y disminuye con la distancia al foco. La magnitud de la sensación sonora depende de la intensidad acústica, pero también depende de la sensibilidad del oído. El intervalo de intensidades acústicas que va desde el umbral de audición, o valor mínimo perceptible, hasta el umbral del dolor La intensidad o sensación sonora de un sonido se mide en decibelios (dB). Por ejemplo, el umbral de la audición está en 0 dB, la intensidad de un susurro corresponde a unos 10 dB y el ruido de las olas en la costa a unos 40 dB. La escala de sensación sonora es logarítmica, lo que significa que un aumento de 10 dB corresponde a una intensidad 10 veces mayor por ejemplo, el ruido de las olas en la costa es 1.000 veces más intenso que un susurro, lo que equivale a un aumento de 30 dB. La conversión entre intensidad y decibelios sigue esta ecuación:
Fig 11. Ecuación intensidad del sonido.
Donde I0 =10-12 W/m2 y corresponde a un nivel de 0 decibelios por tanto. El umbral del dolor corresponde a una intensidad de 1 W/m2 o 120 dB. Esto significa que una intensidad acústica de 10 decibelios corresponde a una energía diez veces mayor que una intensidad de cero decibelios; una intensidad de 20 dB representa una energía 100 veces mayor que la que corresponde a 0 decibelios y así sucesivamente. 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.
En la práctica, la unidad de 1 B es demasiado grande. Para obtener una unidad más util, se define el decibel (dB) como un décimo del bel. Por lo tanto, la respuesta al ejemplo también se puede expresar como 76.8 dB. Usando la intensidad I0 como patrón de comparación para todas las intensidades, es posible establecer una escala general para valorar cualquier sonido. El nivel de intensidad en decibeles de cualquier sonido de intensidad I puede calcularse a partir de la relación general. Fig 12. Representación intensidad sonora en dirección a la propagación.
Umbral de audición representa el patrón de la intensidad mínima para que un sonido sea audible. Su valor a una frecuencia de 1000 Hz es: I0 = 1 x 10-2 W/m2 = 1 x 10-10 ?W/cm2 El umbral del dolor representa la intensidad máxima que el oído promedio puede registrar sin sentir dolor. Su valor es: 1p = 1 W/m2 = 100 ?W/cm2 Cuando se compara la intensidad de dos sonidos, nos referimos a la diferencia entre niveles de intensidad dada
Fig 13. Ecuación intensidad de dos sonidos
I, es la unidad de un sonido e I2 es la intensidad del otro. Ejemplo[1]
Fig 14. Relación general decibeles
Io es la intensidad del umbral de audición (1 x 10-12 W/m2). El nivel de intensidad para I0 es de cero decibeles.
Tono: El efecto de la intensidad en el oído humano se manifiesta como volumen. Las ondas sonoras que son más intensas son también de mayor volumen, pero el oído no es igualmente sensible a sonidos de todas las frecuencias. Por lo tanto, un sonido de alta frecuencia puede ni parecer tan alto como uno de menor frecuencia que tenga la misma intensidad. La frecuencia de un sonido determina lo que el oído juzga como el tono del sonido. Es la cualidad del sonido mediante la cual el oído le asigna un lugar en la escala musical, permitiendo, por tanto, distinguir entre los graves y los agudos. La magnitud física que está asociada al tono es la frecuencia. Los sonidos percibidos como graves corresponden a frecuencias bajas, mientras que los agudos son debidos a frecuencias
altas. Así el sonido más grave de una guitarra corresponde a una frecuencia de 82,4 Hz y el más agudo a 698,5 Hz.
Fig 15. Demostración de la relación entre tono y frecuencia.
Fig 16. Ilustración del efecto Doppler.
No todas las ondas sonoras pueden ser percibidas por el oído humano, el cual es sensible únicamente a aquellas cuya frecuencia está comprendida entre los 20 y los 20 000 Hz. En el aire dichos valores extremos corresponden a longitudes de onda que van desde 16 metros hasta 1,6 centímetros respectivamente.
Las ondas frente a una fuente en movimiento están más cercanas entre sí que las ondas que se propagan detrás de la fuente móvil.
Timbre: Permite distinguir sonidos procedentes de diferentes instrumentos, aun cuando posean igual tono e intensidad. Debido a esta misma cualidad es posible reconocer a una persona por su voz, que resulta característica de cada individuo. Pocas veces las ondas sonoras corresponden a sonidos puros, sólo los diapasones generan este tipo de sonidos, que son debidos a una sola frecuencia y representados por una onda armónica. Los instrumentos musicales, por el contrario, dan lugar a un sonido más rico que resulta de vibraciones complejas. Cada vibración compleja puede considerarse compuesta por una serie de vibraciones armónico simples de una frecuencia y de una amplitud determinadas, cada una de las cuales, si se considerara separadamente, daría lugar a un sonido puro. Esta mezcla de tonos es característica de cada instrumento y define su timbre.
Efecto Doppler: Siempre que una fuente sonora se mueve en relación con un oyente, el tono del sonido, como lo escucha el observador, puede no ser el mismo que el que percibe cuando la fuente está en reposo. Por ejemplo, si uno está cerca de la vía del ferrocarril y escucha el silbato del tren al aproximarse, se da cuenta que el tono del silbido es más alto que el normal que se escucha cuando el tren está detenido. A medida que el tren se aleja, se observa que el tono que se escucha es más bajo que el normal. En forma similar, en las pistas de carreras, el sonido de los automóviles que se acercan a la gradería es considerablemente más alto en tono que el sonido de los autos que se alejan de la gradería.
CONCLUSIONES Este paper busca dar a conocer todos los aspectos referentes a las ondas sonoras. Y en esta búsqueda llegamos a que: Las ondas sonoras son vibraciones. Para su propagación necesita un medio elástico. Sonido audible es el que corresponde a las ondas sonoras en un intervalo de frecuencias de 20 a 20 000 Hz. Las ondas sonoras que tienen frecuencias por debajo del intervalo audible se denominan infrasónicas. Las ondas sonoras que tienen frecuencias por encima del intervalo audible se llaman ultrasónicas. Los sonidos audibles usan los términos, fuerza, tono y calidad (timbre) para describir las sensaciones producidas. El físico intenta correlacionar los efectos sensoriales con las propiedades físicas de las ondas. Estas correlaciones se resumen en la siguiente forma: Efectos sensoriales Propiedad física Intensidad acústica (Volumen) Intensidad Tono Frecuencia Timbre (Calidad) Forma de la onda Las ondas sonoras constituyen un flujo de energía a través de la materia. La intensidad de una onda sonora es una medida de la razón a la cual la energía se propaga a través de un cierto volumen.
Referencias:
Física Experimental 10, 11, Santillana Hablemos del sonido, Marcos Heinz El sonido y sus cualidades, Carlos Acevedo Las Ondas, Palermo.
