Percepción Humana del Sonido

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1 2do Medio > Física Sonido y sensación auditiva Percepción Humana del Sonido Piensa y explica: Los ultrasonidos y los infrasonidos son ondas sonoras que el ser humano es incapaz de percibir. Los ultrasonidos son ondas sonoras de alta frecuencia que utilizan, por ejemplo, los delfines y los murciélagos para orientarse y comunicarse. Gracias a la propiedad de reflexión, los ultrasonidos son utilizados en medicina para visualizar órganos internos y fetos mediante ecografías. Los infrasonidos también son ondas sonoras, pero de baja frecuencia, utilizado en la comunicación de animales grandes, como los elefantes. También los infrasonidos son generados en fenómenos naturales como erupciones volcánicas, tornados y terremotos. Camila y Francisco se encuentran en el patio de su colegio, cuando éste último le pregunta: Por qué no somos capaces de oír los ultrasonidos y los infrasonidos??... no estoy segura La cóclea es una estructuta con forma de caracol situada en el oído interno, que transforma las vibraciones mecánicas en impusos eléctricos nerviosos que son dirigidos al cerebro. Qué sabes o piensas tú? Escribe aquí tu predicción. Consúltalo: Investiga en internet sobre el concepto de contaminación acústica y los niveles establecidos en la norma chilena sobre dosis diarias de ruido.

2 Red conceptual A continuación te presentamos una red conceptual donde se muestran los principales conceptos que estudiaremos a los largo de este módulo. Qué reforzaré? Este módulo tiene como objetivo sintetizar y reforzar los elementos conceptuales relacionados con la capacidad del sistema auditivo del ser humano y las variables físicas del sonido. Características de las ondas Recordemos que el sonido es una onda que se propaga tanto por el espacio (a través de un medio material) como por el tiempo. Las ondas de todo tipo tienen características que las hacen distintas unas de otras, como por ejemplo, su frecuencia, amplitud y longitud de onda. Como sabes, también las ondas tienen naturaleza transversal y longitudinal, característica que nos dice en qué dirección oscilan las partículas del medio con respecto a su dirección de movimiento; si es en la misma dirección se dice que la onda es longitudinal, mientras que si es perpendicular la onda será transversal. A través de la figura de la derecha, fíjate como cambia de aspecto una onda transversal respecto a otra longitudinal cambiando la dirección de oscilación de la mano. 2

3 Amplitud y rapidez de una onda La representación más sencilla de una onda la podemos hacer a través del análisis descriptivo de un movimiento armónico simple (M.A.S.) de un objeto que oscila por medio de un resorte, sin embargo, su estudio analítico está fuera del alcance de este módulo. Al colgar un cuerpo en el extremo de un resorte ideal, éste comenzará a oscilar indefinidamente en dirección vertical a través de una posición de equilibro (que corresponde al eje X de la figura derecha). Este movimiento oscilatorio -de sube y baja- en el tiempo se le conoce como movimiento armónico simple. Si pudiéramos amarrar un marcador o lápiz (en vez de un cuerpo cualquiera) en el extremo del resorte y además hacemos correr una cinta de papel por detrás con una rapidez constante de manera que el lápiz raye el papel mientras oscile, en éste quedará registrado una onda transversal, tal como lo puedes ver en la imagen superior. Podemos aventurarnos en decir que se trata de una onda transversal, porque el lápiz oscila perpendicular al movimiento de propagación de la onda registrada. Si te fijas en la parte A de la figura inferior, se le ha conectado a un resorte un cuerpo en uno de sus extremos. Si se tira hacia abajo levemente el cuerpo desde su posición de equilibrio (eje horizontal) y luego lo soltamos, éste comenzará a oscilar indefinidamente alrededor de su posición de equilibrio. La elongación máxima de resorte justo antes de soltar el cuerpo se denomina amplitud de oscilación. Dicha amplitud tiene unidad de medida de longitud y su valor es constante en el tiempo para el caso de un resorte ideal. Si en vez de estirar el cuerpo hacia abajo levemente, ocupamos más energía y lo hacemos produciendo un gran estiramiento (onda B), la amplitud de la onda generada será mayor. De esto se concluye que, la energía de una onda sonora tiene directa relación con su amplitud; mientras mayor es la amplitud de onda, mayor será la energía de esta (onda A). Las partes más altas de la onda se denominan crestas y las partes más bajas se denominan valles. La distancia entre dos crestas o dos valles, o bien, dos puntos consecutivos de la onda se denomina longitud de onda. Una oscilación será lenta o rápida en virtud de otra característica denominada frecuencia de onda f medida en Hertz (Hz), que se define como el número de oscilaciones de la onda por segundo de tiempo. 3

4 Lo que tarda la onda en completar un ciclo u oscilación se denomina período de onda T y se mide en segundos. La frecuencia y el período se relacionan matemáticamente de la siguiente forma f. T La imagen de la izquierda muestra una onda generada por un oscilador armónico (cuerpo amarrado a un resorte) y en ella se destacan la amplitud y la longitud de onda. En el análisis anterior hablábamos de una oscilación lenta o rápida y la asociamos a una característica elemental denominada frecuencia. Podríamos decir que la frecuencia mide una rapidez con que vibra la fuente, sin embargo no es una rapidez de propagación. La rapidez de propagación debe obtenerse como la razón entre una distancia recorrida y un intervalo de tiempo. Ya conocemos una variable relacionada con la distancia llamada longitud de onda como también otra variable relacionada con el tiempo, denominado período, pues la rapidez de onda puede definirse a través del cociente de estas dos variables mencionadas, de manera que: v T Al reemplazar el período como una función de la frecuencia de onda, la rapidez de onda puede también quedar expresada como: v f De esta forma, es posible calcular la rapidez de onda como el producto de la longitud de onda (medida en metros) y su frecuencia medida en Hertz s. Tenlo presente En la naturaleza es muy difícil encontrar ondas mecánicas netamente longitudinales o netamente transversales. Por ejemplo, a priori podríamos suponer que en la superficie del mar las olas son ondas transversales, porque se aprecia que un objeto en su superficie (por ejemplo un bote) sube y baja. Sin embargo, las partículas de agua (y de cualquier líquido) oscilan formando circunferencias, por lo tanto el bote flota describiendo círculos. En materiales sólidos las partículas oscilan elípticamente, por ejemplo, las ondas telúricas que se propagan a través de las rocas. 4

5 El oído y la sensación auditiva El mecanismo de la audición humana es básicamente un transductor electromecánico que recolecta las ondas sonoras (mecánicas) con el pabellón auditivo y las conduce por un canal (oído externo), hasta un sistema de amplificación mecánica (oído medio) y luego de amplificarlas las convierte en una señal eléctrica (oído interno) que viaja hacia el cerebro donde se produce la sensación de audición. La sensación humana es compleja y particular. Sin embargo se pueden distinguir características generales y asociarlas a variables físicas, como se describirá brevemente a continuación. El oído humano promedio es capaz de identificar ondas sonoras cuyas frecuencias están en el rango de Hz. Los sonidos de frecuencias inferiores a 20 Hz se denominan infrasonidos, mientras que los superiores a los Hz se denominan ultrasonidos. La sensación humana es llamada tono y distingue como graves sonidos de frecuencias bajas y como agudos a los sonidos de frecuencias altas. Otra sensación humana relacionada directamente con la amplitud de onda (entre otros parámetros) es el volumen, asociado a la magnitud física de la intensidad. A mayor intensidad mayor volumen y viceversa. La respuesta del oído humano a la intensidad depende de la frecuencia de la onda, siendo muy sensible aproximadamente a 00Hz. Un tono puro de esta frecuencia puede ser percibido por el oído humano promedio si su intensidad es de aproximadamente 2 w (umbral de audición). 2 m En cambio, cuando la intensidad es del orden de w 2 m produce dolor (umbral del dolor). Un decibelímetro (como el de la figura) es el instrumento que se utiliza para medir el nivel de intensidad sonora en el ambiente. Lleva ese nombre por la unidad de medida del nivel de intensidad sonora es el decibelio (db) 5

6 Aprende a calcular el nivel de intensidad sonoro (NIS) Debido al amplio rango de intensidades a las que el oído responde, no es conveniente hacer una escala lineal, pues quedaría muy extensa. Por esa razón se hace más conveniente definir una escala logarítmica. Por convención se ha definido una magnitud denominada Nivel de Intensidad Sonora (NIS) cuya unidad es el decibel (db). La fórmula que se utiliza para determinar el NIS de una fuente sonora viene dada por: NIS log I I 2 w En esta expresión, I 0 es una intensidad de referencia 2, que representa el valor mínimo de la m intensidad que puede excitar al oído a una frecuencia de 00Hz. Usando una calculadora podemos verificar el rango sonoro mínimo audible por el oído humano: 0 db 2 NIS log log() 0 2 db Mientras que, w 2 m equivale a la máxima intensidad que el oído puede captar sin sufrir dolor o daño. Calculando, el NIS equivalente corresponde a: 0 NIS log log db Como puedes ver, esta definición nos permite manejar el nivel de la intensidad de señales acústicas de manera intuitiva y con facilidad, siendo 0 (db) es el nivel de intensidad sonoro mínimo que puede ser detectada por el oído humano, mientras que 20 (db) es el nivel de intensidad sonoro máximo audible antes de generar dolor o daño al oído. Navegación por sonidos: El sonar. El sonar (sound navigation and ranging) es un instrumento que se basa en la propiedad de reflexión de ultrasonidos. El sonar se utiliza en la navegación marítima para localizar cardúmenes, objetos hundidos y medir profundidades. Gracias al sonar se puede construir mapas del relieve del fondo oceánico. 6

7 Organizador gráfico de síntesis 7

8 Actividad Nº Contrasta y responde: Sonido y sensación auditiva Te acuerdas de la pregunta de Francisco a Camila? Construye una nueva respuesta y compárala con tu predicción inicial en el cuadro siguiente. Por qué no somos capaces de oír los infrasonidos y los ultrasonidos? Actividad Nº2 Contrasta y responde: Un transductor acústico es un artefacto que trasforma la energía eléctrica en sonidos de alta frecuencia. Los transductores se utilizan en medicina para hacer ecografías. Son capaces de producir sonidos de 5,5 MHz. Cuál será longitud de onda de este ultrasonido en el aire y en abdomen de una embarazada suponiendo que es prácticamente agua? 8

9 Actividad Nº3 Calcula y completa: Sonido y sensación auditiva Completa los casilleros en blanco según corresponda utilizando la expresión NIS db log I I 0 Fuente. Intensidad w m 2 NIS db Nº de veces mayor que el UDA Umbral de audición. (UDA) Hojas. Murmullo de voces. 20 Conversación normal Calle con alto tránsito. 5 Limpiador al vacío. 4 Orquesta grande. 3 6,3* 98 9,8 MP3 al máximo nivel. 2 Filas delanteras de concierto de rock. Umbral del dolor. 2 2 Despegue de un Jet militar. Perforación instantánea del tímpano