GUÍA TEÓRICA: SONIDO

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1 Departamento de Física GUÍA TEÓRICA: SONIDO Nombre: Curso: Primero medio Contenidos: Sonido, Fecha: Profesores: Patricio Donoso Esteban Oteíza Introducción: (Conceptos Básicos) Los fenómenos sonoros están relacionados con las vibraciones de los cuerpos materiales. Siempre que escuchamos un sonido, hay un cuerpo material que vibra y produce este fenómeno. Como se muestra en la figura, una tira metálica puesta en vibración, provoca en el aire compresiones y rarefacciones sucesivas que se propagan en dicho medio. Cuando una molécula de aire situada en el punto P es alcanzada por esta onda de compresiones y rarefacciones, vibrará entre los puntos P 1 y P 2, es decir oscilará en la misma dirección en que se propaga la onda. La onda sonora es longitudinal y mecánica. Propagación del sonido La velocidad de propagación de una onda depende del medio en el cual se propaga.la mayoría de los sonidos que escuchamos se transmiten por el aire. Sin embargo, un material elástico (sólido, líquido, gaseoso o plasma) puede transmitir el sonido. En los líquidos y sólidos elásticos, las moléculas están relativamente cerca entre sí y responden con rapidez a los movimientos relativos, y transmiten energía con poca pérdida. El sonido se propaga con más rapidez en el aire cálido que en el aire frio. Las moléculas en el aire a mayor temperatura son más rápidas, chocan entre sí con mayor frecuencia y en consecuencia pueden transmitir un impulso en menos tiempo. Por cada grado de temperatura sobre 0ºC, la rapidez del sonido en el aire aumenta 0,6 metros por segundo. El sonido no se propaga en el vacío, porque para propagarse necesita de un medio. Si no hay nada que se comprima y se expanda, no puede haber sonido. Velocidad del sonido Medio material Velocidad (m/s) Caucho (o hule) 54 Oxígeno (0ºC) 317 Aire (20ºC) 340 Helio (0ºC) 972 Hidrógeno (0ºC) 1300 Agua (25ºC) 1493 Cobre (25ºC) 3560 Fierro 5100 Granito 6000 La energía acústica se disipa en energía térmica, mientras el sonido se propaga en el aire. Para las ondas de mayor frecuencia, la energía acústica se transforma con más rapidez que para las ondas de bajas frecuencia. En consecuencia, el sonido de baja frecuencia llega más lejos por el aire que el de altas frecuencias. Es la causa de que las sirenas de niebla de los barcos tienen baja frecuencia. Tono o altura Es la cualidad que nos permite clasificarlo como grave o agudo. En lenguaje musical se dice que un sonido agudo es alto y que uno grave es bajo. La altura de los sonidos se relaciona con su frecuencia, de modo que tanto mayor sea la frecuencia, más alto o agudo será el sonido. Cuando un instrumento musical emite notas diferentes, está emitiendo sonidos de distinta frecuencia.

2 Intensidad La intensidad es una propiedad del sonido que se relaciona con la energía de vibración de la fuente que emite la onda sonora. La energía sonora que transporta una onda por unidad de tiempo, a través de una unidad de área. Cuanto mayor sea la cantidad de energía (por unidad de tiempo) que una onda sonora transporta hasta nuestro oído, tanto mayor será la intensidad del sonido que percibimos. La magnitud de la intensidad del sonido será mayor, cuanto más grande sea la amplitud de la onda. La intensidad del sonido se mide en decibel (db). El umbral del dolor humano se encuentra en los 140dB. Intensidades sonoras Silencio Murmullo Radio o tele a bajo volumen Conversación común Tráfico urbano intenso Remachadora o perforadora Bocina de automóvil Umbral de sensación dolorosa 0dB 10dB 40dB 60dB 70dB 100dB 120dB 140dB Timbre Podemos distinguir las notas de dos instrumentos musicales porque tienen un timbre diferente. Esto se debe a que la nota emitida por una guitarra, o el sonido de la voz de una persona, es el resultado de la vibración no única (fenómeno de superposición o interferencia) de las cuerdas de una guitarra, sino también de algunas otras partes de la guitarra, como la caja de madera. Así, la onda emitida tendrá una forma característica de cada instrumento o cada persona, razón por la cual podemos diferenciar los sonidos, por ejemplo, las voces de dos personas distintas. Espectro del sonido Se refiere al rango de frecuencias que pueden ser percibidas por el oído humano, y que podemos escuchar. Los sonidos menores a 20Hz (infrasonido) y superiores a Hz (ultrasonido) no producen sensaciones sonoras para el oído humano. Reflexión del sonido: Es una de las propiedades características del sonido. A la reflexión de un sonido comúnmente la llamamos eco. El eco se produce cuando el sonido se refleja en un medio más denso, como por ejemplo, una pared, y llega al oído aproximadamente 0,1 segundos después del sonido que se recibe directamente de la fuente emisora. El eco es el producido cuando el sonido se refleja por ejemplo, en los cerros de una quebrada, tal como lo hace la luz sobre una superficie. Para que la onda sonora se refleje nítidamente se requiere que la superficie reflectora no permita el ingreso de esta onda en su interior, esto ocurre en las sustancias densas como las rocas de las montañas. Podemos reconocer el sonido característico del eco, lo que se relaciona con la capacidad de nuestro oído para distinguir dos sonidos separados cuando son percibidos al menos con una décima de segundo de diferencia entre ellos. La reflexión del sonido es bastante común en nuestro diario vivir, de hecho un porcentaje alto de los sonidos que percibimos han sido reflejados en alguna superficie como paredes, vidrios o el suelo. Si se producen múltiples reflexiones del sonido, se entorpece la claridad de la audición y los sonidos ya no pueden ser distinguidos por separado, produciéndose el fenómeno conocido como reverberación en algunas iglesias y en edificios antiguos, como palacios o centros culturales, es fácil apreciar este fenómeno. Las paredes de una sala de concierto a menudo están provistas de surcos que difunden las ondas sonoras. Así el público recibe una pequeña cantidad de sonido reflejado de muchos lugares de la pared, en vez de una gran cantidad de sonido proveniente de un solo sitio, lo que evita en gran medida la reverberación. Además, suelen colocarse detrás y encima del escenario superficies altamente reflejantes, como el vidrio o el plástico, con el fin de reflejar el sonido hacia el público. La fracción de la energía sonora que porta la onda sonora reflejada es grande si la superficie es suave y regular. 2

3 Absorción Como ya sabemos, las superficies suaves e irregulares son buenas absorbentes del sonido. Este fenómeno es importante, por ejemplo, en la construcción de los teatros, cines, salas de grabación, etc. Incluso en la sala de clase. Las cortinas ayudan a absorber el sonido evitando que el eco interfiera con lo que el profesor explica. La capacidad de absorción de un material es la relación entre la energía absorbida por el material y la energía reflejada. El coeficiente de absorción es un número entre 0 y 1 (1 cuando la absorción es máxima y 0 cuando es mínima). Una de las cualidades de la física es la capacidad de predecir fenómenos. Si lo que construyen una sala conocen los coeficientes de absorción de los materiales, entonces podrían predecir cómo se comportará cada valor de frecuencia de sonido emitida allí. Coeficientes de absorción Ladrillo sin pintar Ladrillo pintado Madera terciada Piso de madera Cortinas gruesas Alfombra gruesa 0,03 0,017 0,3 0,11 0,5 0,06 Transmisión y refracción Las ondas sonoras se desvían cuando algunas partes de sus frentes viajan a distintas rapideces. Esto sucede en vientos erráticos o cuando el sonido se propaga a través de aire a distintas temperaturas. El sonido se propaga con más lentitud a mayor altitud (baja la temperatura) y se desvía apartándose del suelo. Sucede lo contrario en un día frío, o por la noche, cuando la capa de aire cercana al suelo está más fría que el aire sobre ella. Entonces, la rapidez del sonido cerca del suelo se reduce. La mayor rapidez de los frentes de onda causa una reflexión del sonido hacia el suelo, y hacen que el sonido se pueda escuchar a distancias bastante mayores. Un fenómeno similar sucede en el agua, debido a las capas de temperatura. De esta forma se producen puntos ciegos en donde los submarinos pueden esconderse de los sonares de los barcos. Frecuencia natural Cuando golpeamos dos objetos distintos, como una pelota y unas llaves, producirán sonidos distintos. Todo objeto hecho de un material elástico vibra cuando es perturbado con sus frecuencias especiales propias, que en conjunto producen su sonido especial. Se habla entonces de la frecuencia natural de un objeto, que depende de factores como la elasticidad y la forma del objeto. Naturalmente, las campanas y diapasones vibran con sus frecuencias características propias. La mayor parte de las cosas, desde los planetas hasta los átomos, y casi todo lo que hay entre ellos tienen una elasticidad tal que vibran a una o más frecuencias naturales. Vibraciones forzadas Si golpeamos un diapasón no instalado, el sonido que se produce podrá ser bastante débil. Si sujetamos el mismo diapasón contra una mesa, después de golpearlo, el sonido será intenso. Esto se debe a que se obliga a vibrar a la mesa, y con su mayor superficie pone en movimiento a mayor masa de aire. La mesa es forzada a vibrar por un diapasón a cualquier frecuencia. Es un caso de vibración forzada. La caja de madera de una guitarra sufre una vibración forzada cada vez que hacemos vibrar una o varias cuerdas. Sin la caja de madera, no podríamos percibir el sonido de las cuerdas, pues tendría poca intensidad. Resonancia Cuando la frecuencia de las vibraciones forzadas coincide con la frecuencia natural del mismo, se produce un aumento de amplitud, producto de una interferencia constructiva. A este fenómeno le llamamos resonancia (que significa sonar de nuevo). La masilla no resuena, porque no es elástica, y un pañuelo que se deja caer es demasiado blando. Para que un objeto resuene necesita que una fuerza lo regrese a su posición inicial, y que la energía sea suficiente para mantenerlo vibrando. 3

4 Cuando un objeto que vibra se encuentra junto con otro cuya frecuencia natural es la misma que la vibración, este objeto entrará en resonancia. Dicho fenómeno se llama comúnmente vibración simpática o vibración por resonancia. Por ejemplo, has observado vibrar un florero cuando la música de la radio suena con una gran intensidad. Difracción La difracción del sonido se produce cada vez que una fuente sonora se propaga en un medio con aberturas o bordes. Al pasar por una abertura (por ejemplo: una ventana abierta), el sonido hace que la ventana se comporte como una fuente sonora. Sucede de manera similar cuando el sonido se encuentra con un borde (por ejemplo, una pared). Ahí el frente de ondas sonoras se desvía. Es posible acentuar la difracción de una onda a través de una rendija u orificio, si aumentamos su longitud de onda o disminuimos el tamaño de dicha rendija u orificio. Efecto Doppler: Todos hemos notado que el sonido del motor de un vehículo disminuye a medida que éste se aleja de nosotros. La frecuencia del sonido que escucha mientras el vehículo se aproxima a usted es más alta que la frecuencia que escucha mientras se aleja. Esta experiencia es un ejemplo del efecto Doppler, llamado así en honor al físico austríaco Christian Johann Doppler ( ), quien predijo en 1842 el efecto, tanto para ondas sonoras como para ondas luminosas. Si la fuente sonora emisora se acerca, aumenta la frecuencia de las ondas, percibiéndose, por tanto, un sonido más agudo y, si se aleja, disminuye la frecuencia, escuchándose un sonido más grave. Cuando la fuente y el observador se mueven uno hacia el otro la frecuencia que escucha el observador es más alta que la frecuencia de la fuente. Cuando la fuente y el observador se alejan una del otro, la frecuencia escuchada es más baja que la frecuencia de la fuente. En síntesis, el Efecto Doppler establece que cuando la distancia relativa entre la fuente sonora el observador está variando, la frecuencia del sonido percibida por éste es distinta de la frecuencia del sonido emitido por la fuente. La frecuencia del emisor en movimiento (f ) se relaciona con la frecuencia que oye el receptor mediante la siguiente relación: f = f v + v 0 v v s En esta expresión los signos para los valores sustituidos para v 0 y v s dependen del sentido de la velocidad. Un valor positivo se usa para movimiento del observador o la fuente, hacia el otro (asociado con un aumento en la frecuencia observada); y un valor negativo se usa para movimiento de uno alejándose del otro (asociado a la disminución en la frecuencia observada). Donde: f : frecuencia que oye el receptor. f: frecuencia de la onda sonora emitida por la fuente. v: rapidez del sonido en el medio. v 0 : rapidez del receptor. v s : rapidez de la fuente. 4

5 Detección del Sonido: Seguramente en más de una ocasión te habrás dado cuenta de que en si te sientas adelante escuchas mejor que si te sientas atrás, y que si todo el curso está hablando la voz del profesor no se escucha. Además, es probable que sepas que si quieres que solo tu compañera de banco escuche lo que dices, debes hablar muy despacio y cerca de su oído. Todo lo anterior se relaciona con las características de la percepción del sonido en la especie humana. Pero, cómo se produce esta percepción?, qué sucede dentro de tus oídos que te permite percibir los sonidos producidos a tu alrededor? El oído: El oído humano se divide en tres regiones: el oído externo, el oído medio y el oído interno. El oído externo consta del canal auditivo (abierto a la atmósfera), que termina en el tambor (tímpano). Las ondas sonoras avanzan por el canal auditivo hasta el tambor que vibra en vaivén en fase con los movimientos en un sentido y otro causados por las alternantes presiones alta y baja de la onda de sonido. Detrás del tambor hay tres huesos pequeños del oído medio, llamados martillo, yunque y estribo, debido a sus formas. Estos huesos transmiten la vibración al oído interno, que contiene al caracol tubo de unos 2 cm de largo. El caracol hace contacto con el estribo en la ventana oval y está dividido en su longitud por la membrana basilar, que está formada por pequeños pelos (cilios) y fibras nerviosas. Esta membrana varía en masa por unidad de longitud y en tensión en su longitud, además de que diferentes porciones de ellas suenan ante diferentes frecuencias. A lo largo de la membrana basilar hay numerosas terminaciones nerviosas que detectan la vibración de la membrana y, a su vez, transmiten impulsos al cerebro. Éste interpreta los impulsos como sonido de frecuencia variable, según las ubicaciones a lo largo de la membrana basilar de los nervios que transmiten los impulsos y de la rapidez con que lo hagan. 5