EL SONIDO: EXPERIENCIAS MEDIANTE OSCILOSCOPIO

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1 EL SONIDO: EXPERIENCIAS MEDIANTE OSCILOSCOPIO AUTORÍA MARÍA DEL CARMEN HERRERA GÓMEZ TEMÁTICA EL SONIDO ETAPA BACHILLERATO Resumen Llevaremos a cabo una serie de experiencias, encaminadas a poner en práctica y aclarar conceptos y situaciones relacionadas con las ondas, el sonido, la música, interferencias, etc. Estas experiencias van dirigidas a alumnos y alumnas de Física de 2º de Bachillerato. Tiene relación con las unidades dedicadas al sonido. Palabras clave Sonido, onda, interferencia, diapasón, osciloscopio, oído, pulsación, velocidad de propagación. 1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS Definición del sonido. El sonido es una onda mecánica longitudinal. Es la vibración de un medio elástico, bien sea gaseoso, líquido o sólido. Si 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. Cuando las rápidas variaciones de presión se centran entre 20 y veces por segundo (frecuencia de 20 Hz a 20 KHz) el sonido es potencialmente audible aunque las variaciones de presión puedan ser a veces tan pequeñas como la millonésima parte de un pascal. Para que tenga lugar un sonido, se deben dar dos factores: - Fuente de vibración mecánica, que puede ser un diapasón, una cuerda que vibre o una columna de aire vibrando en un tubo de órgano. 1

2 - Medio elástico a través del cual se propague la perturbación Cualidades del sonido. El sonido viene caracterizado por las siguientes cualidades: - Intensidad - Tono - Timbre En cuanto a la intensidad podemos decir que viene determinada por la amplitud del movimiento oscilatorio, subjetivamente, la intensidad de un sonido corresponde a nuestra percepción del mismo como más o menos fuerte. El tono de un sonido depende únicamente de su frecuencia, es decir, del número de oscilaciones por segundo. Cuanto mayor sea la frecuencia, más agudo será el sonido. El timbre es la cualidad del sonido que nos permite distinguir entre dos sonidos de la misma intensidad y altura Unidades de medida. - Frecuencias Hz: La frecuencia de una onda sonora se define como el número de pulsaciones (ciclos) que tiene por unidad de tiempo (segundo). La unidad correspondiente a un ciclo por segundo es el hertzio (Hz). Las frecuencias más 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. - Decibelio (db): Es una unidad logarítmica de medida utilizada en diferentes disciplinas de la ciencia. En todos los casos se usa para comparar una cantidad 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 promedio aproximado Velocidad de propagación. En las ondas mecánicas, la velocidad de propagación del sonido no depende de su mayor o menor intensidad, ni de la fuente sonora o de su frecuencia, sino que depende exclusivamente de las condiciones del medio, así la velocidad vendrá determinada por diferentes expresiones, dependiendo del medio en el que se propague el sonido: 2

3 La frecuencia de una onda de sonido es una medida del número de vibraciones por segundo en un punto determinado. La distancia entre dos crestas sucesivas de la onda se denomina longitud de onda. El producto de la longitud de onda y la frecuencia es igual a la velocidad de propagación de la onda, que es la misma para sonidos de cualquier frecuencia (cuando el sonido se propaga por el mismo medio a la misma temperatura). La velocidad de propagación del sonido en aire seco a una temperatura de 0º C es de 331,6 m/s. Al aumentar la temperatura aumenta la velocidad del sonido; por ejemplo, a 20ºC, la velocidad es de 344 m/s. Los cambios de presión a densidad constante no tienen prácticamente ningún efecto sobre la velocidad del sonido. En muchos otros gases, la velocidad sólo depende de su densidad. Si las moléculas son pesadas, se mueven con más dificultad, y el sonido avanza más despacio por el medio. Por ejemplo, es sonido avanza ligeramente más deprisa en aire húmedo que en aire seco, porque el primero contiene un número mayor de moléculas más ligeras. En la mayoría de los gases, la velocidad del sonido también depende de otro factor, el calor específico, que afecta a la propagación de las ondas de sonido. Generalmente, el sonido se mueve a mayor velocidad en líquidos y sólidos que en gases. Tanto en los líquidos como en sólidos, la densidad tiene el mismo efecto que en los gases; la velocidad del sonido varía de forma inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la densidad. En relación con la velocidad de propagación, sabemos que el sonido viaja cuatro veces más rápido que en el aire Refracción, reflexión e interferencias. El sonido avanza en línea recta cuando se desplaza en un medio de densidad uniforme. Sin embargo, igual que la luz, comprobamos que el sonido está sometido a la refracción, es decir, la desviación de las ondas de sonido de su trayectoria original. La excelente recepción del sonido a favor del viento y la mala recepción en contra del viento se deben a la refracción. La velocidad del aire suele ser mayor en las alturas que cerca del suelo, esto se debe a que la velocidad del aire suele ser mayor en las alturas que cerca del suelo; una onda de sonido ascendente que avanza a favor del viento se desvía hacia el suelo, mientras que una onda similar que se mueve en contra del viento se desvía hacia arriba, por encima de la persona que escucha. El sonido también se ve afectado por la reflexión, y cumple la ley fundamental de que el ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión. Un eco es el resultado de la reflexión del sonido. El sonar se basa en la reflexión de los sonidos propagados en agua. Una bocina, por ejemplo, es un tubo cónico que forma un haz de ondas de sonido reflejando algunos de los rayos divergentes en los lados del tubo. Un tubo similar puede recoger ondas de sonido si se dirige el extremo ancho hacia la fuente de sonido. El sonido también experimenta difracción e interferencia. Si el sonido de una fuente llega a un oyente por dos trayectorias diferentes, los dos sonidos pueden reforzarse; sin embargo, si están fuera de fase pueden interferir de forma que el sonido resultante sea menos intenso que el sonido directo sin 3

4 reflexión. Las trayectorias de interferencia son distintas para sonidos de diferentes frecuencias, con lo que la interferencia produce distorsión en sonidos complejos. Dos sonidos de distintas frecuencias pueden combinarse para producir un tercer sonido cuya frecuencia es igual a la suma o diferencia de las dos frecuencias originales Pulsaciones. Como ya hemos visto, las ondas sonoras también pueden experimentar interferencias. Así cuando la diferencia de caminos recorridos entre dos ondas es un múltiplo de la longitud de onda, en B se apreciará una intensificación; pero si la diferencia de caminos recorridos es un múltiplo impar de semilongitudes de onda, en B no se oye ningún sonido. Si en la experiencia de resonancia de dos diapasones iguales, montados en sus cajas de resonancia, se modifica ligeramente la frecuencia natural de uno de ellos, como por ejemplo, pegando un trozo de plastilina en una de sus ramas, se observa el fenómeno de las pulsaciones o batidos. Se observan periódicamente intensificaciones y reducciones notables de la intensidad del sonido. Estas pulsaciones pueden observarse muy bien mediante el sistema micrófono-osciloscopio. Las pulsaciones son el resultado de superponer dos movimientos ondulatorios de igual amplitud que se propagan en la misma dirección y sentido, con igual velocidad, pero que difieren ligeramente en sus frecuencias. Al producirse la superposición, hay puntos en los que la elongación es mayor a la de cada onda por separado y otros en los que es menor; además, esta variación de la elongación se repite periódicamente. Si se trata de dos sonidos, en los puntos en que la elongación es mayor, se intensifica el sonido; cuando disminuye, se aprecia un descenso de su intensidad: la sucesión de intensificaciones y atenuaciones constituye las pulsaciones Tubos sonoros. Al hacer vibrar un diapasón junto a la boca de un tubo que contiene aire, las vibraciones se propagan por este gas, y al llegar al fondo del recipiente se reflejan. Las ondas incidentes con las reflejadas pueden dar lugar a una onda estacionaria; en el fondo del recipiente hay un nodo, mientras que en la boca hay un vientre. Como la frecuencia propia del diapasón es fija, variando la profundidad del tubo se obtiene un número determinado de nodos y vientres. En este tipo de tubos, una vez que tenemos fijada la longitud, se puede obtener una onda estacionaria para la frecuencia fundamental y para los armónicos impares Osciloscopio. Es un instrumento muy útil para estudiar el sonido. Las variaciones de presión que propaga la onda sonora hacen vibrar la membrana del micrófono que está conectado a él; la vibración de la 4

5 membrana del micrófono produce una débil corriente eléctrica que oscila igual que la onda sonora; estas variaciones se observan en la pantalla del osciloscopio. Generalmente, la corriente eléctrica que se obtiene en un micrófono debe amplificarse para poder transmitirla o reproducirla. En un altavoz tiene lugar el proceso inverso: la corriente eléctrica oscilante que corresponde al sonido que se desea reproducir hace vibrar la membrana del altavoz; esta vibración se transmite por el aire y produce en el oído el sonido que se percibe. 2. EXPERIENCIAS. Una vez que hemos visto todos los conceptos y fundamentos teóricos relacionados con el sonido, nos podemos hacer una serie de preguntas: - Cuál es la naturaleza de esa perturbación? - qué diferencia hay entre el sonido de un diapasón, el de una cuerda de guitarra o el de una sinfonía, o el ruido del tráfico? - Qué características diferencian unos de otros? - Con qué velocidad se propaga? Pues bien, a continuación se proponen una serie de experiencias, con las que se pretenden contestar de una manera práctica a todos estas cuestiones. 5

6 2.1. Experiencia 1: Triángulo escaleno. Para llevar a cabo esta experiencia necesitamos: - Goma elástica. - 3 chinchetas. - Tabla de madera. Vamos a unir la goma elástica con ayuda de las chinchetas, formando un triangulo escaleno. A continuación haremos vibrar cada uno de los lados por separado. o Son diferentes las frecuencias que se obtienen? o Cual es el orden de los tonos obtenidos? o Ordena las frecuencias obtenidas con la longitud de cada uno de ellos. 6

7 2.2. Experiencia 2: Teléfono con cuerda. Necesitaremos: - Dos o más vasos de plástico. - Hilos o cordeles de diferente naturaleza y magnitud. Perforaremos los vasos por su base, y haremos pasar por ellos la cuerda, en la que se harán sendos nudos. Mientras una de las personas habla por uno de los vasos, la otra escucha por el otro. o Qué sucede si se toca el hilo mientras hablamos? o Y si cruzamos los hilos de dos teléfonos? o Estudia la diferente velocidad de propagación según el tipo de cuerda Experiencia 3: Experiencias con el osciloscopio. Vamos a llevar a cabo diferentes experiencias con el osciloscopio, para lo cual necesitaremos: - Un osciloscopio. - Un micrófono. - Diapasones. - Mazo de goma. - Instrumentos musicales. 7

8 El osciloscopio y la frecuencia. Vamos a colocar el diapasón frente al micrófono y lo haremos sonar, golpeándolo con el mazo de goma. Modificaremos la escala de voltios y la base de tiempos de forma que en el osciloscopio se vea un reducido número de oscilaciones. Una vez comprobada la frecuencia de un diapasón se puede hacer con los otros. o Relaciona el tono con la frecuencia acercando el micrófono a las cuerdas vibrantes del triangulo escaleno de la primera experiencia. 8

9 Relación entre intensidad y amplitud. En esta ocasión, observaremos la relación cualitativa que hay entre la intensidad del sonido y la amplitud de la oscilación, golpeando el diapasón con diferente intensidad y sin variar la distancia entre el micrófono y el diapasón. En relación con estos conceptos, también podemos comprobar el efecto que tienen sobre la intensidad del sonido diversos factores: atenuación, absorción, Resonancia. Para comprobar el fenómeno de resonancia procederemos de la siguiente forma. Con los dos diapasones iguales, montados en sus cajas de resonancia, dispuestos uno frente al otro, y de forma que uno esté cerca del micrófono, golpearemos el que este más alejado. Comprobaremos como el sonido se propaga en el aire y hace vibrar al otro diapasón por resonancia. Después, colocaremos el micrófono entre los diapasones; golpearemos ambos diapasones y comparemos la amplitud obtenida ahora con la que se tiene si solo se recoge el sonido de un diapasón Pulsaciones. Colocaremos los dos diapasones iguales uno cerca del otro. En uno de ellos, colocaremos una pieza metálica deslizante que lleva como accesorio (o uno poco de plastilina). Ahora golpearemos ambos diapasones y debemos observar, tanto por el oído como por el osciloscopio, las pulsaciones que se obtienen Timbre. En esta experiencia, tocaremos una nota con el instrumento musical cerca del micrófono y después haremos lo mismo con un instrumento diferente. De esta forma compararemos ambas bandas sonoras, y podréis observar que darán timbres diferentes. 9

10 3. BIBLIOGRAFIA - Holton. (1989). Introducción a los conceptos y teorías de las ciencias físicas. Barcelona: Reverté. - Tripler. (1994). Física. Barcelona: Reverté. Autoría Nombre y Apellidos: María del Carmen Herrera Gómez Centro, localidad, provincia: Granada mchgranada@hotmail.com 10