GUIA 6.

EL SONIDO

Es una onda mecánica longitudinal que se produce al vibrar la materia.

Ejemplo: Al golpear una campana, pulsar una cuerda de guitarra, hablar, etc.

Para transmitirse el sonido necesita de un medio elástico ya sea sólido líquido o gaseoso.

Cuándo los cuerpos vibran comprimen el aire de la vecindad, produciendo una serie de pulsos de compresión y de rarificación que forman una onda la cual se transmite a través del aire.

La frecuencia de las ondas sonoras está comprendida entre el intervalo de 20vib/s a 20.000vib/s. Las ondas inferiores a 20vib/s se llaman infra sónicas y las superiores a 20.000vib/s se llaman ultrasónicas y no son captadas por el oído humano.

Los sonidos que el oído puede percibir, dependen de la variación de presión que el aire experimenta al transmitirlos. Es así como la máxima variación de presión que nuestro oído puede tolerar es de 28 N/m²

VELOCIDAD DEL SONIDO

La velocidad con que viaja el sonido depende de la elasticidad (presión) del medio y de su densidad (inercia) de acuerdo con la expresión:

    

Donde   y = 1.4 (constante adimensional para gases diatónicos como el aire)

 P es la presión del gas en pascales

ρ es la densidad del medio en kg/m³  

Para un gas se tiene que  P/ρ  = RT/M al despejar y remplazar en la ecuación anterior  se obtiene la ecuación:

Nota:

Siendo γ el coeficiente de dilatación adiabática, R la constante universal de los gases, T la temperatura en kelvin y M la masa molar del gas. Los valores típicos para la atmósfera estándar a nivel del mar son los siguientes:

γ = 1,4 para el aire

R = 8,314 J/mol·K = 8,314 kg·m²/mol·K·s²

T = 293,15 K (20 °C)

M = 0,029 kg/mol para el aire

La siguiente tabla muestra algunos resultados en investigaciones hechas acerca de la velocidad del sonido en diversos medios

VELOCIDAD DEL SONIDO EN EL AIRE

Experimentalmente  se ha observado que la velocidad de propagación del sonido en el aire varía 0,6 m/s por cada grado Celsius de temperatura así:

V = V₀   +   (0,6 m/s. ⁰c).T

V = 331,7 m/s  +  (0,6 m/s. ⁰c).T

También se puede utilizar la expresión:

V = X/t     Donde X = distancia recorrida y t es el tiempo en recorrerla

V = λ . F     o   V = λ/T      Donde λ es la longitud de onda y T es el período

Ejemplo1.

Una onda sonora recorre en el agua 1 km en 0,69 s. ¿Cuál es la velocidad del sonido en el agua?

CUALIDADES DEL SONIDO.

Las cualidades del sonido son aquellas características que permiten diferenciar unos sonidos de otros

1. TONO O ALTURA

Es la característica del sonido por la cual una persona distingue sonidos graves o agudos. El tono está relacionado con la frecuencia del sonido: cuando mayor es la frecuencia más agudo es el sonido y si la frecuencia es baja, el tono es grave.

2. INTENSIDAD.

Es la característica del sonido por la cual el oído distingue sonidos fuertes y sonidos débiles, o que tan cerca o lejos está la fuente sonora.

A. Intensidad física

La intensidad física está relacionada con la cantidad de energía que transporta la onda sonora, en la unidad de tiempo, tomada perpendicularmente a la dirección en que se propaga.

Intensidad = potencia/área

I = P/A

Pero P = Energía / tiempo

P = E/t

Entonces  I = E/A.t

UNIDADES DE INTENSIDAD FISICA

Como I = E/A.t entonces I = J/m². s = W/m²

La intensidad física se mide en watios por metro cuadrado.

B. INTENSIDAD AUDITIVA

Corresponde a la sensación percibida por nuestro oído, depende de la intensidad física y de otros factores característicos de nuestro aparato auditivo

La intensidad auditiva puede medirse basados en la ley psicofísica de Weber – Fecher, según la cual la sensación es función lineal del logaritmo del estímulo. Por ejemplo, nuestro oído percibe un sonido dos veces más fuerte que otro de la misma frecuencia, cuando su intensidad física es 10 veces más mayor que la de otro; percibe un sonido tres veces más fuerte si su intensidad física es 100 veces, etc.

B = log I/I₀  b   Donde  I₀ = 10^-12 W/m²   o   I₀ = 10^-16 W/cm²  (sonido mínimo audible Para el hombre)

                                             I = intensidad física

                                             B = nivel de intensidad del sonido

B =10 log I/I₀   db                                                                                             

UNIDADES DE MEDIDAS DE INTENSIDAD AUDITIVA.

El nivel de intensidad de un sonido se mide en beles (b) o en decibeles (db)

El esquema indica la intensidad audible de algunos sonidos comunes a nuestra experiencia:

TIMBRE 

Es la característica que tienen los cuerpos de producir su propio sonido y depende de la forma de la onda que produce cada uno.

EJEMPLO 1.

Una fuente sonora produce una potencia acústica de 2π x10^-3 w. ¿Cuál es la intensidad de este sonido a una distancia de 6 m?

EFECTO DOPPLER

Al cambio de frecuencia de las ondas debido al movimiento relativo entre la fuente y el observador se le llama efecto Doppler.

Ejemplo: Una persona escucha el aumento de frecuencia(tono) del sonido  de una sirena de una ambulancia que se acerca a el

 Las siguiente formula permite encontrar la relación exacta entre la frecuencia emitida por la fuente y el observador:

 

Donde:

F_o = Frecuencia percibida por el observador o receptor

F_f = frecuencia de la fuente

V = velocidad del sonido (340m/s)

V_o = velocidad del observador o receptor

V_f = velocidad de la fuente

Los siguientes son los casos que se presentan dependiendo del movimiento o reposo de la fuente y el observador:

1. Si el observador está en reposo y la fuente que se acerca a él emite una señal, esta será percibida por el observador con una mayor frecuencia que la emitida. Entonces, la frecuencia percibida por el observador se expresa como:

2. Si el observador se encuentra en reposo y la fuente se aleja de él, la señal emitida por la fuente se percibe con una menor frecuencia, es decir, esta será percibida por el observador con una menor frecuencia que la emitida, es decir:

3. Si la fuente que emite la señal se encuentra en reposo y el observador se acerca a ella, la frecuencia de la señal emitida se percibe con mayor intensidad, por tanto:

4. Si la fuente se encuentra en reposo y el observador se aleja de ella, la señal emitida por la fuente será percibida con una menor frecuencia, entonces:

5. Si el observador y la fuente se mueven simultáneamente acercándose

6. Si el observador y la fuente se mueven simultáneamente alejándose

Ejemplo 1.

Una fuente sonora que emite un sonido de 330 Hz se acerca a una velocidad de 25m/s hacia un observador que se encuentra en reposo. ¿Cuál es la frecuencia detectada por el observador?

Solución.

Primero lee el problema, una y hasta dos veces para poder interpretar la situación.

Luego escribe los datos o información, la incógnita y la fórmula que te brinda el problema.