Sonido

Que es ?

Sensación producida en el oído por la vibración de las partículas que se desplazan a través de un medio.

                                     

                                                       

El fonógrafo, un ingenio que permitía grabar y reproducir cualquier tipo de sonido, fue otro invento notable de Edison ( Milan, Ohio, 11 de febrero de 1847-West Orange, Nueva Jersey, 18 de octubre de 1931). Este aparato fue el precedente del gramófono y los tocadiscos, sistemas utilizados a lo largo del siglo XX para escuchar música. De hecho, los sistemas de reproducción analógica del sonido, como los anteriormente mencionados, que estaban basados en el primitivo invento de Edison, fueron usados en todo el mundo hasta la generalización de los sistemas digitales en la década de los ochenta.

                                             

Características de onda de sonido 

- Es una onda mecánica

- Es una onda longitudinal

- Es una onda tridimensional 

Umbral humano joven

Una persona percibe de 20 a 20000 Hz.

Ultrasonido

Superior al umbral , tiene frecuencias superiores a 2000 Hz .  Ejemplo : Solo delfines y murciélagos lo perciben.

Infrasonido 

Frecuencia inferior a la del oido del humano , entre 0 y 20 Hz.  Ejemplo : Los elefantes lo perciben .

Fenómenos que afectan la propiedad del sonido

1. Difracción 
2. Interferencia 
3. Refracción 
4. Absorción 
5. Reflexión 

REFLEXIÓN 

Amenos de 17 m llegaran 2 sonidos  . 

Reverberación : - Sonido producido + reflejado 

                          - A menos de 0.1 seg llega a reverberación

                          - Para que no halla reverberación debe estar en 0.1 seg

                             

Ejemplo : Murciélago , emite el sonido se refleja y continua por donde el sonido sigue .

Velocidad del sonido

La velocidad de propagación de la onda sonora depende de las características del medio en el que se realiza dicha propagación y no de las características de la onda . Depende del tipo de material . Viaja mas rápido en los sólidos pues sus moléculas están mas juntas.

Velocidad de propagación del sonido

- Depende del que emite el sonido 
- Depende por el medio del que viaja
- Se propaga en el medio
- Es constante cuando tiene un cambio

Velocidad del sonido en el aire ( 340 m/s )

La presión , la densidad y la humedad son factores que afectan la velocidad .


!  Velocidad del sonido a 0°C = 331 m/s
A mayor temperatura mayor sera la velocidad.

    Vsonido= 331+ T (0.6)

Por cada grado aumenta 0.6°

Ejemplo 

1. Calcular el tiempo que emplea el sonido en recorrer 1.5 km en el aire a 0°C . En  el aire a 15°C . En el agua.

- En el aire a 0° C 

X= vt

1500=331 t

1500/331= t

4.53 s = t

- En el aire a 15°C 

X=vt

1500=1450 t

1500/1450 = t

1.03 s = t

En el agua 

X=vt

1500= 340 t

1500/340 = t

4.4 = t 

                              Taller de repaso 

1. Durante la tempestad se escucha un trueno 8 seg después de haberse percibido el relámpago . A que distancia cayo el rayo .

R/ 2720 m

2. Un barco emite simultáneamente un sonido dentro del agua y el otro en el aire . Si el otro detecta los sonidos con una diferencia de 3 seg . A que distancia están los barcos?

R/ 1332.43 m

3. Que longitud de onda corresponde para una onda sonora cuya frecuencia es de 20000 Hz y se propaga con v= 340 m/s .

R/ 0.017 m

4. Ciertas ondas ultrasonicas que se propagan el el aire tienen una longitud de onda de 3.8x10^-7 m. Cual es su frecuencia.

R/ 8.95x10^8 Hz.

5. La longitud de onda del sonido de mas baja frecuencia que puede percibir el hombre es de 17 m . Cual es esta frecuencia ?

R/ 20 Hz.

6. Un barco emite un sonido dentro del agua  y al cabo de 6 seg recibe el eco del sonido que se refleja en el fondo, a que profundidad esta el fondo?

R/ 4350 m

7. Un carro viaja hacia una montaña con una velocidad de 36 km/h hace sonar el pito recibe el eco a los 3 seg, a que distancia esta de la montaña?

R/ 525 m

8. Entre dos barcos A y B que distan 200 m hay una roca; estos emiten simultáneamente dos sonidos los cuales son reflejados por dicha roca. si el barco A recibe el eco 0.2 seg después de haberlo recibido el B, a que distancia del barco A esta la roca?
R/ 83 m

9. La velocidad del sonido en el nitrógeno a 293°k y 1.7 atm de presión (la densidad del nitrógeno es de 1.25 kg/m3) es :
R/ 1.3798 m/s

Velocidad del sonido en gases

Como sabemos el sonido depende de algunos elementos que hacen que su velocidad varié , en el caso de los grasas la velocidad de este depende de la presión , densidad , masa molecular y la temperatura.

Para calcular la velocidad en un gas se usan estas ecuaciones : 

Vgas =  y.p/ d                                

p/d = RT/ m

y= constante = 1.4

p= presión atm = 1.013 x 10^5

d= densidad

R = Constante gases = 8.317 J/ °k mol

T = temperatura 

m = masa 

Ejemplo

Calcular la velocidad del hidrogeno a 293 °K y 1 atm de presion. Tenga en cuenta que la d=9 x 10^-2 kg. m^2

Vgas =  y. R. T/m

p/d=RT/m

pm = d. RT

m = d. RT/p

m = 9 x 10^-2 ( 8.317 ) 293 / 1.013 X 10^5

m = 8.317 * 293 ( 0.09 ) / 101300

m = 2.16 x 10^-3 kg/mol

Vgas =  1.4 * 8.317 ( 293) / 2.16 x 10^-3

Vgas =  1.5 +9

Vgas = 1.256 m/s

Cualidades del sonido

• Tono o altura ( frecuencia)  : Característica del sonido que identifica cuando es agudo y grave 

              Agudo : Mayores longitudes de onda 

              Grave : Pocas longitudes de onda

                             

- A menor frecuencia , menos vibraciones por segundo , menor tensión de las cuerdas vocales por lo tanto emiten un sonido grave.

- A mayor frecuencia las cuerdas se tensionan mas y el sonido es agudo.

• Intensidad( amplitud ) : Oído distingue los sonidos fuertes o débiles .  Hay dos tipos de intensidad 

1 ) Intensidad  física : Energía que lleva. Relacionada con la cantidad de energía que transporta la onda sonora .

2 ) Intensidad auditiva : La que percibimos . Corresponde a la sensación percibida por nuestro oído . Depende de la intensidad física .

Ecuaciones para la intensidad :

Intensidad física :

I = P(watt)/ A(M^2)     Se usa cuando su unidad de medida son los beles ( b)

B= Log I / Io              Se usa cuando su unidad de medida son los decibeles (db)

! Nivel mínimo audible para el humano = 10^ - 2 w/m^2

Escala

                       

Ruidos

140 db

120 db

100 db

80 db

Sonidos

50 db

0 db

Ruidos inarmónicos 

Sonido armónicos 

• Timbre ( armónico ): Puede emitir un sonido  con el mismo tono e intensidad pero es el timbre el que define que es lo que suena.

Ejemplo : El timbre es el que define cual es el piano y cual es la flauta

                           

                         Piano : Tono = 100 Hz y 10 db    Flauta = 100 Hz y 10 db

! Mayor frecuencia se vuelve mas agudo 

https://www.youtube.com/watch?v=eH473Tebh2g

El sonido y sus cualidades 

Ejemplo de intensidad del sonido

Una fuente sonora produce una potencia acústica de 2π * 10 ^ -3 w. Cual es la intensidad de este sonido a una distancia de 6m.

I= P/A                                                  A= 4π . r^2  →  sonido en 3 dimensiones 

I= 2π * 10^ -3/ 4π * 6^2

I= 2 * 10^ -3 / 4 * 6^2

I= 1.38 x 10^ -5


                                   Taller de repaso

1.  Un sonido tiene una intensidad de 2x10^7 w/m^2, cual es su nivel de intensidad en decibeles?
R/ 193.01 db

2. El nivel de intensidad de un sonido es de 19.32 db, cual es su intensidad física?
R/ 8.55x10^-11

3. Una persona aumenta el nivel sonoro de su voz de 30 db a 60 db, cuantas veces aumento la intensidad del sonido emitido?
R/ Aumenta 1000 veces.

4. La intensidad de un sonido es el triple de la intensidad del sonido mínimo audible por el hombre. Cual es su nivel de intensidad?
R/ 4.77 db.

5. Teniendo en cuenta que la intensidad del sonido mínimo audible por el hombre es de 10^-12 w/m^2. Que distancia mínima debe alejarse una persona de una fuente sonora puntual de potencia acústica 6πx10^-8 w para no oirla?
R/ 121.47 m.



Fuentes sonoras 

Todo cuerpo vibrante capaz de producir ondas elásticas en el medio que lo rodea.

          

                                          

Cuerdas sonoras

Para que una cuerda produzca un sonido es necesario que este tensionado o se ejerza una fuerza en ambos extremos .

Armónicos de una cuerda

Una cuerda de longitud L esta sujeta por los extremos , se hace vibrar produciendo ondas estacionarias debido a la interferencia entre ondas que avanzan en sentidos opuestos, con la particularidad de que en cada uno de los extremos se encuentra un nodo y en la parte central de la cuerda se forma un vientre ( cresta ).

       

  

➜ L= λ / 2        &       F1= 1v/2L

➜ L= λ             &       F2=  v/L

➜ L= 3/2 λ       &       F3= 3v/2L

➜ L= 2 λ          &       F4= 2v/L

 Ecuación general : Fn=nv/2L

                                            
                                     https://www.youtube.com/watch?v=h-hjNsPHMs4
                                             Ejemplos de armónicos en una cuerda 

Ejemplo

Calcular la longitud de una onda de una cuerda de cuya masa es 60 gr , tensionada con una fuerza de 25 N. Sabemos que su longitud es de 80 cm para su tercer armónico.

λ= v/f

Para hallar la longitud de onda se debe hallar la velocidad y frecuencia del tercer armónico .

v=Tension/µ  

µ=m/L                                                                              80 cm = 0.8 m

F3= 3v/2L                                                                         60 gr = 0.06 kg

➸ µ=m/L

     µ= 0.06/0.8

     µ= 0.075

➸ v=Tension/µ 

     v= 25/0.075

     v= 18.25 m/s

➸ λ= v/f

    λ= 18.25/ 3(18.25)/2(0.8)

    λ= 18.25/54.75/1.6

    λ= 18.25/34.21

    λ= 0.533 m

Taller de repaso

1. Una cuerda tiene una masa por unidad de longitud de 0.5 g/cm . Una longitud de 80 cm y esta sometida a una tensión de 4N. Cual es la frecuencia del sonido fundamental que emite?

R/ 5.5 hZ

2. Una cuerda de 120 cm produce un sonido cuya frecuencia es de 250 s^-1 si la longitud de la cuerda se reduce a la tercera parte . Que variación experimenta la frecuencia ?

R/ 500 Hz

3. Una cuerda sometida a una tensión de 50 N vibra con una frecuencia de s^-1 . Cual es su nueva frecuencia , si la tensión de la cuerda se aumenta en un 20%?

R/ 65.7 Hz

4. Si la tensión de una cuerda se aumenta en un 20% y simultáneamente la longitud se disminuye en 20% . En que porcentaje variaría la frecuencia fundamental?

R/ 36%

5. Cual debe ser la tensión de una cuerda de 1.2 m de longitud y de 4x10^-2 kg/m por unidad de longitud para que emita un sonido fundamental de 60 s^-1?

R/ 829 Hz.

                                                                        

Tubos sonoros

Tubos cilíndricos de paredes metálicas o de madera  que son capaces de producir sonidos al entrar en vibración la columna de aire que contienen. Y se dividen en tubos abiertos y tubos cerrados .

                                     

Ecuaciones : 

v=Tension/µ 

fn= nv/2L

• Tubos abiertos : Tubo con sus ambos extremos abiertos por lo cual las vibraciones creadas por el aire salen.
• Tubos cerrados : Tubo  con un extremo cerrado . Por lo cual las vibraciones creadas por el aire quedan atrapadas hasta que esta se retorna.

Tubos abiertos

   

                    

! Nunca se forma una unión en el inicio.

Formula general : fn= nv/2L . Tener en cuenta que la velocidad en los tubos abiertos  es 340 m/s.

https://www.youtube.com/watch?v=Q91x2Wz9UJU

                                         Experimento tubo abierto


Tubos cerrados

          

!  Siempre termina con un nodo .

Formula general : fn= nv/4L

Ejemplo

Cual es la frecuencia para un tercer armónico de un tubo cerrado de 0.6 m de longitud . cual es la frecuencia si el tubo es abierto?

➸ Tubo cerrado :                               ➸ Tubo abierto : 
      f= 3v/4L                                               f= 3v/2L
      f= 3(340)/4(0.6)                                   f= 3(340)/2(0.6)
      f= 425 Hz                                            f= 850 Hz



                               Taller de repaso 

1. Un tubo abierto y uno cerrado emiten la misma frecuencia fundamental, si la longitud del tubo abierto es de 1 m, cual es la longitud del tubo cerrado?
R/ 0.5 m.

2. Un tubo tiene 60 cm de longitud . Calcula la longitud de onda de su segundo armónico , si: - El tubo es abierto 
     - El tubo es cerrado
R/ 0.53 m   1.066m

3. Determina la frecuencia del 1er y 2do armonico de un tubo cerrado , si tiene una longitud de 1 m y el aire que contiene  se encuentra a una T°de 15°c . 
R/ 85.2 Hz     255.5 Hz 

Efecto Doppler

Cambio de frecuencia que sufren las ondas cuando la fuente emisora de ondas y/o el observador se encuentran en movimiento .

                                  


Fenómenos del efecto Doppler


Ecuaciones cuando al fuente esta en reposo y el observador en movimiento.

• Acercando:

     fo = f ( v+vo/v)

•   Alejando:

     fo = f ( v-vo/v)

    

Ecuaciones cuando la fuente esta en movimiento y el observador en reposo.

•     Acercando:

      fo = f ( v/ v-vf)

•    Alejando:

      fo = f ( v/v+vf)

Ejemplo

Con que velocidad deberá moverse hacia una fuente en reposo un observador para percibir una frecuencia el triple de la emitida por la fuente.

fo = f ( v+vo/v)

3fo/f = v+vo/v

3 = 340 + vo/340

3*340 - 340 = vo

680 m/s = vo

Taller de repaso 

1. Una fuente sonora que emite un sonido de 380 s^-1 se acerca con una velocidad de 25 cm/s hacia un observador que se encuentra en reposo. Cual es la frecuencia detectada por el observador.

2. Un autobús viaja con una velocidad de 16.6 m/s y su coma emite un sonido cuya frecuencia es de 270 s^-1 . Si una persona camina en el mismo sentido a una velocidad de 3 m/s . Que frecuencia percibe la persona.

3. Cuando te sitúas en una avenida y escuchas a los carros pasar , en que momento se siente mas agudo el sonido del motor cual es carro se acerca o cuando se aleja?

4. Una ambulancia se acerca a un acantilado y se aleja de una observadora con velocidad de 20 m/s . El conductor hace funcionar la sirena que emite un sonido de 350 s^-1.

        - Cual es la frecuencia percibida del sonido que proviene directamente de la ambulancia .

         - Cual es la frecuencia percibida por el conductor del sonido reflejado por el acantilado.

5. Al situarse en el cruce de una avenida se escucha de 500 s^-1 que proviene de una patrulla que se acerca . Después de que pasa la patrulla la frecuencia percibida de la patrulla es 450 s^-1 . Cual es la rapidez de la patrulla.