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FISICA DEL SONIDO

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Cmo es la energa sonora? Cmo se propaga la energa

de un lugar a otro?

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Para comprender mejor esto imaginemos un tubo muylargo lleno de aire. El aire est formado por unacantidad muy grande de pequeas partculas omolculas. Inicialmente, el aire dentro del tubo est enreposo (o ms tcnicamente, en equilibrio). Esteequilibrio es dinmico ya que las molculas se muevenen todas direcciones debido a la agitacin trmica,pero con la particularidad de que estnhomogneamente distribuidas (en cada cm3 de aire hayaproximadamente la misma cantidad de molculas - 25trillones).

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Supongamos que se mueve rpidamente el pistn hacia el interiordel tubo. Las molculas que se encuentran junto al pistn sernempujadas, mientras que las que se encuentran alejadas no. En lazona del pistn el aire se encontrar ms comprimido que lejos del, es decir que la misma cantidad de aire ocupa menos espacio. Elaire comprimido tiende a descomprimirse (como cuando abrimosla vlvula de un neumtico) desplazndose hacia la derecha ycomprimiendo el aire prximo. Esta nueva compresin implicanuevamente una tendencia a descomprimirse, por lo que laperturbacin original se PROPAGA a lo largo del tubo alejndosede la fuente.

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Es importante enfatizar que el aire no se mueve de unlugar a otro junto con el sonido. Hay transmisin deenerga pero no traslado de materia

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PROPAGACIN

CARACTERSTICAS DEL MEDIO - Para que la ondasonora se propague en un medio este debe ser ELSTICO,TENER MASA E INERCIA. El aire posee adems algunascaractersticas relevantes para la propagacin del sonido:

La propagacin es LINEAL (en el intervalo de sonidosaudibles la aproximacin es vlida). Esto permite quediferentes ondas sonoras se propaguen por el mismoespacio al mismo tiempo sin afectarse.

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El medio es NO DISPERSIVO. Por esta razn las ondas sepropagan a la misma velocidad independientemente de sufrecuencia o amplitud.

El medio es HOMOGNEO. No existen direcciones depropagacin privilegiadas por lo que el sonido se propagaesfricamente (en todas direcciones).

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ONDAS DE SONIDO

Las ondas mecnicas son las que se propagan a travs de unmaterial (slido, lquido, gaseoso). La velocidad de propagacindepende de las propiedades elsticas e inerciales del medio. Haydos tipos bsicos de ondas mecnicas: TRANSVERSALES YLONGITUDINALES.

En las ondas longitudinales el desplazamiento de las partculas esparalelo a la direccin de propagacin, mientras que en las ondastransversales es perpendicular.

LAS ONDAS SONORAS SONLONGITUDINALES

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VELOCIDAD, LONGITUD DE ONDA Y FRECUENCIA DE UNA ONDA SONORA

De qu forma se relacionan la longitud de onda y la frecuencia deuna onda sonora?

A MAYOR FRECUENCIA MENOR LONGITUD DE ONDA YVICEVERSA.

Para ver de que forma se relacionan consideremos una ondaperidica desplazndose hacia la derecha. El tiempo entre elinstante que una cresta pasa por un punto espacial dado y elinstante en que llega la prxima es el perodo T (T=1/f). La distanciaque recorre la onda de un instante a otro corresponde a la longitudde onda L, por lo que la relacin es: L /T = Lf = c, donde c es lavelocidad del sonido.

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ONDA

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Presin

Amplitud

Longitud de onda ( l )

Presin

Amplitud

Longitud de onda ( l )

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ANLISIS DE ESPECTRO DE FRECUENCIA Y PARA QU SE USA

Descomposicin de un ruido en las diversas frecuencias que lo

constituyen indicando el nivel de presin sonora de cada una.

Dado que el comportamiento de muchos materiales acsticos

(aislantes y absorbentes) depende de la frecuencia, para conocer el

efecto de tales materiales sobre un ruido dado es preciso conocer

cules son las frecuencias que contiene y el nivel de cada una de

ellas. Tambin los efectos del ruido sobre el ser humano dependen

de la frecuencia, tanto el riesgo auditivo como la sensacin de

molestia

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Banda de Octava

Es una banda de frecuencia en la que la frecuencia msalta (fs) es dos veces la frecuencia ms baja, fi. Los filtrosde bandas de octava se indican mediante la frecuenciacentral que corresponde a dicha banda, fc. En los filtros debanda de octava el ancho de banda de ruido, B, esaproximadamente el 70% de su frecuencia central. Porejemplo, el filtro de 1 kHz admite las frecuencias entre 707Hz y 1414 Hz, rechazando todas las otras (el nombresurge de la msica, porque una octava cubre 8 notas de laescala musical diatnica).

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Un ejemplo de la utilidad de un anlisis de frecuenciasera al comparar el ruido generado por una turbina ypor un compresor.

Cuando el ruido se mide con un sonmetro, el nivel totalde ruido es 113dB(A).

Usando filtros de banda de octava de 1/1 podemosdividir el ruido de cada mquina en sus partescomponentes y queda muy claro que la turbina estproduciendo una frecuencia de ruido mucho ms bajaque el compresor.

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Esto tiene una repercusin cuando se tiene queespecificar la proteccin auditiva requerida. Senecesitar una proteccin distinta para trabajar con cadamquina, ya que el EPP para el compresor puede queno sea el adecuado para la turbina.

Esto tambin es aplicable cuando se estudia un recintoo materiales de insonorizacin.

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PRESIN SONORA

Segn lo visto hasta el momento, el sonido puede considerarsecomo una sucesin de ondas de compresin y rarefaccin que sepropaga por el aire. Sin embargo si nos ubicamos en un punto enel espacio (una posicin fija) veremos como la presin atmosfricaaumenta y disminuye peridicamente a medida que tienen lugar lassucesivas perturbaciones.

La presin atmosfrica se mide en Pascal y es del orden de los100.000 Pa (o como en los informes meteorolgicos de 100 hPa).Sin embargo, cambios de presin debidos al pasaje de una ondasonora son muy pequeos respecto a este valor de presinatmosfrica. Los sonidos ms intensos que se perciben implicanun incremento de 20 Pa. Por esta razn, para distinguir elincremento de presin de la presin atmosfrica en ausencia desonido se lo denomina Presin Sonora (p).

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INTENSIDAD SONORA ( I )

La intensidad sonora puede definirse como: la cantidad de energaacstica por unidad de tiempo que pasa a travs de una unidad de reaque es normal a la direccin de propagacin. Para una onda sonora que sepropaga libremente; la intensidad sonora puede expresarse por:

P = presin sonora

= es la densidad del medio; para el aire a 22 C es de 1,18 x 10 3 gr/cm3

C = velocidad del sonido en el medio; en el aire es de 34.490 cm/seg a 22 C

)/(/ 22 cmsegergCPI

El producto C recibe el nombre de impedanciacaracterstica del medio. Para el aire a 22 C es de40,7

Por lo tanto

40, 7/2PI

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POTENCIA SONORA ( W )

La potencia sonora de una fuente es la cantidad de energa acstica producida por la fuente en la unidad de tiempo. La potencia sonora se relaciona con la intensidad sonora por la siguiente ecuacin:

Donde:

I es la intensidad sonora promedio a la distancia r desde la fuente sonora cuya potencia acstica es W. La cantidad 4r2 es el rea de una esfera sobre cuya superficie se ha promediado la intensidad.

)(4 2 wattrIW

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EL DECIBEL

Unidad de medida utilizada para el nivel de potencia o nivel deintensidad del sonido. En esta aplicacin la escala termina hacia los140 dB, donde se llega al umbral del dolor.

Se utiliza una escala logartmica porque la sensibilidad que presenta elodo humano a las variaciones de intensidad sonora sigue una escalaaproximadamente logartmica, no lineal. Por ello el belio y susubmltiplo el decibelio, resultan adecuados para valorar la percepcinde los sonidos por un oyente.

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Nivel de Presin Sonora, NPS

La mayora de los instrumentos de medicin sonora estncalibrados para leer en trminos del logaritmo comn de larazn de las presiones sonoras. Esta lectura se llama nivel depresin sonora (NPS) y se expresa en decibeles. La palabranivel pone de relieve el hecho que el valor es sobre la base deuna presin de referencia (P0) dada. Para mediciones sonorasen el aire, el valor 0,0002 bar sirve como la presin dereferencia. Esta referencia fue escogida a causa de que seaproxima al umbral del odo humano.

La presin sonora es la presin que se debe agregar a lapresin atmosfrica para obtener el valor real de presinatmosfrica en presencia de sonido.

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Las presiones sonoras audibles varan entre los 20 micro Pa y los20 Pa. Es importante apreciar que es un rango muy importante devariacin (de un milln de veces). Esta gran cantidad de cifras esincmoda de manejar. Es por esta razn y por razones fisiolgicasque normalmente se expresa la presin sonora en decibles y sedenomina Nivel de Presin Sonora (NPS o SPL por sus inicialesen ingls). Se define un nivel de presin sonora de referencia, quees aproximadamente la mnima presin audible (20 micro Pa). Sedefine el Nivel de Presin Sonora como:

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Donde:

P = es la presin sonora efectiva

Po = es la presin sonora RMS de referencia. Para la presin de referencia de 0,0002 bar, el nivel de presin sonora puede expresarse como sigue:

NPS = 20 Log P+74

La notacin dB proporciona la ventaja adicional de seguir las caractersticas de respuesta del odo mucho ms aproximadamente que las unidades de presin directa. De la ecuacin

NPS = 20 log P +74 podemos encontrar la presin si se conoce el NPS Despejando P de la ecuacin anterior tenemos:

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NIVEL DE INTENSIDAD SONORA, NI

Las unidades de intensidad sonora tal como las unidades de presin sonora deben cubrir un amplio tramo en las aplicaciones prcticas y es ventajoso usar los niveles en dB para contraer la escala de medidas y aproximar mejor las caractersticas de respuesta del odo. El nivel de intensidad se define como sigue

Donde:

I = es la intensidad medida en un punto (watt / cm2)

I0 = es la intensidad de referencia (watt / cm2)

La intensidad de referencia usada comnmente es de 10-16

watt / cm2. En el aire esta referencia corresponde a la presin de referencia de 0,0002 bar.

Por lo tanto: I0 = 0.983 x10-16 = 10-16 (watt / cm2 ).

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Para la intensidad sonora de referencia I0 = 10-16 el nivel de

intensidad sonora puede expresarse como sigue:

Conocido el NI podemos determinar la intensidad sonora, a partir de la siguiente ecuacin:

)(160log10 dBIIN

2/10

160log cmwatt

NIantiI

NIVEL DE POTENCIA SONORA, NWS

A causa del amplio rango de las unidades de potenciaimplicadas es a menudo conveniente describir una fuentesonora por el nivel de potencia sonora (NWS) que se definecomo sigue:

La potencia de referencia escogida arbitrariamente y usada comnmentees de 10 13 watt.

)(log100

dBW

WSWN

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Para la potencia sonora de referencia W0 = 10-13 el nivel de potencia sonora puede expresarse como sigue:

De la misma forma conocido el NWS se puede determinar la potencia de la fuente a partir de:

)(130log10 dBWSWN

)(10

130log watt

NWSantiW

Dosis de Ruido

Un ruido puede ser daino no slo por su intensidad sinoque tambin por su duracin. Por lo tanto, cuando secombinan estos factores, estamos hablando deexposicin a ruido.

La dosis de ruido es una medida prescrita en normativasnacionales del nivel de exposicin a ruido al que estasometida una persona. La dosis de ruido, en tanto porciento, puede calcularse por la siguiente expresin:

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La dosis de ruido se define como:

D = Te x 100Tp

donde

Te: tiempo de exposicin al NPS del ruido

Tp: tiempo permitido para el NPS del ruido

DOSIS DE RUIDO, D

La podemos definir como la cantidad de ruido recibida por un trabajador, y se expresa generalmente como un porcentaje de la dosis mxima (100%).

Segn nuestra legislacin, Decreto N 594, Titulo IV, Prrafo III, Artculo 76:

Cuando la exposicin diaria a ruido est compuesta de dos o ms perodos de exposicin a diferentes niveles de presin sonora continuos equivalentes, deber considerarse el efecto combinado de aquellos perodos cuyos NPSeq sean iguales o superiores a 80 dB(A) lento. En este caso deber calcularse la dosis de ruido diaria (D), mediante la siguiente frmula:

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Te = Tiempo total de exposicin a un determinado NPSeq.

Tp = Tiempo total permitido de exposicin a ese NPSeq.

La dosis de ruido diaria mxima permisible ser 1 (100%)

n

n

Tp

Te

Tp

Te

Tp

TeD .....

2

2

1

1

Para determinar el tiempo permitido Tp se puede hacer mediante la tabla que aparece en el Artculo 75 del Decreto N 594. o bien usando la siguiente expresin matemtica:

.)(

2

16

3

82hrsTp

NPS

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A partir de los siguientes datos y resultados obtenidos en lamedicin de los siguientes NPSeq para tres secciones de unpuesto de trabajo en un servicio de esterilizacin, calcule la dosisde ruido y emita un juicio respecto del riesgo asociado a laexposicin.

Servicio de esterilizacin

Seccin NPSeq medido Tiempo de exposicin a NPS eq medido

Tiempo mx permitido a NPSeq medido

Secado 96 dB(a) lento 25 min 37,8 min Lavado 82 dB(a) lento 35 min 16 hrs Sala de Estar 80 dB(a) lento 7 hrs 24 hrs