El Sonido.

Vibración y Sonido:

-Vibración: Movimiento de vaivén de un

cuerpo que posee energía, la que le permite

moverse un lado y otro desde su posición

de equilibrio. Se producen por

perturbaciones al estado de reposo. Todos

los sonidos son producidos por la vibración

de algún cuerpo o medio material, pero no

todas las vibraciones son audibles.

Podemos clasificar los objetos que vibran

en: cuerdas, láminas y cavidades.

-Cuerdas: Cuerdas tirantes sujetas en ambos

extremos vibran al ser perturbadas. En ellas

se basan algunos instrumentos musicales.

-Láminas: Láminas de material sólido

(metal, madera, vidrio, etc.) o flexible

(cuero, plástico, etc.) vibran al ser

golpeadas. El sonido que emiten depende

de su forma.

-Cavidades: El aire atrapado en cavidades

es capaz de vibrar y generar tonos

determinados, que dependen de la forma y

tamaño de la cavidad.

-Elongación: Posición cualquiera de una

partícula respecto a la posición de equilibrio

en un determinado instante.

-Amplitud: Es la máxima elongación o

separación de la posición de equilibrio. Se

expresa en unidades de longitud.

-Ciclo de vibración: Tiempo en que la

vibración completa un ciclo, o sea, vuelve a

su posición de equilibrio.

-Vibraciones Periódicas: Es cuando todos

los ciclos tienen la misma duración.

-Periodo (T): El tiempo que emplea el

cuerpo en completar un ciclo. Se mide en

seg. Periodo de la onda=Periodo de cada particula

-Frecuencia (f): Cantidad de ciclos, en

cierta cantidad de tiempo. Se mide

generalmente en herzt, que quiere decir

ciclos por segundo.

Fq onda = Fq de cada particula

-Relaciones entre T y f:

1Tf =

-Altura o Tono de un Sonido: Característica que

determina la calidad de un sonido sea agudo (alto) o

grave (bajo). Es una característica psico-acústica, porque

depende de quien lo percibe. Se relaciona directamente

con la frecuencia de la fuente.

-Intensidad de un Sonido: Es también llamado volumen,

y depende de la energía que transporta y se relaciona

directamente con la amplitud de la vibración que lo

genera. Se mide en decibeles, y como es una unidad

objetiva puede ser medida por un sonómetro ú

osciloscopio. La intensidad es inversamente

proporcional al cuadrado de la distancia

entre el auditor la fuente emisora del

sonido.

El debilitamiento del sonido, a medida

que aumenta la distancia entre el auditor y la fuente

sonora, se debe a que las ondas se propagan en todos los

sentidos, aumentando el número de partículas que el

impulso causante debe mantener, por lo cual disminuye

progresivamente la amplitud de la onda sonora. Por otro

lado, el volumen o sonoridad, es una sensación

fisiológica y se percibe distintamente en las personas.

-Timbre de un sonido: Es la propiedad que nos permite

distinguir dos o más sonidos de igual altura e intensidad

emitidos por fuentes sonoras distintas. Por ejemplo, dos

sonidos de igual frecuencia (440 Hz) en un diapasón y

una flauta no suenan iguales y esto se debe a que las

fuentes no emiten sonidos de una sola frecuencia; el

sonido se compone de una suma de frecuencias, o sea

tienen composición armónica diferente. Depende

principalmente de la naturaleza de la fuente sonora y del

grado de complejidad de la onda respectiva. Al sonido

principal se le denomina fundamental; este va

acompañado de sonidos secundarios que se le

superponen. Si los sonidos secundarios constituyen una

frecuencia múltiplo de la frecuencia fundamental, se les

denomina sonidos armónicos.

-Reflexión: Es la propiedad que se manifiesta cuando

una onda (onda incidente) choca contra una superficie de

separación (medio reflector) de dos medios diferentes, es

decir, es una desviación que experimenta la onda al

incidir contra una superficie con una densidad tal que no

le permita atravesarlo. Así, la fracción de la energía que

porta la onda reflejada es grande si la superficie es rígida

y lisa, y si la superficie es suave e irregular, la energía

reflejada es menor. La onda conserva sus características,

pero la amplitud puede bajar. En el caso del sonido, la

reflexión determina el eco y la reverberación.

-Eco: El oído diferencia entre dos sonidos si el intervalo

de tiempo entre la percepción de uno y otro es superior a

0.1 seg; por lo tanto, para percibir eco, el sonido deberá

recorrer 34m. Luego, el obstáculo debe estar al menos a

17 mt para que se produzca el eco monosílabo. Si la

distancia es un poco mayor de 17 mt el sonido reflejado

podría perturbar el sonido emitido, produciéndose un

eco nocivo. No obstante, si el sonido reflejado se

sobrepone al emitido, entonces el eco es útil.

1 T

fα

-Reverberación: Son extensiones del sonido

percibido, debido a las sucesivas

reflexiones que se generan, por esto un

receptor percibe el sonido un poco más

largo debido al acoplamiento de reflexiones

provenientes desde distintos puntos. El

tiempo de reverberación está asociado al

tiempo en el que un sonido decae hasta que

ya no es audible.

-Transmisión: El sonido se trasmite por

medios materiales a distintas velocidades,

mediante la vibración de moléculas del

medio, producto de la vibración de la

fuente. Mientras más denso el medio,

mayor rapidez de propagación. En el

proceso de transmisión, las moléculas de

aire no se trasladan de un lugar a otro, sino

que vibran en su posición de equilibrio

transmitiéndose así, la energía liberada al

emitir el sonido. Para que se transmita en el

aire, deben existir zonas de compresión y

rarefacción. En el vacío el sonido no se

propaga. La eficiencia de la transmisión

depende inversamente de la frecuencia, a

mayor frecuencia, menor eficiencia, ya que

las altas frecuencias se pierden por la

distancia. La velocidad de transmisión

depende de propiedades físicas del medio, y

no de la frecuencia ni la amplitud.

-Elasticidad: Propiedad de recuperar su

forma, después de una deformación. En un

medio elástico las moléculas están muy

cerca y reaccionan rápidamente a la

perturbación. A mayor elasticidad, mayor

velocidad.

-Densidad: Mientras más moléculas

disponibles para propagar el sonido mayor

velocidad.

-Temperatura: A

mayor temperatura,

mayor velocidad.

-Absorción: Los materiales blandos y de

baja densidad absorben el sonido con lo que

disminuye la reflexión. Esto por que por lo

general poseen numerosas cavidades con

aire, y el sonido se refleja en su interior sin

salir. Mientras mayor sea la frecuencia,

mejor es la absorción del sonido.

-Atenuación: Disminución de la intensidad

del sonido por la distancia. Se debe a que el

medio de propagación va absorbiendo parte

de la energía sonora durante la propagación.

Así la amplitud decrece, pero el periodo y

la frecuencia se mantienen constantes.

-Refracción: Si una onda viajera se encuentra con un

medio de distinta densidad, y que le permite seguir

propagándose, puede sufrir la variación de la velocidad y

eventualmente cambio de dirección. En el caso del

sonido, una diferencia en la temperatura del aire permite

que este se comporte como si fuesen medios diferentes.

Por ejemplo, en un día frío o durante la noche, cuando la

capa de aire próxima al suelo está más fría que el aire de

más arriba, la rapidez del sonido cerca del suelo se

reduce, por lo cual es posible escuchar a distancias

mayores.

-Difracción: La difracción se produce en todas las ondas.

Es alteración en la propagación de una onda cuando

encuentra algún obstáculo pudiendo sortearlo. Esta

propiedad es de gran importancia en las ondas sonora,

puesto que la presencia de objetos en su trayecto desvía

la onda. El sonido se caracteriza por la alta capacidad de

difractarse, generando, a su vez, otros efectos de quiebre

de ondas, lo que mejora su percepción.

-Interferencia: Cuando se emiten ondas desde dos puntos

diferentes, al encontrarse se superponen, generándose

zonas de refuerzo (int. constructiva) y zonas de

anulación (int. destructiva).

-Fisiología del oído:

Pabellon Canal Timpano

Coclea Ventana Oval Huesillos

Mb. Basilar Org. de Corti Nervio

→ →

↓

← ←

↓

→ →

El sonido ingresa al pabellón y pasa al canal auditivo. Al

llegar al tímpano, como es una membrana elástica, lo

hace vibrar. Esta vibración hace que el martillo, yunque

y estribo vibren, los que amplifican hasta 40 veces el

sonido, por palanca, y hacen que vibre la ventana oval,

que después se transmite al líquido dentro de la coclea o

caracol, y después a la membrana basilar. Así se

estimulan las terminaciones nerviosas del órgano de

Corti, lo que genera el impulso nervioso que pasa al

nervio auditivo, que viaja hasta el encéfalo.

-Perdidas de Audición y Contaminación Los sonidos

fuertes pueden causar pérdida de sensibilidad auditiva,

ya que destruyen las células del oído interno, que no se

regeneran. La sordera se puede producir por problemas

del nervio acústico, fallas de las células ciliadas al

interior de a coclea, o por huesillos soldados. También,

por virus, accidentes o explosiones. La presbicusia es la

perdida natural de la audición por vejez. La

contaminación acústica se refiere al ruido. Se considera

contaminante, y puede producir efectos fisiológicos y

psicológicos nocivos, como la pérdida de audición e

irritabilidad exagerada. Se consideran los 50 dB como el

límite superior deseable.

-Rango de audición: 16-20.000 Hz

(331 0.6 ) mv ts

= +

Ondas y Sonidos

-Onda: Perturbación que se propaga en

algún medio (sólido, líquido, gas), desde la

perturbación (foco) hacia otras regiones del

medio (movimiento oscilatorio). Es un tren

de pulsos o pulsos sucesivos. Si se realiza

en tiempos iguales es una onda periódica.

Cabe destacar que las ondas son portadoras

de energía, pero no de materia.

-Longitud de onda (λ): Distancia que

recorre una onda en un periodo. También

puede definirse como la distancia existente

entre dos partículas consecutivas en igual

condición de fase

-Velocidad de propagación: Depende de la

naturaleza del medio, elasticidad y

densidad. Luego, la velocidad de

propagación está dada por:

Lo que caracteriza a cada onda es su

frecuencia (si se cambia, cambia la onda),

por tanto cualquier cambio de velocidad se

traduce como un cambio de λ.

-Amplitud: Distancia de la posición de

equilibrio, a la altura máxima de una cresta.

Es la elongación máxima que alcanza una

partícula en el medio de una vibración.

AEnergia α

-Clases de onda

-Según la naturaleza:

Ondas mecánicas: Son las que se propagan

por medios materiales. Para que se

propague la onda, es necesaria la elasticidad

del medio. Se generan por perturbaciones

mecánicas como golpes.

Ondas electromagnéticas: Se generan po la

oscilación del campo eléctrico y magnético,

los que son inseparables. No requieren de

un medio material de propagación, aunque

eventualmente pueden hacer uso de él.

-Según la periodicidad de la fuente que la

origina:

Ondas periódicas: Se producen de manera

constante, la misma onda se repite en el

mismo tiempo.

Ondas no periódicas: No se repiten de igual

forma en el mismo tiempo.

-Según la dirección del movimiento de las partículas:

-Ondas Longitudinales: La dirección de propagación

coincide con la oscilación. El sonido se propaga en el

aire como una onda longitudinal.

Ondas Transversales: La dirección de propagación es

perpendicular al de la oscilación.

-Según el sentido de propagación:

-Ondas estacionarias: Son las que viajan en ambos

sentidos, como limitadas entre dos extremos. La onda

viajera se refleja invertida respecto a la incidente en el

extremo de un medio dado. Así, se superponen y parece

una onda fija. Cada punto oscila con una amplitud fija.

Los puntos estacionarios donde la amplitud es nula, son

los nodos y zonas con máxima amplitud, son los

antinodos. Los nodos se encuentran a una distancia igual

a media longitud de onda λ/2, uno de otro. El número de

antinodos es inferior en una unidad al número de nodos.

La energía no se propaga libremente, sino que esta

confinada en una región del espacio. La amplitud de

vibración de las moléculas del medio permanece

constante mientras siga perturbándose exteriormente,

sino la amplitud decrece con el tiempo.

-Ondas viajeras o progresivas: Son las que se propagan

en un sentido único, desde una fuente. Su amplitud

disminuye a medida que transcurre el tiempo.

-Onda sonora: Las ondas sonoras son ondas mecánicas,

periódicas y longitudinales que se transmite cuando el

cuerpo vibrante comprime y descomprime el aire de su

entorno.

-Condiciones para que se genere el sonido: Un cuerpo

vibrante, un medio elástico en que el sonido se

propague, una frecuencia en un rango audible, la entre

16 Hz y 20.000 Hz, oído en buenas condiciones de

recepción.

Velocidad de propagación: Los sólidos, líquidos y gases,

constituyen medios elásticos propicios para la

propagación de ondas longitudinales. No obstante, las

ondas transversales no pueden propagarse en fluidos por

necesitar estos medios, de fuerzas tangenciales

recíprocas que se opongan al desplazamiento de las

moléculas, y de las fuerzas elásticas necesarias que

lleven las partículas de nuevo a su posición de

equilibrio.

-Resonancia: Todo objeto tiene su

frecuencia natural de vibración, que

depende de la forma, el tamaño y el

material de construcción. Cuando la

frecuencia externa con la que se le hace

vibrar es la mima, la amplitud es máxima,

así puede decirse que es un refuerzo de

amplitud, que se produce al acoplarse el

sonido de una frecuencia con otro muy

similar.

-Efecto Doppler: Este efecto en que se

perciben frecuencias aparentemente

diferentes por un receptor, respecto a la

emitida por la fuente. Esta genera un

cambio de tono del sonido. La frecuencia

con que se percibe un sonido depende de la

velocidad relativa entre el emisor y el

receptor. La diferencia obedece a que al

aproximarse la fuente sonora, se genera una

compresión de las ondas, traducida en un

aumento de la frecuencia, por lo que el

sonido tiende a ser más agudo. Sin

embargo, cuando la fuente sonora se aleja,

las ondas se descomprimen y por lo tanto,

la frecuencia de percepción se hace menor,

es decir, el sonido tiende a ser más grave.

Si aumenta la diferencia de velocidades, el

efecto se percibe más notoriamente.

El efecto Doppler no solo ocurre con el

sonido, sino también con cualquier tipo de

onda, incluso con la luz, y se llama

corrimiento al rojo.

0

f

0

f

'

velocidad de la onda

v velocidad del observador

v velocidad de la fuente

f '=frecuencia aparente

f=frecuencia real emitida

v + se acerca / - se aleja de la fuente

v + se aleja / - se acerc

o

f

v vf

f v v

v

±=

±

=

=

=

=

= a al observador

-Aplicaciones de Ultrasonido: En ecografía, se observa

el interior del cuerpo, mediante una onda que refleja los

órganos internos y permite visualizar en una pantalla la

imagen de los mismos. A diferencia de los rayos X, esta

técnica permite observar en forma permanente lo que

sucede al interior del cuerpo, detectando los

movimientos que ocurren en los órganos observados.

Otras aplicaciones se ven en los radares, sonares, y

ondas de murciélagos o ecolocalización.

-La cuerda vibrante: El tono depende de la longitud de la

cuerda y de la tensión y su tensión. Mientras menor el

largo más agudo, y mientras mas tenso, más agudo, y

mientras mayor sea la densidad lineal, mayor frecuencia

si la tensión es constante.

TensionAltas Frecuencias

Longitud

ρα

⋅

-Superposición de ondas: Al chocar dos o más ondas se

suponerponen, y la elongación de la onda resultante es

igual a la suma algebraica de todas las componentes del

punto. Después, cada una sigue igual, conservando sus

propiedades, o sea, las ondas son iguales antes, y

después de la superposición.

-Onda estacionaria en cuerda vibrante: La superposición

de las ondas en una cuerda vibrante, dará origen a una

onda estacionaria. Así encontraremos nodos (puntos sin

vibración) y antinodos (Amplitud máxima). Entonces la

distancia entre dos nodos será λ/2 y la amplitud de la

onda estacionaria será 2A. Además, el extremo de la

cuerda también es un nodo. La amplitud de oscilación

depende de la distancia al nodo más cercano.

-Modos Normales de vibración: Son las diferentes

formas en que puede vibrar una cuerda, generando ondas

estacionarias. Cada modo tendrá una forma y sonido

característico, dado por la frecuencia con la que vibra.

La mínima frecuencia se llama frecuencia fundamental o

f0, y si vibra con ella, se ha establecido su modo

fundamental de vibración. La frecuencia de los demás

nodos son múltiplos enteros de f0, y se llaman

armónicos. 0nf n f= ⋅

Así la longitud de onda será 2L

nλ =

-Relación Longitud y tensión con su frecuencia: En el

caso de los instrumentos de cuerda, la velocidad de

propagación está dada por:

-Interferencia: Es cuando dos ondas de igual frecuencia y en igualdad de fase se superponen en un

medio, se produce una alternancia de máximos (zonas de interferencia constructiva) y mínimos

(zonas de interferencia destructiva) de amplitud de vibración. En las zonas constructivas se alcanza

el máximo volumen y en las destructivas, silencio.

-Pulsaciones entre dos tonos de frecuencia similar: La frecuencia de las pulsaciones depende de la

diferencia existente entre las frecuencias de cada una de las dos ondas que se superponen. Mientras

mayor sea su diferencia, mayor será la frecuencia de sus pulsaciones, y a medida que ambas

frecuencias se hacen más cercanas, la frecuencia de la pulsación disminuye. La frecuencia de la

pulsación se puede expresar de la siguiente forma.

1 2pf f f= −

A medida que aumenta la diferencia entre las frecuencias de ambas ondas, disminuye el periodo con

que la onda resultante alcanza su máxima amplitud, de modo que el fenómeno de las pulsaciones

comienza a hacerse cada vez, más difícil de percibir por el oído humano.

Es importante no confundir frecuencia de la pulsación con la frecuencia de la onda resultante.

Mientras la frecuencia de a pulsación corresponde a la diferencia de las frecuencias de las ondas

componentes, la frecuencia de la onda resultante se calcula como el promedio de las frecuencias de

las ondas componentes.

reigen_ Fmat 2007

Fuentes: http://www.educarchile.cl http://www.psu-unab.cl/ Fisica. Editorial Santillana. 2006.