C U R S O: FÍSICA COMÚN

MATERIAL: FC-03

ONDAS II

PARLANTES

Elisha Gray (Barnesville, 1835 - Newtonville, 1901) Inventor estadounidense, célebre porsus reivindicaciones sobre la invención del teléfono y por idear diversos aparatos decomunicación eléctrica, ideó un sencillo altavoz para hacer audible la transmisión de la voz.Es una de las personas que se le atribuye la invención de los altavoces o parlantes.En 1867 registró su primera patente de un aparato perfeccionado de telegrafía, al quesiguieron después unos setenta inventos más; el más famoso fue el telégrafo armónico omusical, basado en las vibraciones de los impulsos electromagnéticos.El 14 de febrero de 1876 presentó en la Oficina de Patentes un nuevo aparato, el teléfono,que transmitía la voz humana a través del hilo telegráfico, pero lo hizo dos horas despuésque Alexander G. Bell hiciera lo propio con otro aparato muy parecido; Gray reclamóentonces la paternidad del invento, y según algunos después de unos oscurosacontecimientos le fue adjudicada a Bell.

Hay distintos tipos de parlantes, por ejemplo de bobina móvil, parlantes dinámicos, demembrana móvil, etc. Un parlante es un transductor electro-mecánico-acústico, lostransductores transforman un tipo de energía en otro. El parlante hace un papel similar aldel micrófono, solo que a diferencia de este, el parlante realiza la operación inversa, ya que,transforma señales eléctricas en ondas de presión y densidad sonora, es decir generaperturbaciones mecánicas. En la primera parte convierte las ondas eléctricas en energíamecánica y en la segunda etapa convierte la energía mecánica en energía acústica. Laspartes principales que componen un parlante de bobina móvil son un imán con forma derosquilla, un diafragma y una bobina, que está unida al diafragma. Debido al campomagnético que se genera la bobina se mueve lo que hace que el diafragma se mueva. Elmovimiento del diafragma es el que provoca zonas de compresión y rarefacción en lasmoléculas del aire.

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EL SONIDO

El sonido es una onda mecánica longitudinal que se produce por la vibración de un medioelástico que puede ser sólido, líquido o gaseoso y se transmite por variaciones de presión delmedio.

Características del sonido

i) Tono o altura

Es la característica que permite distinguir cuando un sonido es más agudo o más grave queotro. Depende principalmente de la frecuencia de la onda sonora, correspondiendo a lossonidos agudos frecuencias altas y a los sonidos graves frecuencias bajas.

Es conocido que el sistema auditivo humano típico puede apreciar como sonido,vibraciones con frecuencias entre 20 Hz (umbral inferior) y 20.000 Hz (umbral superior),intervalo que se conoce como rango audible. Vibraciones con frecuencias bajo 20 Hz sellaman infrasonido y sobre 20.000 Hz ultrasonido, ninguna de las cuales es audible por eloído humano.

ii) Timbre o calidad

Es la característica que permite diferenciar dos o más sonidos de igual altura e intensidademitidos por fuentes sonoras distintas.

iii) Intensidad

Es la característica que permite distinguir cuando un sonido es fuerte o débil. Dependefundamentalmente de la amplitud de la onda, correspondiendo a sonidos fuertes ondas degran amplitud y a sonidos débiles, ondas de menor amplitud. Para medir la intensidad delsonido se utiliza un instrumento llamado sonómetro. La unidad de medida del nivel deintensidad, es el decibel (dB)

Infrasonido Sonido Ultrasonido

Menores de 20 Hz 20-20.000 Hz Mayores a 20.000 Hz

dB Fuente de Sonido0 Silencio absoluto30 Canto de un pájaro pequeño50 Conversación normal90 Alguien gritando cerca100 Obras de carretera con maquinaria pesada120 Cerca de un escenario de un concierto de rock

140

Exposición permanente a un ruido de este nivel producirádaños en el tímpano. Estando a 50 m de un avión comercial apunto de despegar; en este nivel el sonido causará dolor yposibles náuseas.

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Rapidez de propagación

La rapidez de propagación de una onda sonora depende del medio a través del cual se

propaga y de dos factores importantes: la temperatura del medio y la densidad del medio.

Cualquier variación de estos factores hará variar la velocidad de propagación. La siguiente

tabla nos muestra algunos valores de velocidad del sonido en distintos medios y a

distinta temperatura.

Nota: La rapidez de propagación de la onda sonora es independiente de la frecuencia y de la

longitud de onda, en un medio homogéneo y a temperatura constante esta velocidad es

también constante.

Medio Velocidad

Hidrógeno 1286 m/s

Oxigeno (a 0°C) 317 m/s

Helio (a 0°C) 972 m/s

Aire seco (a 0°C) 331 m/s

Aire seco (a 20°C) 340 m/s

Agua (a 25°C) 1493 m/s

Agua (a 15°C) 1450 m/s

Agua (a 8°C) 1435 m/s

Alcohol metílico (a 25°C) 1493 m/s

Agua de mar (a 25°C) 1553 m/s

Aluminio (a 25°C) 5100 m/s

Cobre (a 25°C) 3560 m/s

Hierro y acero (a 2(°C) 5130 m/s

Plomo (a 25°C) 1322 m/s

Hule vulcanizado (a 25°C) 54 km/s

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Fenómenos que ocurren en el sonido

El sonido por ser una onda se puede reflejar, refractar, difractar y además cumple con elprincipio de superposición.

Reflexión

La reverberación es un fenómeno derivado de la reflexión del sonido consistente enuna ligera prolongación del sonido una vez que se ha extinguido el original, debido a lasondas reflejadas. Estas ondas reflejadas sufrirán un retardo no superior a 100 milisegundos(0,1 s), que es el valor de la persistencia acústica, tiempo que corresponde a una distanciarecorrida de 34 metros a la velocidad de 340 m/s (el camino de ida y vuelta a una paredsituada a 17 metros de distancia). Cuando el retardo es mayor ya no hablamos dereverberación, sino de eco. La reverberación se puede corregir sin cambiar la geometría dela sala colocando materiales tanto en las paredes como en el suelo o techo que absorbanla mayor parte del sonido.

El eco es otro fenómeno relacionado con la reflexión del sonido. La señal acústica original seha extinguido, pero aún devuelve sonido en forma de onda reflejada.

Se produce eco cuando la onda sonora se refleja perpendicularmente en una pared. Paraque se produzca eco, la superficie reflectante debe estar separada del foco sonoro unadeterminada distancia: 17 m o más para sonidos musicales, lo que se debe a la persistenciaacústica. El oído puede distinguir separadamente sensaciones que estén por encima deltiempo de persistencia acústica, que es 0,1 s para sonidos musicales. Por tanto, si el oídocapta un sonido directo y, después de los tiempos de persistencia especificados, capta elsonido reflejado, se apreciará el efecto del eco.

Refracción

Ocurre cuando una onda sonora cambia de medio. La refracción del sonido a veces no esfácil de distinguir, pues como el sonido que sale de una fuente sonora se dirige en todaslas direcciones, en forma tridimensional, será difícil percibir la desviación que ocurre alentrar a otro medio. Sin embargo, si se pudiera aislar una onda sonora se verificaría estapropiedad.

Difracción

Al pasar por una abertura (una ventana abierta, por ejemplo), el sonido hace que laabertura se comporte como una fuente sonora. Por ello, alguien que este fuera del recintodonde se produce el sonido podría creer que éste proviene de esa abertura.Algo similar ocurre cuando el sonido, en su trayectoria se encuentra con un borde (de unapared, por ejemplo). Ahí el frente de ondas sufrirá una deformación, de tal forma que eseborde se comporta como una fuente de ondas sonoras.

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Interferencia

Recordemos que la superposición de ondas se conoce como interferencia. Si lainterferencia se produce en fase, las ondas se interferirán de forma constructiva.

En la interferencia constructiva de ondas sonoras, percibiremos un sonido de mayorvolumen. Esto ocurre porque la amplitud del sonido aumenta y, en consecuencia, en la zonadonde se produce esta interferencia la onda sonora transportará una mayor cantidad deenergía. Si la interferencia es destructiva, se generan zonas de silencio, es decir, zonasdonde no se escucha sonido alguno.

Efecto Doppler

Cuando un auto de la policía pasa a gran velocidad junto a nosotros tocando la sirena,percibimos que el tono del sonido cambia; a medida que el auto se acerca se aprecia untono más agudo, y se percibe más grave a medida que se aleja.Este fenómeno se conoce como efecto Doppler, en honor al físico austriaco Christian J.Doppler.

Para comprender este fenómeno consideremos un auto policial en movimiento con sussirenas emitiendo sonido. El vehículo tiende a alcanzar las ondas sonoras que se propagandelante de ella y a alejarse de las que se propagan detrás. Esto da por resultado que, paraun observador estático, aparentemente las ondas se compriman delante y se expandandetrás de la fuente en movimiento.

Tal como lo muestra la figura 1, para José que está delante del auto le llegarán másperturbaciones de onda por segundo por lo que aprecia una frecuencia mayor que laproducida por la fuente de sonido. En cambio, Anita que está parada detrás delvehículo le llegarán menos perturbaciones por segundo y percibirá una frecuencia menor.

fig. 1

vAnita José

RP 007

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Cuando el receptor (R) y la fuente emisora (E) se mueven simultáneamente (a lo largo deuna misma recta), la frecuencia que detectará el receptor depende, naturalmente, de lasvelocidades de ambos y está dada por:

Observe que los signos “+” en el numerador y “–” en el denominador corresponden a unaumento de frecuencia (aproximación entre la fuente y el receptor). Por otra parte, los signos“-” en el numerador y “+” en el denominador corresponden a una disminución de lafrecuencia (alejamiento entre la fuente y el receptor).Las ecuaciones anteriores, aunque hayan sido deducidas para ondas mecánicas, puedenaplicarse también a las ondas luminosas, si las velocidades del emisor y el receptor sonmucho menores que la velocidad de la luz en el vacío. Cuando esto no ocurre, las ecuacionesse alteran debido a efectos relativistas.

Frecuencia Natural

Se llama frecuencia natural al sonido característico de un objeto cuando vibra. La frecuencianatural depende de factores tales como la elasticidad y la forma del objeto. Dos objetosdiferentes, por lo general, emiten sonidos distintos cuando vibran.

Resonancia

Se denomina vibración forzada a la vibración inducida sobre un cuerpo por otro queesta vibrando. Cuando la frecuencia de las vibraciones forzadas que se generan en unobjeto coincide con la frecuencia del mismo se produce un aumento notable en elvolumen del sonido que emiten. Este fenómeno se denomina resonancia.Los ejemplos más notables de la resonancia son:

- Si una cantante mantiene una nota de cierta frecuencia, puede llegar a inducirvibraciones en un vaso hasta que se rompa.

- Los soldados rompen el paso para atravesar un puente, ya que el paso de la marcharegular puede hacer vibrar un puente y causar su destrucción El viento (1940) hizo oscilarel puente Tacoma Narrows de Washington poniéndolo en movimiento y rompiéndolo.

Pulsaciones

Otro caso de interferencia ocurre cuando dos tonos de frecuencia ligeramente distintas suenanal mismo tiempo. La sonoridad de los sonidos combinados fluctúa; primero se eleva, luegodesciende, luego se eleva, luego vuelve a descender, y así sucesivamente. Estas variacionesperiódicas de la sonoridad del sonido se conocen como pulsaciones o batido.

donde

fR es la frecuencia del receptor.fE es la frecuencia del emisor.VE velocidad del emisor.VR velocidad del receptor.VS velocidad de la onda.

fR = fE · S R

S E

V VV V

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El sistema auditivo humano

El sistema auditivo humano es un delicado y complejo mecanismo que permite la recepcióndel sonido. Está formado por tres partes principales: el oído externo, el oído medio y eloído interno.El oído externo está constituido por el pabellón auditivo u oreja, el conducto auditivo yla membrana conocida como tímpano. La oreja, por su forma y dimensiones, facilita larecepción del sonido.El oído medio es un conducto estrecho y lleno de aire que por un lado limita con el tímpano ypor el otro con la ventana oval y la ventana redonda que permiten la comunicación con el oídoexterno. Se comunica con la nariz y la garganta a través de la trompa de Eustaquio. Ensu interior se encuentran cuatro huesos pequeños y móviles (el martillo, el yunque, ellenticular y el estribo) cuya función es conectar acústicamente la ventana oval.El oído interno o laberinto es una cavidad llena de líquido viscoso y contiene los órganos dela audición y del equilibrio. Está constituido por 3 cavidades: el vestíbulo, los tres canalessemicirculares y el caracol.

Usos del sonido en medicina

En medicina, los ultrasonidos se emplean como herramienta de diagnóstico, para destruirtejido enfermo y para reparar tejidos dañados. Las ondas ultrasónicas se han empleado paratratar afecciones como bursitis, diferentes tipos de artritis reumática, gota o lesionesmusculares, y también para destruir cálculos renales. Como herramienta de diagnóstico, losultrasonidos son frecuentemente más reveladores que los rayos X, que no son tan útilespara detectar las sutiles diferencias de densidad que aparecen en ciertas formas de cáncer;también se emplean con mucha frecuencia para producir imágenes del feto durante elembarazo. Cuando las ondas ultrasónicas atraviesan un tejido, se ven más o menosreflejadas según la densidad y elasticidad del tejido. Con un bisturí ultrasónico, un cirujanopuede realizar una incisión más fina que con un escalpelo convencional. Este tipo de técnicasse ha empleado para operaciones delicadas en el cerebro y el oído.

Yunque

Lenticular

EstriboCanales semicirculares

Nervioauditivo

Cóclea(caracol)

Trompa deEustaquio

Ventana redonda

VentanaovalCartílagos de la oreja

Conductoauditivoexterno

Pabellón auricular

Cartílagos de la orejaMartillo

Tímpano

OÍDO EXTERNO OÍDOMEDIO

OÍDO INTERNO

fig. 2

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GLOSARIO

Eco: fenómeno que se produce por reflexión del sonido. El eco consiste en volver a escucharel sonido que se ha emitido, para ello se deben dar ciertas condiciones.

Efecto Doppler: Consiste en percibir una frecuencia distinta de la que emite la fuente. Estehecho se produce por el movimiento relativo entre la fuente y el que escucha. Este efectotambién ocurre con la luz. En medicina es usado para medir la rapidez de la sangre.

Infrasonido: Los sonidos de frecuencias menores a 20 Hz son conocidos como infrasonidos.

Intensidad: cuanto mayor es la intensidad más fuerte es el sonido y viceversa. Laintensidad del sonido es proporcional con la amplitud de la onda, al cuadrado.

Oído: Escuchamos gracias a que las perturbaciones mecánicas entran en la oreja y viajanpor el conducto auditivo externo. Luego llegan al oído medio chocando al tímpano el que asu vez pone en movimiento tres huesitos, (martillo, yunque, estribo). Gracias a esto laperturbación es amplificada lo que se comunica a la cóclea, ubicada en el oído interno.Dentro de la cóclea hay un fluido el cual es perturbado, al moverse el fluido mueve a su veza unos pelitos (células ciliares) que convierten esta perturbación en señales nerviosas, lascuales viajan por el nervio auditivo llegando finalmente al cerebro.

Pulsación o Batido: Este fenómeno se produce cuando se superponen sonidos defrecuencias muy parecidas. Claramente se percibe como el sonido sube y baja de intensidad.

Resonancia: Los cuerpos poseen una frecuencia natural de vibración. Cuando un cuerpo espuesto a vibrar en su frecuencia natural se dice que entró en resonancia. Este fenómeno secaracteriza porque el cuerpo vibra con máxima amplitud.

Supersónico: Son los sonidos que viajan a velocidades mayores que la del sonido.

Timbre: propiedad del sonido que permite diferenciar entre distintas fuentes sonoras alemitir por ejemplo sonidos de igual frecuencia fundamental.

Tono o Altura de un sonido: se relaciona con la frecuencia de la onda. Tono agudo es dealta frecuencia y el tono grave es el de baja frecuencia.

Ultrasonido: Se les denomina así a los sonidos de frecuencias superiores a 20.000 Hz.

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EJEMPLOS

1. Al amplificar la intensidad de un sonido ocurrirá que

A) aumentará su frecuencia.B) viajará más rápido.C) aumentará su longitud de onda.D) su periodo disminuirá.E) ninguna de las anteriores.

2. Una persona se ubica en una zona donde se produce eco. El sonido emitido por lapersona fue de 200 Hz y viajó con una rapidez de 330 m/s, entonces respecto al sonidoque regresa se afirma que:

I) tiene una frecuencia menor de 200 Hz.II) se devuelve con una rapidez de 340 m/s.

III) tiene el mismo periodo que el sonido inicial.

Es (son) falsa(s)

A) solo I.B) solo II.C) solo III.D) solo I y II.E) solo II y III.

3. Dos instrumentos, en un teatro, emiten notas musicales muy cercanas entre sí. Uno delos instrumentos emite un sonido de 280 Hz y el otro un sonido de 282Hz. De acuerdoa la situación descrita es correcto que

A) se producirá resonancia en el teatro.B) ambos sonidos se cancelarán y será difícil escucharlos.C) la intensidad del sonido resultante será la suma de las intensidades de ambos

sonidos.D) se percibirá un sonido que aumenta y disminuye de intensidad en forma regular.E) se producirá efecto doppler.

4. Una mamá le grita a su hija, que está completamente sumergida en una piscina, paraque salga a comer. Respecto del sonido en el agua se afirma que es un sonido de

I) frecuencia distinta, el que escuchará la hija.II) mayor longitud de onda.

III) mayor intensidad.

Es (son) verdadera(s)

A) solo I.B) solo II.C) solo III.D) solo I y II.E) I, II y III.

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PROBLEMAS DE SELECCIÓN MÚLTIPLE

1. Una onda de sonido propagándose en un medio líquido puede experimentar

I) el fenómeno del eco.II) efecto doppler.

III) transporte de materia.

Es (son) verdadera(s)

A) solo I.B) solo II.C) solo III.D) solo I y II.E) I, II y III.

2. Dos sonidos propagándose en un mismo medio homogéneo, se diferencian porque elprimer sonido tiene el doble de la longitud de onda que el segundo sonido. De loanterior se deduce correctamente que

A) ambos tienen la misma frecuencia.B) ambos sonidos tienen igual amplitud.C) la frecuencia del primer sonido es el doble de la que tiene el segundo sonido.D) ambos viajarán con la misma rapidez.E) el periodo del segundo sonido es el doble del periodo del primer sonido.

3. Un objeto tiene una frecuencia natural de 300 Hz, es sometido a distintas frecuencias,de modo que, comienza a vibrar. Respecto de la amplitud de la vibración es correctoque

A) vibrará con la misma amplitud sin importar la frecuencia a la que es sometido.B) si se aumenta la frecuencia desde 0 Hz hasta 1.000 Hz la amplitud aumentará

uniformemente.C) a 600 Hz su amplitud de vibración es el doble que a 300 Hz.D) a 300 Hz se obtiene la mayor amplitud de vibración.E) a 100.000 Hz su amplitud será tan alta que el objeto puede romperse.

4. A continuación se muestran 4 frecuencias, correspondientes a sonidos. Respecto deestas frecuencias es verdadero que la(s) frecuencia(s)

I) 10 Hz II) 30 Hz III) 15.000 Hz IV) 21.000 Hz

A) I y II corresponden a infrasonido.B) III y IV corresponden a ultrasonido.C) II y III corresponden a sonidos audibles.D) I corresponde a ultrasonido.E) II corresponde a infrasonido.

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5. Una onda de sonido pasa de propagarse en el aire a otro medio, producto de esto surapidez aumenta. Entonces respecto al sonido es incorrecto que

A) el otro medio puede ser aire pero que está a mayor temperatura.B) debe tener un tono más grave.C) debe aumentar su longitud de onda también.D) debe mantener su periodo.E) la razón entre la rapidez y la longitud de onda, permanece constante.

6. Con respecto al sonido se puede afirmar que

I) se propaga comprimiendo y dilatando al medio.II) siempre aumenta su rapidez cuando aumenta la densidad del medio.

III) es una onda longitudinal.

Es (son) verdadera(s)

A) solo I.B) solo II.C) solo III.D) solo I y III.E) I, II y III.

7. La intensidad de un sonido está relacionada con

I) la energía de la onda.II) la amplitud de la onda.

III) la característica del sonido que llamamos sonidos fuertes o débiles.

Es (son) verdadera(s)

A) solo I.B) solo II.C) solo III.D) solo I y II.E) I, II y III.

8. Anita, Verónica y Teresa, hacen afirmaciones acerca de las características del sonido:

Marcela: El timbre es una propiedad que depende de la velocidad del sonido.Carolina: El tono es una propiedad que depende de la frecuencia.Elizabeth: La amplitud es una propiedad que depende de la frecuencia.

Está(n) equivocada(s)

A) Marcela.B) Carolina.C) Elizabeth.D) Marcela y Carolina.E) Marcela y Elizabeth.

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9. Una persona se encuentra parada en una esquina y de pronto escucha acercarse a granvelocidad una ambulancia haciendo sonar su sirena. A medida que la ambulancia seacerca a la persona el sonido que escucha tendrá las siguientes características,

A) más grave y más intenso.B) más agudo y menos intenso.C) más grave y menos intenso.D) más agudo y más intenso.E) no notará ningún cambio.

10. Cuando un sonido pasa de un medio a otro siempre

I) cambia su velocidad de propagación.II) cambia su dirección de propagación.

III) cambia su longitud de onda.

Es (son) verdadera(s)

A) solo I.B) solo II.C) solo III.D) solo I y III.E) I, II y III.

11. Con respecto a la velocidad de propagación del sonido se puede afirmar que suvelocidad

A) en el aire es mayor que en el hierro.B) en el vacío es mayor que en el aire.C) en el aluminio es mayor que en el aire.D) en el agua es mayor que en el cobre.E) es siempre la misma, no depende del medio.

12. Se tiene un diapasón A y uno B a cierta distancia y en la misma línea. Se golpea undiapasón A haciéndolo vibrar observándose que el B también comienza a hacerlo, estefenómeno se conoce como

A) reverberancia.B) resonancia.C) refracción.D) difracción.E) interferencia.

CLAVES DE LOS EJEMPLOS

1 E 2 D 3 D 4 B

DMDOFC-03

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