sonido
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1
Yanira Cubides Rodríguez
Lic Física
Ondas Sonoras
La velocidad del sonido
Intensidad sonora y Niveles de sonido
Intensidad y energía
Fenómenos de sonido
El Efecto Doppler
Instrumentos musicales y sonido
Características
Las ondas sonoras son ondas de presión en los sólidos, líquidos y
gases.
Ellas son longitudinales en líquidos y gases, y puede tener
componentes transversales en los sólidos.
Cuando se produce una perturbación periódica en el aire, se
originan ondas sonoras longitudinales. Ejemplos
Se golpea un diapasón con un martillo. Las ramas vibratorias
producen ondas longitudinales
Similar a la experiencia de laboratorio, las varillas vibratorias
producen ondas longitudinales que se propagan a través de la
pita y son percibidas por el sentido del oído mediante el
tímpano.
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Si se golpea un diapasón con un
martillo en la atmósfera de un
planeta distante ¿Habrá sonido
aunque ningún oído captara esa
perturbación?
¿?
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El término sonido se usa de dos formas distintas,. Los
fisiólogos definen el sonido en términos de las
sensaciones auditivas producidas por perturbaciones.
longitudinales en el aire…Para ellos el sonido NO existe
en un planeta distante.
En física nos referimos a las perturbaciones por sí
mismas y NO a las sensaciones que producen.
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Las ondas longitudinales son aquellas que vibran paralelamente al sentido de viaje de la onda. Por ejemplo, el sonido.
Dirección de la onda
Vibración de las
partículas respecto a su
posición de equilibrio
Un diapasón actúa en el aire como
fuente de ondas longitudinales
Sonido es una onda mecánica
longitudinal que se propaga a través
de un medio elástico.
Los sonidos se producen por una
materia que vibra
En este caso el sonido existe en ese
planeta, ya que se produce la
perturbación de un medio propagando
una onda mecánica longitudinal.
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Una fuente de vibración mecánica; ejemplo: un
diapasón, una cuerda que vibre o una columna de
aire vibrando en un tubo, una campa o las cuerda
bucales del hombre.
Un medio elástico a través del cual se
propague la perturbación. 9
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ONDAS
SONORAS
Estas ondas de presión pegan en el tímpano y se convierten en
impulsos nerviosos, que nuestro cerebro interpreta como sonidos.
ondas Infra-sónicas tienen frecuencias muy
bajas para los oídos humanos. Son producidas
por los terremotos y otros fenómenos
naturales, los elefantes y vacas pueden
escuchar ciertas frecuencias
Las ondas ultrasónicas son demasiado altos en
la frecuencia para el oído humano. Perros,
gatos y murciélagos pueden oír frecuencias
más altas.
El ultrasonido se utiliza en la naturaleza por los murciélagos para la eco-
localización, pueden identificar la ubicación y la velocidad de los insectos voladores.
El ultrasonido también se
usa comercialmente en los
cepillos de dientes
eléctricos, la limpieza de
joyas, y muchas aplicaciones
médicas, tanto de
diagnóstico y tratamiento.
VELOCIDADA DEL SONIDO Velocidad del sonido en un sólido::
Aquí, es el módulo de Young y ρ es la
densidad.
Velocidad del sonido en un líquido:
es el módulo de volumen.
Para un gas el módulo de volumen
esta dado por PB *
Donde la constante adiabática 4.1
para el aire y los gases DIATÓMICOS, donde P es
la presión del gas
Pero para un gas ideal
R = constante universal de los gases
T = temperatura absoluta del gas
M = masa molecular del gas
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Velocidad del sonido en el aire seco:
Su unidad es
Donde T es la temperatura en C
VELOCIDADA DEL SONIDO
Calcule la velocidad del sonido en una varilla de aluminio
El modulo de YOUNG y la densidad del aluminio son:
Y = 6.89x1010 Pa
= 2.7 gr/cm3 = 2.7x103 Kg./m3
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EJEMPLO
Calcule la velocidad del sonido en el aire en un día en que la temperatura es de
27ºC=300ºK la masa molecular del aire es 29x10-3 Kg./mol y la constante adiabática
La velocidad del sonido a OºC a 1atm de presión es de 331m/s, su velocidad se
incrementa en 0.6 m/s por cada grado de temperatura
4,1
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EJEMPLO
¿Cuál es la velocidad aproximada del sonido en el aire a una
temperatura ambiente de 20ºC.
smxTv /343206.0331*6.0331
en conclusión el sonido viaja más rápido a una mayor temperatura
20
EJEMPLO
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PROBLEMAS
TIPENNS, Paúl. FÍSICA, Conceptos y aplicaciones .Capitulo 22 Quinta edición. Ed. McGraw-Hill.1996.
ENERGIA DE UNA ONDA PERIODICA
Cada partícula en una onda periódica oscila
con movimiento armónico simple teniendo en
cuenta esto y sabiendo la formula para hallar
la velocidad de una partícula en un
movimiento armónico simple se tiene que:
Una partícula en movimiento posee
energía cinética
Reemplazando la velocidad en la ecuación de energía se tiene que:
INTENSIDAD DEL SONIDO
La INTENSIDAD es la potencia por unidad
de área,
La INTENSIDAD SONORA es
inversamente proporcional al cuadrado
de la distancia de una fuente puntual.
Es decir que a medida que el receptor
se aleja o se acerca la intensidad
disminuye o aumenta
E=energía de la onda
t el tiempo
A es el área
Nosotros relacionamos la intensidad del sonido como
volumen.
El sonido mínimo detectable tiene una intensidad de
alrededor de 1,0 × 10-12 W/m2, y el umbral del dolor se
produce a una intensidad de alrededor de 1,0 W/m2.
Una duplicación de volumen corresponde a un aumento en
la intensidad de alrededor de un factor de 10.
INTENSIDAD SONORA Y NIVELES DE INTENSIDAD
INTENSIDAD SONORA Y NIVELES DE INTENSIDAD
Los niveles de intensidad de miden en decibeles (db) o los beles (b)
La energía será: pero A es la amplitud
La energía por unidad de longitud
La intensidad del sonido esta dada por Potencia por unidad de área
La potencia queda:
La intensidad estará dada por:
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PROBLEMAS
INTENSIDAD SONORA Y NIVELES DE INTENSIDAD
Intensidades de sonido excesivo puede causar daños permanentes de audición , por eso !se debe
proteger su sistema auditivo!
INTENSIDAD SONORA Y NIVELES DE INTENSIDAD
db ejemplos Daño por exposición
continua
Débil 30 Biblioteca tranquila
murmullos
Moderado 60 Conversación normal
Máquina de coser
Muy fuerte 80 Transito cargado, restaurante ruidoso, Llanto de un niño 10 h
90 Podadora, motocicleta, fiesta ruidosa Menos de 8h
100 Sierra de cadena, Tren subterráneo, trineo motorizado Menos de 2 h
Extremadament
e fuerte
110 Audífonos, estéreo a todo volumen, Conciertos 30min
120 Auto estéreos, Algunos juguetes musicales 15min
130 Martillo perforador o taladro, eventos deportivos Menos de 15 min
Doloroso 140 Explosión de un disparo, cohetes, pólvora, Cualquier duración
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3m
2m
4m
Dos pequeños altavoces emiten ondas sonoras de diferentes frecuencias. El altavoz
A tiene una salida de 1.0 mW, en tanto que el altavoz B tiene una salida de 1.5 mW.
Determine el nivel de intensidad sonora (en dB) en el punto C, si a) sólo el altavoz A
emite sonido, b) solo el altavoz B emite sonido, y c) ambos altavoces emiten sonido.
FENÓMENOS ACÚSTICOS
Reflexión: La onda se propaga en un medio, llega a la
frontera con otro medio, parte de la energía
transportada por la onda se refleja , devuelve o rebota al
primer medio.
Refracción: la "curva" de las ondas de sonido a medida
que pasan a través de diversos medios.
Difracción: la "curva" de las ondas de sonido alrededor
de un obstáculo o la apertura o paso.
FENÓMENOS DE PROPAGACIÓN DE LAS ONDAS SONORAS
Sonido se REFRACTA cuando la densidad del aire cambia
El sonido viaja más lentamente en el aire frio y más rápido en el
aire caliente
.
PROBLEMA
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Un hombre se sienta a pescar en el borde de un muelle y cuenta 80 ondas de
agua golpean uno de los postes de soporte de la estructura en 6 segundos . Si
una cresta determinada recorre 20m en 8 segundos ¿Cual es la longitud de
onda?
mHz
sm
f
v
sms
mv
Hzsegundos
ondasf
88,133,1
/5,2
/5,28
20
33,16
80
La INTERFERENCIA se
produce cuando múltiples
ondas se propagan a través
del mismo medio. La
interferencia puede ser
constructiva o destructiva.
FENÓMENOS DE PROPAGACIÓN DE LAS ONDAS SONORAS
Si la INTERFERENCIA es constructiva o destructiva
depende de la fase y la diferencia de longitud de la
trayectoria de las dos ondas.
La relación entre la diferencia de fase y la
diferencia de longitud de la trayectoria:
FENÓMENOS DE PROPAGACIÓN DE LAS ONDAS SONORAS
Ondas constructivas en fase:
Ondas destructivas en desfase
Fenómenos del sonido Dos ondas viajeras de igual amplitud y frecuencias ligeramente diferentes
interfieren y dan lugar a tonos pulsantes llamados pulsos.
La frecuencia de pulso esta dada por el valor absoluto de la diferencia de las dos
frecuencias
EFECTO DOPPLER El efecto Doppler estudia el sonido cuando el cambio de posición tanto la fuete como del receptor o de
los dos varía.
El ejemplo más común es el de la serena de un auto que se aleja o se acerca respecto a un receptor
En el caso en que la fuente se acerca las ondas se junta y en caso contrario las ondas se separan debido al movimiento relativo de esta.
Como un automóvil o bocina del tren se acerca a ti y luego pasa, el tono de las subidas de sonido
primero y luego cae. Esto se conoce como el efecto Doppler.
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Respecto a la posición de la fuente y el observador
Frecuencia percibida por el recepto
El observador se acerca a la fuente
El observador se aleja de la fuente
La fuente se aleja al observador
La fuente se acerca del observador
La fuente y el observador se acercan
La fuente y el observador se alejan
EFECTO DOPPLER
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PROBLEMA
La sirena de una patrulla de policía emite a una frecuencia de 1600Hz mientras esta
en reposo que frecuencia escuchara un receptor en reposo cuando la patrulla se
mueve a una velocidad de 25m/s, considere la velocidad del sonido como 343m/s
a) Acercándose
b) Alejándose.
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PROBLEMAS
Si un objeto por ejemplo un avión
se mueve más rápido que la
velocidad del sonido, superando sus
ondas de sonido, se crea un
estampido sónico.
Un fenómeno similar se produce
cuando un barco va más rápido que
la velocidad de la onda en el agua.
ESTAMPIDOS SÓNICOS
El ángulo de la onda expansiva depende de la velocidad de la onda y la velocidad del
objeto. Esta es la representación de una onda cónica o de choque
v es la velocidad del objeto y vs es la velocidad del sonido en el aire
La razón inversa de las rapideces es el número de Mach M
ESTAMPIDOS SÓNICOS
INSTRUMENTOS MUSICALES Y LAS CARACTERÍSTICAS SONIDO
Muchos instrumentos musicales produce sonido a través de ondas
estacionarias, de una manera u otra. Cadenas de ondas estacionarias de
apoyo, la longitud de la cadena se puede variar en algunos instrumentos
tales como violines y guitarras.
Cuerdas de piano son de longitud fija, su densidad varía de una nota a la
siguiente, manteniendo la diferencia de longitud de menor a mayor al
mínimo.
Los tubos sonoros son cavidades cilíndricas, en las que se produce
sonido provocando la vibración de columnas de aire que encierran.
Estos tubos sonoros pueden ser abiertos o cerrados
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Cuando en un tubo cerrado se inyecta aire suavemente se produce el sonido fundamental o primer armónico. Pero si el aire se va inyectando cada vez con mayor presión se van produciendo una serie de sonidos con frecuencias crecientes, denominadas también armónicos.
En el primer tubo cerrado se forma 1/4 + ¼ de onda, en total media onda equivalente al fundamenta n= números impares
TUBOS CERRADOS
ondas Longitud L Frecuencia f
1/4 L=1/4 f1=v/4L
3/4 L=32/4 F2=3v/4L
5/4 L=53/4 F3=5v/4L
n/4 L=n3/4 Fn=nv/4L
INSTRUMENTOS MUSICALES TUBOS ABIERTTOS Y CUERDA
Las Ondas también pueden existir en
tubos o tuberías, tales como
instrumentos de viento e
instrumentos de metal.
Los tubos de órgano son de longitud
fija, hay una (o más) para cada tecla
del teclado.
La frecuencia en tubos abiertos y
cuerdas están muy relacionadas
ondas Longitud L Frecuencia f
1/2 L=1/2 f1=v/2L
2/2 L=22/2 F2=2v/2L
3/2 L=33/2 F3=3v/2L
n/2 L=n3/2 Fn=nv/2L
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La frecuencia de vibración de una cuerda es INVERSAMENTE proporcional a su
LONGITUD
La frecuencia de vibración de una cuerda es DIRECTAMENTE proporcional a su
DIAMETRO
La frecuencia de vibración de una cuerda es DIRECTAMENTE proporcional a la RAIZ
CUADRADA DE LA TENSIÓN
La frecuencia de vibración de una cuerda es INVERSAMENTE proporcional a RAIZ
CUADRADA DE SU DENSIDAD DE MASA.(La densidad de masa =m/L)
LEYES PARA LAS CUERDAS
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Una cuerda de acero para piano de 50cm de longitud tiene una masa de 5g y se
encentra bajo una tensión de 400N ¿Cuáles son las frecuencias de su modo
fundamental de vibración y de los dos primeros sobretono o armónicos?
PROBLEMA
El modo fundamental se determina estableciendo que n=1
Hzf
mkg
N
mf
lm
F
l
F
lf
200
)05/()005,0(
400
)5,0)(2(
1
2
1
2
1
1
1
1
Hzff
sobretonosegundo
Hzff
sobretonoprimer
6003
4002
13
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PROBLEMAS
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Instrumentos musicales y sus características
La sensibilidad del oído humano para sonido varía con frecuencia. Sonidos de la misma
intensidad en diferentes frecuencias no sonará igual de alto.
En general, la forma en que percibimos el sonido está relacionada con sus
propiedades físicas, sino que depende de otros factores.
EFECTO SENSORIAL PROPIEDAD FÍSICA DE LA ONDA
SONORIDAD INTENSIDAD
TONO FRECUENCIA
TIMBRE FORMA DE LA ONDA
La suma de la frecuencia fundamental y
los armónicos da la forma de onda final.
La calidad de un sonido que distingue un
violín de una gaita de una voz humana
depende de la forma de la onda. La
frecuencia fundamental, que percibimos
como el tono, se ve reforzada por tonos,
dando a la calidad de su sonido
característico.
Instrumentos musicales y sus características
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TIPENNS, Paúl. FÍSICA, Conceptos y aplicaciones. Quinta edición. Ed McGraw-
Hill.1996.
QUIROGA, Jorge. FÍSICA, Curso de física. Tomo 2, Acustica, óptica y
electricidad. novena edición. Ed Bedout. 1975.
WILSON, Jerry. Buffa Anthony, Lou Bo. FISICA. Sexta edición, Ed PEARSON
educación. 2007.