INSTITUCIÓN EDUCATIVA BARTOLOMÉ LOBOGUERRERO
JORNADA
NOCTURNA
CICLO SEIS
Física
Propósitos:
- Analizar los diferentes tipos de ondas sonoras.
-
comparar las relaciones entre ondas y sonido.
ONDAS SONORAS
Las ondas sonoras pueden viajar a través de cualquier medio
material con una velocidad que depende de las propiedades del medio. Cuando
viajan, las partículas en el medio vibran para producir cambios de densidad y
presión a lo largo de la dirección de movimiento de la onda. Estos cambios
originan una serie de regiones de alta y baja presión llamadas condensaciones y
rarefacciones, respectivamente Hay tres categorías de ondas mecánicas que
abarcan diferentes intervalos de frecuencia.
- Los audibles
Ondas sonoras que están dentro del intervalo de sensibilidad del
oído humano, de 20 Hz a 20000Hz. Se generan de diversas maneras, con
instrumentos musicales, cuerdas vocales humanas y altavoces.
- Ondas infra sónicas
Son las que tiene frecuencias debajo del intervalo audible. Por
ejemplo las ondas producidas por un terremoto.
- Ondas ultrasónicas
Son aquellas cuya frecuencia está por arriba del intervalo audible
por ejemplo pueden generarse al introducir vibraciones en un cristal de cuarzo
con un campo eléctrico alterno aplicado. Todas pueden ser longitudinales o
transversales en sólidos, aunque solo pueden ser longitudinales en fluidos.
Transductor: Cualquier dispositivo que
convierte una forma de potencia en otra.
Altavoz: Transforma la potencia eléctrica
en potencia de ondas audibles.
Cristal de cuarzo: Potencia eléctrica en potencia
ultrasónica.
EL
SONIDO
El sonido es un fenómeno físico que estimula el sentido del oído.
Está formado por ondas que se propagan a través de un medio, que puede ser
sólido, líquido o gaseoso. Un sonido se produce por todo aquello que sea capaz
de producir ondas que estimulen al oído. Por ejemplo, al pegar un golpe en una
mesa, las cuerdas vocales, el roce entre dos materiales o cualquier efecto que
produzca vibraciones audibles bastan para producir un sonido. Las ondas a las
que llamamos sonoras son las que pueden estimular al oído y al cerebro
humano. Estas ondas se miden en Hercios (Hz), una unidad de frecuencia
que corresponde al número de ondas que caben en un tiempo determinado (un
segundo normalmente). La onda se propaga gracias a la compresión y a la
expansión del medio por el que se propaga. Estas variaciones de presión son las
que alcanzan el oído humano y provocan en el tímpano vibraciones de idéntica
frecuencia, originando, a través del cerebro, una sensación sonora. Pero no
todas las ondas pueden ser recogidas por el oído humano, tan sólo las que se
encuentran aproximadamente entre 20 Hz y cerca de 20.000 Hz. Las ondas de
sonido inferiores al límite audible se llaman infrasónicas y las
superiores ultrasónicas. Pero no todos los animales tienen los mismos
límites audibles, por ejemplo los perros son sensibles a frecuencias de hasta
30.000 Hz y los murciélagos a frecuencias de hasta 100.000 Hz. El sonido se
transmite por medio de ondas, que viajan a través de los diferentes medios
(siempre medios mecánicos, nunca a través del vacío). Dependiendo de la forma
de la onda, se producen diferentes sonidos: más graves (ondas muy juntas entre sí),
más agudos (ondas más separadas), más fuertes o débiles (dependiendo de la
intensidad).
Propagación por los diferentes medios...
Las ondas de sonido, son ondas longitudinales; es decir, son ondas
que se pueden propagar por cualquier medio, sólido o fluido. En esta tabla se
pueden ver las diferentes velocidades de propagación del sonido. El sonido se
transmite por las partículas que forman un medio. A una partícula se le da una
energía que le hace vibrar. Esta partícula transmite su vibración a las
partículas que le rodean, transmitiendo así la energía que le han
proporcionado. Un claro ejemplo de esto es una superficie de agua: Al tirar una
piedra por ejemplo, las partículas del agua oscilan y transmiten su movimiento
a las partículas contiguas sucesivamente. Después de un tiempo desde el
impacto, las ondas se van atenuando hasta desaparecer. Es por esto que los
diferentes sonidos dependen de los diferentes materiales por los que se muevan.
No será lo mismo propagar sonido por el aire, donde las partículas están más
sueltas y es más difícil de transmitirse, que propagar sonido por el hierro,
que al ser un sólido están las partículas muy unidas y se puede transmitir
rápidamente el sonido. Generalmente, el sonido se mueve a mayor velocidad en
líquidos y sólidos que en gases.
Relacionados con el sonido, están algunos efectos referentes a la forma de
transmisión. Así como el efecto Doppler, las ondas de choque y la
barrera del sonido.
· Efecto Doppler: Se produce cuando entre un foco de
emisión y un observador, existe un movimiento relativo. En este caso, el
observador detecta una frecuencia diferente a la frecuencia de emisión.
Explicándolo de forma más sencilla, es el efecto que se produce, por
ejemplo, cuando pasa un coche a mucha velocidad por delante de nosotros. En un
principio escuchas que el coche se acerca, a una cierta frecuencia. Pero cuando
se acerca, el sonido es mucho más fuerte. A este cambio de frecuencia debido a
la velocidad se le llama efecto Doppler.
· Ondas de choque: Estas ondas son una deformación de la
transmisión normal de las ondas. Si ponemos como ejemplo una aeronave, ocurre
lo siguiente: Cuando el emisor se desplaza con una velocidad suficiente para
romper el flujo normal de las moléculas de aire que se apartan para dejar paso
al objeto que se aproxima, las ondas se superponen, al no tener espacio para
transmitirse. Este efecto, conocido también como choque de compresibilidad,
provoca cambios importantes en la distribución de presiones, densidades y
temperaturas del aire alrededor del cuerpo en movimiento Si este efecto se
observa en un medio líquido, la forma que produce esta onda es de cono. En
cambio, en un medio gaseoso, lo que se produce es una acumulación de ondas de
sonidos que al final responden con un fuerte estallido de todos los sonidos a
la vez.
· Barrera del sonido: Término que se asocia a los efectos de
compresibilidad experimentados por los aviones supersónicos cuando su velocidad
con respecto al aire se aproxima a la velocidad local del sonido
(1.223 km/h a nivel del mar en condiciones normales). Aunque estos aviones
llegan a esas velocidades, nunca pasaran del límite de la velocidad de la luz, ya
que es imposible.
Fenómenos asociados a la reflexión y refracción...
Antes de exponer los fenómenos, primero explicar en qué consiste la
reflexión y la refracción: La reflexión, es un cambio que se produce en
la dirección de propagación de una onda dentro de un medio. Ocurre cuando la
onda choca contra la superficie de otro medio, se refleja y cambia su
dirección, pero no su forma.
La refracción, es la consecuencia de que una onda que se propaga por
un medio pasa a otro medio en el que su velocidad de propagación es diferente,
cambiando también su dirección. Se produce además una pérdida de energía en
este cambio. Ahora que ya sabemos un poquito en qué consisten estas
propiedades, veamos algunos efectos asociados. Entre ellos están el eco,
el radar y las ecografías.
· Eco: A todos nos han engañado alguna vez diciéndonos que el eco era una persona
que repetía lo que tú decías... En verdad, un eco es una onda sonora reflejada,
cuyo intervalo entre la emisión y la repetición del sonido, corresponde al
tiempo que tardan las ondas en llegar al obstáculo y volver. Normalmente, el
eco es más débil que el sonido original porque no todas las ondas se reflejan,
algunas de ellas se pierden, y por lo tanto pierden energía. Generalmente, los
ecos escuchados en las montañas se producen cuando las ondas sonoras rebotan en
grandes superficies alejadas más de 30 m de la fuente. Dando golpecitos en un
tubo metálico pegado al oído también pueden escucharse ecos.
· Radar: Es un sistema electrónico que permite detectar objetos fuera del alcance de
la vista y determinar la distancia a que se encuentran proyectando sobre ellos
ondas de radio. No sólo indican la presencia y la distancia de un objeto
remoto, sino que también fijan su posición en el espacio, su tamaño y su forma,
así como su velocidad y la dirección de desplazamiento. Todos los sistemas de
radar utilizan un transmisor de radio de alta frecuencia que emite un haz de
radiación electromagnética, con una radiación de longitud de onda comprendida
entre algunos centímetros y cerca de 1 m. Los objetos que se hallan en la
trayectoria del haz reflejan las ondas de nuevo hacia el transmisor, este las
detecta y representa los datos que ha recibido en una pantalla. El radar se
fundamenta en las leyes de la reflexión de las ondas de radio.
Parecido al radar pero de uso diferente, está también el sonar. Pero
este sistema se utiliza bajo el agua, es decir, en submarinos o buques de
guerra. El sonar emite pulsos de ultrasonido mediante un dispositivo transmisor
sumergido. Luego, a través de un micrófono sensible, capta los pulsos
reflejados por posibles obstáculos o submarinos que se hayan topado con los
pulsos. Lo malo del sonar, es que sólo puedes saber la distancia a la que se
encuentra el objeto, pero no la profundidad, cosa que dificulta la tarea de los
submarinos para el ataque.
· Ecografías: Todos hemos visto alguna vez una ecografía, pero en
lo que no habremos caído nunca es en que se deben al sonido. Sabemos que se
utilizan en las embarazadas, para seguir un desarrollo detallado del feto sin
ningún tipo de riesgo. Es una técnica en la que un sonido de frecuencia muy
alta es dirigido hacia el organismo, donde se refleja y sonido resultante es
digitalizado para producir una imagen móvil en una pantalla o una fotografía.
Esta técnica no se puede utilizar para observar los huesos o los pulmones, ya
que el aire y los huesos absorben prácticamente todo el haz de ultrasonidos
emitidos.
El sonido, la voz humana y la música...
- Ondas estacionarias en cuerdas
y tubos
Sabemos que en una cuerda se producen ondas estacionarias cuando dos ondas
iguales en frecuencia y amplitud interfieren, pero en sentidos opuestos. Pues
con los sonidos, al ser también ondas, ocurre lo mismo. Los instrumentos de
viento aprovechan las ondas estacionarias que se producen en un tubo hueco, que
es la estructura básica de todo instrumento de viento. Como se ve en el dibujo
de la derecha, en los tubos también se producen ondas estacionarias. Igual que
en las cuerdas, se producen nodos dependiendo de la frecuencia. Dentro de los
tubos, el aire se mueve por las presiones, como se ve en esta otra imagen
(abajo). Los puntos azules representan los nodos, donde la presión no los varía
(estacionarios).Las frecuencias de las que se hablan, hacen referencia a las
notas que se consiguen con los diferentes instrumentos. Por ejemplo, en una
flauta, el do más bajo tiene una frecuencia de 137,5 Hz. Y así, dependiendo de
las aberturas que dejemos libres para que salga el aire, se forma una presión u
otra, que determinan las diferentes notas de la escala musical.
- Intensidad, tono y timbre
Las magnitudes que caracterizan la percepción y permiten distinguir entre
los diferentes sonidos son las llamadas cualidades del sonido. Estas cualidades
son tres:
La intensidad, el tono y el timbre.
· Intensidad: Es una sensación asociada a la percepción del sonido
por los humanos. La distancia a la que se puede oír un sonido depende de su
intensidad, pero se suelen clasificar en sonidos de intensidades fuertes,
de elevada intensidad o débiles, de intensidad baja. La diferencia de un
sonido fuerte a uno débil es si se escucha o no. Contra más fuerte sea (o
cuanto más cerca esté), mejor se escuchará. Un sonido muy fuerte, produce dolor
en los oídos pero sigue siendo audible.
· Tono: También llamado altura, indica si un sonido es alto (violín)
o bajo (tambor). El tono está unido a la frecuencia, ya que cuanto menor sea la
frecuencia, más bajo es el tono y viceversa. Por esto, se hace una
clasificación de las frecuencias: Un sonido es grave si la frecuencia es
baja, y es agudo si la frecuencia es elevada.
· Timbre: Si estas escuchando a la vez dos instrumentos que
producen un sonido de igual intensidad y de igual tono, sabes diferenciarlos
por el timbre. Cuando los instrumentos reproducen una nota, a esta le acompañan
sus armónicos, que son múltiplos de la frecuencia representada. Gracias
a estos armónicos, es posible diferenciar los distintos instrumentos ya que
cada uno tiene sus propios armónicos.
- Análisis de un sonido:
espectros...
Un espectro es una representación gráfica de un sonido, mediante colores.
Un sonido complejo, como por ejemplo un ruido, puede analizarse como un
espectro formado por diferentes frecuencias.
Los analizadores de espectros, representan las frecuencias que componen un
ruido determinado con diferentes colores. Es algo así como decir que un ruido
es la luz blanca, luego las diferentes frecuencias que forman este ruido son
los diferentes colores que forman la luz blanca. Y así, dependiendo de los
colores que salgan representados, se saben las diferentes frecuencias que
forman ese ruido. Si a nuestros oídos llega un sonido con una intensidad bastante
alta, el oído experimenta una sensación de dolorosa. La unidad que mide la
sensación sonora es el decibelio (db). El umbral del dolor en la que el
oído puede sufrir, está en torno a los 120 db, dependiendo de las diferentes
personas.
Un término que lo tenemos muy asociado a la barrera del dolor de
un sonido es el ruido. El ruido, es un conjunto de sonidos que no siguen
una onda, ya que es un conjunto de sonidos desordenados, representado por una
línea con puntas. Aunque no necesariamente un sonido tiene que ser muy fuerte
para ser ruido. A veces un ruido muy suave, como el goteo de agua, nos distrae
impidiendo concentrarnos. Pero los ruidos más fuertes son, sin duda, más
perjudiciales. Los ruidos muy agudos son más dañinos que los graves. Los ruidos
muy cortos y muy fuertes, como los martillazos, impactos y explosiones, también
son especialmente peligrosos. Un ruido muy fuerte puede llegar a dañar nuestro
sistema auditivo totalmente. Para medir los niveles de ruido, se utiliza un
sonómetro. Este aparato mide por medio de un micrófono, la energía que poseen las
ondas sonoras que se están propagando. Dependiendo de la intensidad sonora en
decibelios, se puede saber el nivel de daño que produce ese ruido. Cada día se
habla más de un problema que tienen las grandes ciudades o los lugares que
producen mucho ruido. Se habla de un tipo de contaminación, la contaminación
acústica. Esta contaminación trae problemas al ser humano como la sordera,
estrés, dificultades para dormir, irritamiento, etc... Normalmente basados en
la dificultad de concentración. Poco a poco se intenta reducir este problema.
Se intentan utilizar materiales absorbentes para aislamientos de viviendas e
intentar evitar las grandes vías de circulación en las ciudades. En las
carreteras grandes se ven a veces unos paneles, que están para reducir el nivel
de ruido producido por los automóviles.
Refuerza lo leído con el siguiente
video:
https://youtu.be/bUSFYTHfvYQhttps://youtu.be/bUSFYTHfvYQ
Actividad No 2
1. Defina las ondas sonoras y nombre por lo menos tres
características.
2. Explique las tres categorías de ondas mecánicas u de ejemplos.
3. En que consiste:
- Efecto Doppler
- Ondas de Choque
- Barrera del sonido
4. Defina el radar, el eco y la ecografía.
5. ¿Qué diferencia hay entre el tono, el timbre y la intensidad?
6. En que consiste la contaminación acústica y el decibelio.
