SONIDO

1. SONIDO Unidad 1

2. Definición y Clasificación de las ondas sonoras • ondas mecánicas : la energía se transporta mediante una perturbación del medio que se propaga a causa de las propiedades elásticas de él. • ondas longitudinales. Ya que la dirección de vibración de las partículas del medio es paralela a la dirección de propagación de la onda. Ejemplo: ondas sonoras en el aire. La vibración del cuerpo (cuerda, diapasón, etc.) origina una perturbación de la presión y la densidad del aire; ésta se propaga por el aire mediante choques de las moléculas en él (compresiones y rarefacciones).

3. Velocidad del sonido • La velocidad del las ondas depende de las propiedades del medio pero es independiente del movimiento del foco emisor respecto al medio. Ej.: la velocidad de una onda sonora producida por el silbato de un tren sólo depende de las propiedades del aire y no del movimiento del tren. • Velocidad de ondas en cuerdas v= T/ • Velocidad de ondas sonoras cuando la variación de la presión no es demasiado grande será: v= B/ donde  es la densidad del medio en kg/m3 y B el módulo de elástico (módulo volumétrico para fluidos, módulo de Young si son sólidos). En ondas sonoras en el aire puede demostrarse que v=  RT/M donde T es la temperatura absoluta, R= 8,31 J/mol.K , M es la masa molar del gas  es el cociente entre los calores molares a P y V constantes ( para el aire es 1,4)

4. Tabla I Valores del módulo de elasticidad para sólidos y líquidos

5. Ejercicios(1) Determinar la velocidad del sonido en al aire a las siguientes temperaturas siendo la masa molar 0,0289kg/mol: (a) -20,0ºC; (b) 0ºC; (c) 20,0ºC.R.: (a) 319m/s; (b) 332m/s; (c) 343m/s.(2) El módulo elástico del agua de mar vale B = 2,2x109 N/m2. Además, su densidad es 1026kg/m3. Determinar la velocidad del sonido en el aguaR.: 1464m/s.

6. ¿Por qué oímos? Sistema auditivo: el oído El aparato auditivo puede dividirse en tres partes: oído externo, oído medio y oído interno. • El oído externo comprende la oreja, una membrana compuesta por un esqueleto fibrocartilaginoso, cuya función es colectar cualquier tipo de sonido, reflejarlo y dirigirlo al conducto auditivo externo, el cual termina en la pared de la caja timpánica.

7. Partes del oído • El oído medio comprende el tímpano, una cavidad llena de aire, la cual comunica por un conducto denominado Trompa de Eustaquio con la porción nasal de la faringe. La pared externa del tímpano está formada por la membrana timpánica, su espesor es comparable al de una hoja de papel y se halla tapizada por piel por el lado exterior. La membrana del tímpano es el elemento vibrátil que recibe el sonido. La pared interna del tímpano posee dos orificios o ventanas, cerradas por membranas: la ventana oval está por encima y por delante; la ventana redonda se halla debajo y atrás. Tres pequeños huesecillos rodeados de mucosa unen la membrana del tímpano con la ventana oval; ellos son el martillo (en contacto con la membrana timpánica), el yunque y el estribo, este último en contacto con la ventana oval. La cadena de huesos transmite las vibraciones a la ventana oval.

8. En la parte interna del oído se halla el laberinto, una cavidad de forma compleja contenida dentro de la cavidad ósea y que contiene el vestíbulo, en la parte central, los canales semicirculares y el caracol. El laberinto se halla lleno de un líquido denominado linfa, incompresible y encargado de transmitir los cambios de presión provocados en la ventana oval. La ventana redonda sirve de válvula. Cuando vibra la ventana oval –el movimiento es de algunas micras, apenas- los cambios de presión pasan al laberinto. En su interior, la membrana basilar, ubicada en el caracol, cumple la función de detectar los tonos. El extremo de esta membrana más cercano al tímpano resuena a cerca de 20kHz; el extremo más alejado resuena a 20Hz. Por esta razón el rango de frecuencias audibles por los seres humanos abarca aproximadamente el intervalo entre dichas frecuencias. El nervio auditivo posee sensores de presión en la membrana basilar y traduce los cambios de presión de las oscilaciones en pulsos eléctricos que son enviados al cerebro, donde se procesan para convertirse en la sensación que denominamos sensación auditiva.

9. Sonidos puros • Tiene una frecuencia única y se suele utilizar como patrón. • En 1711, John Shore inventó el diapasón. Varilla prismática metálica, doblada en forma de U y sostenida por su punto medio. Al golpear el diapasón éste vibra con una frecuencia bien definida, fruto de la superposición de las ondas que viajan por la varilla, llegan al otro extremo y se reflejan, generando así una onda estacionaria. • Para el afinado de los instrumentos musicales hoy día se utiliza el denominado diapasón patrón, el que tiene una frecuencia de exactamente 440Hz y corresponde a la nota musical La.

10. Fenómenos físicos asociados a las ondas • Reflexión Si una onda, se refleja propagándose, por ejemplo en el aire, y llega a una pared, la onda incidente origina una onda que vuelve a propagarse por el aire, en el mismo medio que la incidente y se llama onda reflejada. La onda reflejada es la que origina, por ejemplo, el fenómeno que llamamos eco. Leyes de la reflexión: 1. La recta normal y los rayos incidentes y reflejado pertenecen a un mismo plano. 2. Cuando una onda se refleja en una barrera, el ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión.

11. Refracción • Cuando una onda incide sobre la superficie que separa dos medios, además de la onda reflejada se origina otra que se transmite al otro medio. Esta onda se denomina refractada. Una onda se refracta cuando las velocidades de la onda en los dos medios son diferentes. • Ej: si una onda sonora incide en la pared de una habitación, se origina una onda refractada que viaja por la pared y puede ser percibida en una habitación contigua. • Si la onda incide perpendicularmente sobre la superficie de separación, se transmite sin modificar su dirección de propagación. • Si incide con cualquier otro ángulo dependerá de las velocidades de los medios. Si la v1 es mayor que v2, el rayo se desvía acercándose a la normal o sea que el ángulo de refracción será menor que el ángulo de incidencia. • Leyes de la refracción: 1. La normal, el rayo incidente y el rayo refractado están contenidos en un mismo plano. 2. La relación entre los ángulos viene dada por la Ley de Snell: seni/ v1= sen r/v2

12. Refracción Ej. ondas en la superficie de un líquido. Si en la cubeta tenemos dos zonas de diferente profundidad (1y2), al hacer que una onda se propague en la superficie del agua de la cubeta, hallaremos que la velocidad de la onda en la región más profunda es mayor que en la región menos profunda (v1>v2) De manera que estas regiones se comportan como dos medios diferentes para la propagación de la onda. Piensa un ejemplo en que se de refracción teniendo cuerdas.

13. Difracción • Es la propiedad que posee una onda de rodear un obstáculo al ser interrumpida su propagación parcialmente por él. • Debido a la difracción es que, por ejemplo, que un sonido emitido en una habitación llegue a todos los lugares de la misma, aún en presencia de todo tipo de objetos. • Principio de Huygens: cada punto de un frente de ondas se puede considerar como un emisor de ondas esféricas. Cuando una onda se encuentra con un obstáculo, parte de las ondas son absorbidas por éste y no emiten más. Pero las ondas emitidas desde los puntos que quedan “libres” siguen avanzando esféricamente, alcanzando las regiones que el obstáculo esconde. La inda difractada está formada por la contribución de un número menor de focos emisores y, en consecuencia, representa una perturbación de menor intensidad que la onda original. Fig 1 fig 2

14. Difracción a través de una abertura (fig. 2 de la diapositiva anterior) En cuanto a la difracción por un orificio, es posible acentuar la difracción de la onda, si aumentamos su longitud de onda o disminuimos el tamaño de dicho orificio. Si  d (ancho de ranura o tamaño de obstáculo) no se observará difracción Una onda plana que se propaga a través de una abertura produce un frente de onda que no es exactamente plano, sino redondeado sobre los extremos. Un frente de onda es el lugar geométrico de los puntos que tienen igual desplazamiento en la onda en el agua o la misma magnitud del E en la onda electromagnética. Los puntos de un frente de onda están en fase.

15. Aplicaciones de los fenómenos al sonido

16. Principio de superposición • Cuando hay solamente un foco emisor de ondas, la perturbación en cada punto del espacio corresponderá a la onda procedente de dicho foco. En general, suelen existir varios focos emisores de onda. En este caso la perturbación en cada punto del espacio resulta igual a la suma de las perturbaciones generada por cada fuente en dicho punto. Esto es los que establece el principio de superposición. • Para analizar el fenómeno de interferencia de ondas se analizará el ejemplo que aparece en la transparencia que sigue.

17. Interferencia Si golpeamos periódicamente con dos pequeños objetos la superficie de un líquido, dos ondas circulares se propagarán en ella, actuando los dos objetos, F1 y F2 como las fuentes donde se producen tales ondas. Supongamos que dichos dispositivos vibran con la misma frecuencia y percuten simultáneamente el líquido; es decir, en el momento en que uno produce una cresta, el otro también genera la suya, y cuando uno produce un valle, el otro también lo hace. En estas condiciones, decimos que las dos fuentes vibratorias están en fase. En esta figura de interferencia se observan líneas nodales, constituidas por puntos permanentemente en reposo (interferencia destructiva—valle+cresta), y crestas dobles y valles dobles (interferencia constructiva) se propagan entre las líneas nodales.

19. Aplicaciones de interferencia: conexión entre altavoces (parlantes) • Al conocer los cables en un sistema estereofónico y sus altavoces, se advierte que los cables está decodificados por color y los parlantes tienen signos positivos y negativos en las conexiones. La razón de esto es necesario conectar los altavoces con la misma “polaridad”. De no ser así, cuando se alimente un sonido a ambos altavoces el cono de ellos se moverá hacia afuera al mismo tiempo que el cono del otro altavoz se mueve hacia adentro (sonidos desfasados 180°) • Por lo tanto …… averigua qué pasaría pensando los tipos de interferencia.

20. Efecto Doppler • Si una ambulancia pasa mientras su sirena suena, la frecuencia del sonido es más alta cuando la ambulancia se aproxima a nosotros y más baja cuando se aleja. • Movimiento relativo entre una fuente de ondas y un observador.

21. Fuentes de información • Alvarenga, B & Santos, M. Física General • Aristegui & otros. Física 1. Ed. Santillana • Serway, R& Faughn, J. Física • Librillo de práctico de Tornaría. • Libro adaptado para Física de 5to. artístico.