Colegio Americano de Barranquilla.Acústica.

Eutimio Hernández Martínez.

Metas de comprensión• Los estudiantes desarrollarán comprensión al identificar

el sonido como una onda mecánica longitudinal.

• Los estudiantes desarrollarán comprensión al diferenciar los fenómenos acústicos y las cualidades del sonido.

• Los estudiantes desarrollarán comprensión al identificar las características del efecto Doppler y establecer su importancia en la vida cotidiana.

• Los estudiantes desarrollarán comprensión al resolver situaciones problemas relacionadas con los fenómenos acústicos.

Sonido: concepto. Desde un punto de vista

físico, el sonido es una vibración que se propaga en un medio elástico (sólido, líquido o gaseoso), cuando nos referimos al sonido audible por el oído humano, lo definimos como una sensación percibida en el órgano del oído, producida por la vibración que se propaga en un medio elástico en forma de ondas.

Propagación del sonido. Un objeto cuando vibra, perturba

la presión y la densidad del medio que le envuelve, transmitiendo dicha vibración al comprimirse y expandirse, para ello es necesario que sea un medio elástico, ya que un cuerpo rígido no permite que las vibraciones se transmitan. Así pues, sin un medio elástico (aire, agua, cuerpo sólido), no habría sonido, ya que las ondas sonoras no se propagan en el vacío.

Propagación del sonido.• En esta otra imagen

podemos ver como la vibración del diapasón, obliga a las partículas del aire que entren a su vez en vibración. Las partículas no se desplazan hasta el final, sino que oscilan hacia adelante y hacia atrás, antes de regresar a su lugar de origen. Cada partícula transmite la vibración a la siguiente dando origen a un movimiento en cadena.

Velocidad del sonido

• La velocidad del sonido depende de las características del medio, así el sonido se propaga a diferentes velocidades según el medio que transmita la vibración. En general, la velocidad es mayor en los sólidos que en los líquidos y en los líquidos es mayor que en los gases.

La velocidad del sonido en el aire a una temperatura de 20 ºC, es de 340 m/s, lo que equivale a unos 1224 Km/h

Velocidad del sonido

Ondas sonoras.

Hemos definido el sonido como la sensación producida en el oído por las vibraciones de las partículas que se desplazan en forma de onda sonora a través de un medio elástico que las propaga.

Como el sonido se propaga en forma de ondas, tenemos que saber que características tiene la onda sonora para ver como se comporta.

• 1.- Es una onda mecánica. Las ondas mecánicas no pueden desplazarse en el vacío, necesitan hacerlo a través

de un medio material (aire, agua, cuerpo sólido). Además dicho medio debe ser elástico y no rígido para permitir la transmisión del sonido. Ya hemos visto cómo se propaga la vibración a través de las partículas o moléculas que conforman el medio.

• 2.- Es una onda longitudinal. En las ondas longitudinales el movimiento de las partículas se desplazan en la misma

dirección que la onda.

Ondas sonoras.

Mientras que en las ondas transversales el movimiento de las partículas es perpendicular a la dirección de la onda

En cualquiera de los dos casos, las partículas oscilan alrededor de un punto de reposo bien horizontalmente o verticalmente pero no se desplazan hacia el final. Es decir lo que se transmite o propaga a través del medio es la energía o vibración, no la materia.

• Para cualquier onda de sonido aplican las mismas ecuaciones de velocidad de una onda.

V= ; Un aumento en la temperatura también incrementa la velocidad del

sonido. Experimentalmente se ha observado que la velocidad de propagación del sonido en el aire aumenta 0.6m/s por cada grado que se incrementa la temperatura sobre 0°C. Por lo tanto se puede calcular la velocidad V del sonido en el aire en función de la temperatura T a través de la expresión:

• La velocidad de propagación del sonido también se puede calcular conociendo la distancia recorrida y el tiempo empleado en recorrerla mediante la expresión: V=

• En general la rapidez a la cual se mueve una perturbación a través de un medio depende de la elasticidad del medio y de su densidad. Por ejemplo, como usted aprendió en el capítulo anterior, la rapidez de una onda en una cuerda tensa está dada por V = , en donde F

es la tensión en la cuerda y µ es la densidad lineal de la masa.

• Expresiones similares describen la rapidez de las ondas en sólidos y líquidos. Aquí la elasticidad se expresa en términos de los módulos de Young (Y) y el módulo de volumen (β). En general las rapideces del sonido en sólidos y líquidos están dadas por:

V= y V = , respectivamente.

Donde ρ es la densidad.

Fenómenos acústicosReflexión del sonido.• La reflexión es el fenómeno que se produce cuando

las ondas sonoras llegan hasta un obstáculo que se opone a su propagación y se reflejan, cambiando de dirección o de sentido.

De la misma manera que la luz se refleja en un espejo o una pelota rebota en el suelo, el sonido se comporta igual frente a un obstáculo, cumpliéndose la siguiente ley:

El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión.

• Un curioso fenómeno relacionado con la reflexión del sonido es el eco. Cuando se grita frente a una montaña, se oye primero el sonido directo, y después el sonido reflejado en el obstáculo. Esta repetición del sonido se denomina eco y se debe a la reflexión de las ondas sonoras.

El eco es el fenómeno que se produce cuando las ondas de sonido rebotan en algún obstáculo y cambian de sentido.

• Como la velocidad del sonido en el aire es de 340 m/s (a 20 °C), recorrerá 34 m en una décima de segundo. Por tanto, para que se produzca el eco el obstáculo debe estar situado, como mínimo, a 17 m del foco emisor. De forma que el sonido recorrerá 17 m para ir y otros 17 m al volver el sonido reflejado.

La reverberación. En el caso de que el tiempo de separación

entre el sonido emitido y el reflejado sea menor de 0,1 s, nuestro oído percibirá un solo sonido prolongado, fenómeno conocido como reverberación.

Para que se produzca la reverberación, el obstáculo debe estar a menos de 17 m; en este caso, el sonido inicial y el reflejado se solapan, y resulta difícil comprender el sonido emitido.

La reverberación se produce, por ejemplo, cuando hablamos en una sala vacía. Para disminuir la intensidad de los sonidos reflejados y mejorar la audición de una estancia, se colocan materiales absorbentes de las ondas sonoras, como cortinas, alfombras o butacas tapizadas, y se recubren las paredes de corcho.

REFRACCIÓN DEL SONIDO

• Es el cambio de dirección de una onda cuando cruza el límite entre dos medios en los cuales la onda viaja con diferente rapidez. El fenómeno de la refracción supone un cambio en la velocidad de propagación de la onda, cambio asociado al paso de un medio a otro de diferente naturaleza o de diferentes propiedades. Este cambio de velocidad da lugar a un cambio en la dirección del movimiento ondulatorio. Como consecuencia, la onda refractada se desvía un cierto ángulo respecto de la incidente.La refracción se presenta con cierta frecuencia debido a que los medios no son perfectamente homogéneos, sino que sus propiedades y, por lo tanto, la velocidad de propagación de las ondas en ellos, cambian de un punto a otro.

• En un día caluroso, las capas de aire próximas al piso, están más calientes que las capas más altas. como el sonido se propaga con mayor velocidad en el aire más caliente, una onda sonora emitida por una persona, tiende a refractarse hacia arriba.

Mientras que en la noche el fenómeno es a lo inverso, el sonido tiende a refractarse hacia abajo.

Interferencia del sonido. Cuando dos ondas de igual frecuencia y en

igualdad de fase se superponen en un medio, se produce una alternancia de máximos y mínimos de amplitud de vibración.

En un concierto es muy difícil distinguir el sonido de cada instrumento por separado. Esto se debe a la interferencia que hace que escuchemos solo las ondas resultantes. Cuando se produce interferencia, la amplitud de vibración varía con la posición: hay zonas donde la amplitud de la vibración es máxima (zonas de interferencia constructiva) y otras zonas donde es mínima (zonas de interferencia destructiva). Cuando se produce interferencia, el sonido alcanza su máxima intensidad en las zonas de interferencia constructiva, mientras que en las zonas de interferencia destructiva simplemente hay silencio.

Difracción del sonido.• Cuando una onda viajera se

encuentra en su recorrido un obstáculo que limita parcialmente su propagación, puede rodear el obstáculo y seguir propagándose. Los bordes de los obstáculos se convierten en centros emisores. Por esta razón una persona que habla en una habitación es escuchada por otra persona que está en la habitación contigua.

Cualidades o características del sonido. Las cualidades del sonido son aquellas características

que permiten diferenciar unos sonidos de otros. En la audición se distinguen tres cualidades del sonido: tono o altura, intensidad y timbre.

• Tono o Altura. Es la característica del sonido por la cual una persona

distingue sonidos graves y agudos. Cuando una onda sonora llega a nuestros oídos, tenemos la sensación de oír, si la onda tiene una frecuencia comprendida entre 20hz y 20000hz, a las frecuencias que están en este intervalo se les llama frecuencias audibles o audioconferencias.

Una onda longitudinal que se propaga en un medio material con una frecuencia inferior a 20hz se denomina infrasonido, y si su frecuencia es superior a 20.000hz, recibe el nombre de ultrasonido, o sea que estas ondas no provocan sensaciones auditiva alguna cuando lleguen al oído de las personas

• Los sonidos de frecuencias bajas los oímos como sonidos graves, mientras que los de frecuencias altas, los oímos como sonidos agudos. El tono de un sonido depende de su frecuencia.

Frecuencias bajas.

Frecuencias altas Sonidos agudos

Sonidos graves.

Intensidad del sonido.

La intensidad es conocida también como "Volumen". La intensidad de un sonido depende de la energía que transporta y se relaciona con la amplitud de la vibración que lo genera.Sonidos fuertes o intensos se asocian con vibraciones de gran amplitud; mientras que los sonidos débiles se asocian con vibraciones de pequeña amplitud.

• A la intensidad del sonido más débil que puede oírse se le llama umbral de audibilidad. Este umbral varía según las personas y también con la frecuencia del sonido. Para ser oídos, los sonidos deben tener una intensidad mayor que la del umbral de audición y una menor a cierto valor que el oído no puede tolerar, llamado umbral de dolor. Este umbral depende de cada persona, pero no le da la frecuencia del sonido.

• La intensidad del sonido se mide en una unidad denominada bel (en homenaje a Alexander Graham Bell). En la práctica, un submúltiplo de esta unidad es lo que más se usa: decibel (db) = 0,1 bel. A manera de ilustración, en la siguiente tabla se muestra la intensidad de algunos sonidos expresada en decibeles. 

Variación de la intensidad con la distancia.

La disminución de la intensidad del sonido a medida que se aumenta la distancia se puede explicar fácilmente considerando que la energía que se propaga se reparte cada vez en superficies mayores.

Supongamos que de una fuente puntual de potencia P, situada en el centro de una esfera salen ondas esféricas.

La intensidad de la onda varia en razón inversa al cuadrado de su distancia a la fuente inversa al cuadrado de su distancia a la fuente.

A la distancia r, la intensidad de la onda es:

Debido a que la fuente es puntual, la energía emitida se distribuye en la esfera de radio (r) cuya superficie es 4 π r2.

Luego:

Nivel de intensidad.• El oído oye intensidades sonoras de 10-12 w/m2

hasta 1w/m2. A causa de este gran intervalo de intensidades, se prefiere utilizar una escala logarítmica (base 10) en lugar de la escala natural. Para esto, el nivel de intensidad β de una onda sonora se define como:

Β = 10 log db

Siendo I0 una intensidad arbitraria de referencia que se toma igual a 10-12w/m2 y que corresponde al sonido más débil que se puede oír.

Timbre.• El timbre es la cualidad del sonido que

permite distinguir sonidos procedentes de diferentes instrumentos, aun cuando posean igual tono e intensidad. Debido a esta misma cualidad es posible reconocer a una persona por su voz, que resulta característica de cada individuo.

El timbre nos permite distinguir dos sonidos de la misma intensidad y la misma frecuencia. Por ejemplo nos permite distinguir el sonido de una trompeta y un violín aunque emitan la misma nota con la misma intensidad.

• Una forma de poner de manifiesto este fenómeno consiste en tomar dos diapasones capaces de emitir un sonido de la misma frecuencia y colocados próximos el uno del otro, cuando hacemos vibrar uno, el otro emite, de manera espontánea, el mismo sonido, debido a que las ondas sonoras generadas por el primero presionan a través del aire al segundo.

Resonancia. • En el sentido literal, resonancia

significa sonar de nuevo. De acuerdo a lo anterior llámese resonancia acústica a la reproducción de un sonido por un resonador. Lo fundamental para que exista resonancia es que tanto el cuerpo productor del sonido como el reproductor de éste, estén al unísono o tengan la misma frecuencia.