Acústica

Acústica

La acústica es una rama de la física interdisciplinaria que estudia el sonido, infrasonido y ultrasonido, es decir ondas mecánicas que se propagan a través de la materia (tanto sólida como líquida o gaseosa) (no se propagan en el vacío) por medio de modelos físicos y matemáticos. A efectos prácticos, la acústica estudia la producción, transmisión, almacenamiento, percepción o reproducción del sonido. La ingeniería acústica es la rama de la ingeniería que trata de las aplicaciones tecnológicas de la acústica.

La acústica considera el sonido como una vibración que se propaga generalmente en el aire a una velocidad de 343 m/s (aproximadamente 1 km cada 3 segundos), o 1.235 km/h en condiciones normales de presión y temperatura (1 atm y 20 °C).

14.1 Ondas sonoras

Son ondas mecánicas longitudinales que se propagan en un medio material cuya frecuencia está comprendida entre 20 y 20 000Hz.

Este tipo de ondas son generadas por vibraciones de cuerpos cuya frecuencia se encuentre dentro del rango audible como la membrana de una bocina que al moverse a la derecha, mueve la capa de aire más próxima a ella, esta a su vez, ejerce una presión sobre la capa de aire vecina y así sucesivamente para formar una región móvil de compresión, en donde la densidad y presión del aire son mayores que los correspondientes al equilibrio.

Las ondas sonoras necesitan de un medio de propagación, es decir, es imposible que el sonido viaje en el vacío. Las ondas sonoras no solo viajan en el aire, sino en otros gases, en los líquidos y los sólidos. Esto se evidencia al escuchar una conversación a través de un muro, o cuando un buzo sumergido en el agua escucha los sonidos que emite un delfín.

14.1.1 Propiedades del sonido

Las fuentes de sonido tanto naturales como artificiales emiten una amplia gama de sonidos, los cuales son percibidos de manera diferente por cada ser humano debido a que cada sonido posee características o cualidades que dependen del número de vibraciones de la fuente de sonido, la energía emitida y la presencia de sonidos secundarios. Estas características son independientes y dependen solo de la onda y no del sujeto que la percibe.

Tono: Es la cualidad que corresponde a la sensación de un sonido más o menos grave o agudo. Se dice que la voz masculina se percibe como grave y la femenina como aguda.

Esta característica depende de la frecuencia de la onda, es decir, la cantidad de ondas por unidad de tiempo. Un sonido agudo tiene una mayor frecuencia que uno grave. El sonido más agudo que se puede llegar a percibir es de una frecuencia de 20 000 Hz.

Timbre: Es la cualidad que permite distinguir la fuente de sonido. Por ejemplo, cuando se escucha la misma nota generada tanto por un violín como por un piano, podemos reconocer a que instrumento pertenece cada nota y por lo tanto dichos sonidos difieren en sus timbres.

El timbre del sonido depende de la forma de la onda.

Sonoridad e intensidad: La sonoridad de un sonido es la cualidad que nos permite distinguir un sonido fuerte de uno débil. Un sonido es tanto más fuerte cuando más energía nos haga llegar al oído en menos tiempo. Como la energía sonora es proporcional al cuadrado de la amplitud, entonces un sonido fuerte tiene mayor amplitud que un sonido débil para una frecuencia dada.

La intensidad de un sonido es la energía sonora que llega a una superficie unitaria en la unidad de tiempo.

Esta se determina midiendo la energía que incide sobre un detector en un intervalo de tiempo. Entonces la intensidad sonora es igual a esta energía dividida entre el tiempo y el área del detector.

14.1.2 Infrasonido

Las frecuencias menores de 20 Hz están en la región infrasónica. Las ondas en esta región, que los humanos no pueden oír, se encuentran en la naturaleza. Las ondas longitudinales generadas por sismos tienen frecuencias infrasónicas, y usamos esas ondas para estudiar el interior de la tierra. Las ondas infrasónicas o infrasonido, son también generadas por el viento y los patrones del clima. Los elefantes y el ganado tienen respuestas auditivas en la región infrasónica y pueden incluso advertir anticipadamente sobre sismos y perturbaciones climáticas como los tornados, pues detectan ondas infrasónicas tan bajas como 1 Hz, pero las palomas son capaces de detectar frecuencias de sonido tan bajas como 0.1 Hz.

Existen estaciones para captar infrasonido y son utilizadas para advertir desastres como terremotos y tornados e incluso para detectar explosiones nucleares.

14.1.3 Ultrasonido

Por arriba de 20 kHz se tiene la región ultrasónica. Las ondas ultrasónicas pueden ser generadas por vibraciones de alta frecuencia en cristales. Las ondas ultrasónicas o ultrasonido, no pueden ser detectadas por seres humanos, pero pueden serlo por otros animales. La región audible de los perros se extienden a 45 kHz, los gatos y los murciélagos tienen rangos audibles mayores, hasta aproximadamente 70 y 100 kHz, respectivamente.

Hay muchas aplicaciones prácticas del ultrasonido, pues al poder viajar varios kilómetros en el agua, se utiliza en el sonar para detectar objetos submarinos y saber a qué distancia están y, al igual que el radar, emplea ondas de radio. En la naturaleza tenemos claros ejemplos de aplicación del sonar ultrasónico: Los murciélagos en sus vuelos nocturnos usan un tipo de sonar natural para desplazarse hacia adentro y hacia afuera de sus cuevas, así como para localizar y atrapar insectos voladores. En medicina, el ultrasonido se usa para limpiar dientes con cepillos dentales ultrasónicos. En aplicaciones industriales y caseras, se usan los baños ultrasónicos para limpiar partes metálicas de máquinas, dentaduras y joyería. Quizá la aplicación mejor conocida sea la revisión del feto sin exponerlo potencialmente a los rayos x. Además el ultrasonido se utiliza en el diagnóstico de cálculos renales y piedras en los riñones.

14.2 Ondas longitudinales y Transversales

Longitudinales: Una onda longitudinal es una onda en la que el movimiento de oscilación de las partículas del medio es paralelo a la dirección de propagación de la onda. Las ondas longitudinales reciben también el nombre de ondas de presión u ondas de compresión. Algunos ejemplos de ondas longitudinales son el sonido y las ondas sísmicas de tipo P generadas en un terremoto.

Transversales: Una onda transversal es una onda en movimiento que se caracteriza porque sus oscilaciones ocurren perpendiculares a la dirección de propagación. Si una onda transversal se mueve en el plano x-positivo, sus oscilaciones van en dirección

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