Ondas Sonoras Fisica II

Ondas Sonoras

Una onda sonora es una onda longitudinal que transmite lo que se asocia con sonido. Si se propaga en un medio elástico y continuo genera una variación local de presión o densidad, que se transmite en forma de onda esférica periódica. Mecánicamente las ondas sonoras son un tipo de onda elástica.

Las variaciones de presión, humedad o temperatura del medio, producen el desplazamiento de las moléculas que lo forman. Cada molécula transmite la vibración a las que se encuentren en su vecindad, provocando un movimiento en cadena. Las diferencias de presión generadas por la propagación del movimiento de las moléculas del medio, producen en el oído humano una sensación descrita como sonido.

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.

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 eléctricoalterno aplicado. Todas pueden ser longitudinales o transversales en sólidos, aunque solo pueden ser longitudinales en fluidos.

Es una onda longitudinal.

En las ondas longitudinales el movimiento de las partículas se desplaza en la misma dirección que la onda.

Es una onda tridimensional.

Son ondas que se propagan en tres direcciones. Las ondas tridimensionales se conocen también como ondas esféricas, porque sus frentes de ondas son esferas concéntricas que salen de la fuente de perturbación expandiéndose en todas direcciones.

Tono, Intensidad, Timbre

La escala de intensidad sonora en decibelios es una escala en dimensiones humanas. Si consideramos un sonido de f=500 Hz y de amplitud A = 10-8 m, la intensidad sonora es de I = 2´17. 10-7 W/m2, como vemos una potencia muy pequeña de diez.

El oído humano, además de tener “umbrales” de audición para la frecuencia (recordemos que los sonidos audibles van de 20 Hz a 20000 Hz), también tiene “umbrales” para los valores de intensidad sonora. Así para intensidades menores de 10-12 W/m2 el oído humano no los percibe y, para valores mayores de 1 W/m2 se alcanza el “umbral del dolor” o la rotura del tímpano.

Así, se establece una escala adimensional de medida de intensidad sonora en DECIBELIOS que se calcula como:

Así, los “umbrales” para la intensidad sonora en decibelios, van desde 0 dB a 120 dB.

Símbolo dB, es la unidad relativa empleada en acústica, electricidad, telecomunicaciones y otras especialidades para expresar la relación entre dos magnitudes: la magnitud que se estudia y una magnitud de referencia.

El decibelio es una unidad logarítmica, adimensional y matemáticamente escalar. Es la décima parte de un belio (símbolo B4 ), que es el logaritmo de la relación entre la magnitud estudiada y la de referencia, pero no se utiliza por ser demasiado grande en la práctica, y por eso se utiliza el decibelio. El belio recibió este nombre en honor de Alexander Graham Bell.

Para el oído humano el umbral de audición, para una frecuencia de 1.000 Hz, es 10-12 W/m2, y el umbral de dolor es de aproximadamente 1 W/m2.

Es decir solo es capaz de percibir sonidos cuya intensidad es superior a 10-12 W/m2 y no soporta sonidos de intensidad superior a 1 W/m2.

Debido al enorme margen de intensidades audibles y a que la sensación sonora varía con la intensidad de modo no lineal, sino casi de modo logarítmico, se usa la escala logarítmica para describir el nivel de intensidad sonora. El nivel de intensidad b se mide en decibelios (dB) y se define: b = 10 log (I / Io) donde I es la intensidad e I0 es un nivel arbitrario de referencia que se considera como el umbral de audición. I0 = 10-12 W/m2.

El umbral de sensibilidad, I0, se usa como valor de referencia para definir el decibel.

I0 = 10-12 W/m²

Contra este valor de referencia (por ser el menor valor que podemos percibir con nuestros oídos), se compara cualquier otro, I, realizando un cociente:

( I / I0)

A ese cociente (que como ya te conté antes puede valer hasta 1 billón, o más) se le aplica logaritmo. Así se define el nivel de intensidad sonora, β, que como todo logaritmo no tiene unidades, y le inventamos una unidad-hoc para que los lectores sepan a qué nos estamos refiriendo: el decibel (dB). Hace algunas pruebas con la calculadora científica para familiarizarte con las escala de medición logarítmica.

β = 10 log ( I / I0) (en dB)

La escala de nivel de intensidad sonora no sólo es más práctica, también se ajusta mejor a la fisiología y la psicología de la audición.

Cualidad Propiedad física relacionada Rango

Intensidad Amplitud de la onda Fuerte a Débil

Tono Frecuencia de la onda Aguda a Grave

Timbre Forma de la onda Fuente emisora del sonido

Efecto Doppler

El efecto Doppler, llamado así por el físico austríaco Christian Andreas Doppler, es el aparente cambio de frecuencia de una onda producida por el movimiento relativo de la fuente respecto a su observador. Doppler propuso este efecto en 1842 en su tratado Über das farbige Licht der Doppelsterne und einige andere Gestirne des Himmels (Sobre el color de la luz en estrellas binarias y otros astros). El científico neerlandés Christopher Hendrik Diederik Buys Ballot investigó esta hipótesis en 1845 para el caso de ondas sonoras y confirmó que el tono de un sonido emitido por una fuente que se aproxima al observador es más agudo que si la fuente se aleja. Hippolyte Fizeau descubrió independientemente el mismo fenómeno en el caso de ondas electromagnéticas en 1848. En Francia este efecto se conoce como "efecto Doppler-Fizeau" y en los Países Bajos como el "efecto Doppler-Gestirne".

En el caso del espectro visible de la radiación electromagnética, si el objeto se aleja, su luz se desplaza a longitudes de onda más largas, desplazándose hacia el rojo. Si el objeto se acerca, su luz presenta una longitud de

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