SONIDO: producción, transmisión y detección


La Acústica es la rama de la Física que estudia las ondas sonoras o sonido. Asimismo, el sonido para su estudio se divide en tres apartados:

a) Producción de sonido (estudio de las fuentes sonoras)
b) La transmisión del sonido ( y su velocidad)
c) La detección del sonido

Introducción
En los siguientes videos se ilustra la descripción de las ondas y del sonido:


En el siguiente vínculo puedes descargar los materiales impresos sobre el tema y desarrollar las actividades :

SONIDO
Es una forma especial de movimiento vibratorio que tiene lugar en el seno de la materia; ya sea que se presente en el estado sólido, líquido o gaseoso, que se origina por una perturbación producida en un cuerpo sonoro.

El sonido también se define como una onda longitudinal que se propaga a través de un medio elástico

a) Producción del sonido (las fuentes sonoras)

Las ondas sonoras longitudinales se producen como consecuencia de una perturbación periódica en el aire, y que el oído humano actúa como receptor de estas ondas sonoras periódicas, percibiéndolas como sonido. El cuerpo sonoro puede vibrar longitudinal o tranversalmente.

Deben existir dos factores para que exista el sonido:

               a) Es necesaria una fuente de vibración mecánica
               b) Un medio elástico a través del cual se propague la perturbación

La fuente puede ser un diapasón, una cuerda que vibre o una columna de aire vibrando en un tubo de órgano. Los sonidos se producen por una materia que vibra. 

La necesidad de la existencia de un medio elástico se puede demostrar colocando un timbre eléctrico dentro de un frasco conectado a una bomba de vacío. Cuando el timbre se conecta a una batería para que suene continuamente, se extrae aire del frasco lentamente. A medida que va saliendo el aire del frasco, el sonido del timbre se vuelve cada vez más débil hasta que finalmente ya no se escucha. Cuando se permite que el aire penetre de nuevo al frasco, el timbre vuelve a sonar. Por lo tanto, el aire es necesario para transmitir el sonido.
Una tira metálica delgada se sujeta fuertemente en su base, se tira de uno de sus lados y luego se suelta. Al oscilar el extremo libre de un lado a otro con movimiento armónico simple, se propagan a través del aire una serie de ondas sonoras longitudinales periódicas que se alejan de la fuente.

Las moléculas de aire que colindan con la lámina metálica se comprimen y se expanden alternativamente, transmitiendo una onda. Las regiones densas en las que gran número de moléculas se agrupan acercándose mucho entre sí se llaman compresiones. Las regiones que tienen relativamente pocas moléculas se conocen como rarefacciones. 

b) Transmisión del sonido- Velocidad del sonido

El sonido se transmite en cualquier medio ya sea sólido, líquido o gasesoso, pero no en el vacío. La fuente de cualquier sonido es un objeto que vibra, alguas fuentes sencillas de sonido son los instrumentos musicales. En éstos, la fuente se hace vibrar ya sea golpeándola, pulsándola o soplando dentro de ella. Los instrumentos más populares como el violín, la guitarra y el piano están provistos de cuerdas vibratorias.

Las ondas estacionarias en una cuerda son la base de todos los instrumentos de cuerda, la longitud de onda fundamental es igual al doble de la longitud de la cuerda. Por lo tanto la frecuencia fundamental es: 
Donde: v= velocidad de la cuerda ; L= longitud de la cuerda

Las cuerdas de una guitarra o de violín tienen la misma longitud, pero suenan a diferentes alturas porque tienen distintas masas por unidad de longitud (m/L), lo cual afecta la velocidad, de acuerdo con la siguiente ecuación

Donde:
F= Tensión de la cuerda (N) ;    m= Masa de la cuerda (kg) ; L= Longitud de la cuerda (L)

Las frecuencias características en cuerdas están en función de los nodos (N), o puntos fijos a lo largo de una cuerda que permanecen en reposo, y los puntos de máxima amplitud llamados antinodos, además de la longitud de onda que es la distancia entre los nodos y antinodos alternados.

La onda estacionaria mas sencilla posible se presenta cuando las longitudes de onda de las ondas incidentes y reflejadas son equivalentes al doble de la longitud (L) de la cuerda. 
La onda estacionaria consiste en un bucle que tiene puntos nodales en cada extremo, como se ve en la figura (a). Este patrón se conoce como el modo fundamental de oscilación

Los modos superiores de oscilación se producirán para longitudes de insa cada vez más cortas. En la figura se observa que las longitudes de onda permitidas son las siguientes:

o en forma de ecuación, 
 Las frecuencias correspondientes de vibración son, partiendo de que v = fλ
donde v es la rapidez de las ondas transversales. 
Esta rapidez es la misma para todas las longitudes de onda, puesto que depende tan sólo de las características del medio vibrante. 
A las frecuencias que se obtienen mediante la ecuación anterior se les llama frecuencias características de vibración. En términos de la tensión F de la cuerda y de la densidad lineal μ, las frecuencias características son las siguientes:  
   
La frecuencia más baja posible (v/2L ) se conoce como frecuencia fundamental f1.  
 f1 = v/2L
Las otras frecuencias, que son múltiplos enteros de la fundamental, se conocen como sobretonos
fn = n f1 ; n= 1,2,3...


La serie completa, está conformada por la frecuencia fundamental y sus sobretonos, y se le conoce como serie armónica
f1= Primera armónica o frecuencia fundamental
f2= Segunda armónica o primer sobretono 
f3= Tercera armónica o segundo sobretono

A la serie fn= nf1 se le conoce como serie armónica que es un múltiplo entero de la frecuencia fundamental.  

Velocidad del sonido

Cuando vemos la luz de un relámpago disante escuchamos después el trueno, sabemos que la diferencia de tiempo se debe relativamente a la baja velocidad del sonido. Como el sonido requiere 5 segundos para recorrer una milla, se puede saber donde esta la tormenta tomando el tiempo con el reloj.

Dayton Miller, un físico norteamericano en 1934, obtuvo la velocidad del sonido: 331 m/s a la temperatura de 0 C, lo que equivale a 1192 km/hr o 1085 ft/seg. Para efectos de cálculo se considera la velocidad de 340m/s que es la velocidad a 20 C.

Como regla general, el sonido se transmite más rápidamente en sólidos y líquidos que en gases. La velocidad del sonido en el aire está afectada por la temperatura, así que por cada grado centígrado de elevación de la temperatura, la velocidad aumenta 61 cm/s o 2 ft/. La ecuación siguiente permite realizar el cálculo de la velocidad considerando la temperatura ambiente:
v= Vo + 0.61 t
Donde Vo=velocidad del sonido a 331 m/s   ; t= temperatura en grados centígrados (oC).

Velocidad del sonido en sólidos y gases

  c) Detección del Sonido: cualidades físicas (Intensidad, tono, timbre)

Cualquier sonido sencillo, como una nota musical, puede describirse en su totalidad especificando tres características de su percepción: la intensidad, el tono y el timbre.
Estas características corresponden exactamente a tres características físicas: la amplitud, la frecuencia y la composición armónica o forma de onda.
 
Intensidad
(Depende de la amplitud): Distingue un sonido fuerte de uno débil.
Tono (Depende de la frecuencia): Distingue a un sonido agudo (tono alto) de un sonido grave (tono bajo).
Timbre (Depende de la forma de onda): Distingue dos sonidos de la misma intensidad y tono, pero producido por distintas fuentes.

El ruido es un sonido complejo, una mezcla de diferentes frecuencias o notas sin relación armónica.
En el caso de ondas esféricas que se propagan desde una fuente puntual, la intensidad es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia, suponiendo que no se produzca ninguna pérdida de energía debido a la viscosidad, la conducción térmica u otros efectos de absorción. 

Por ejemplo, en un medio perfectamente homogéneo, un sonido será nueve veces más intenso a una distancia de 100 metros que a una distancia de 300 metros.

                                 

Como se puede observar existe un amplio rango de intensidades que el oído humano es sensible, por lo que es conveniente establecer una escala logarítmica para medir las intensidades del sonido mediante la siguiente regla:
Cada sonido se caracteriza por su velocidad específica de vibración, que impresiona de manera peculiar al sentido auditivo. Esta propiedad recibe el nombre de tono.
Los sonidos de mayor o menor frecuencia se denominan respectivamente, agudos o graves; términos relativos, ya que entre los tonos diferentes un de ellos será siempre más agudo que el otro y a la inversa.

Si se toca el situado sobre el do central en un violín, un piano y un diapasón, con la misma intensidad en los tres casos, los sonidos son idénticos en frecuencia y amplitud, pero muy diferentes en timbre. De las tres fuentes, el diapasón es el que produce el tono más sencillo, que en este caso está formado casi exclusivamente por vibraciones con frecuencias de 440 hz. 

Debido a las propiedades acústicas del oído y las propiedades de resonancia de su membrana vibrante, es dudoso que un tono puro llegue al mecanismo interno del oído sin sufrir cambios. 

La componente principal de la nota producida por el piano o el violín también tiene una frecuencia de 440 hz. Sin embargo, esas notas también contienen componentes con frecuencias que son múltiplos exactos de 440 hz, los llamados tonos secundarios, como 880, 1.320 o 1.760 hz. 

Las intensidades concretas de esas otras componentes, los llamados armónicos, determinan el timbre de la nota.






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