GU´IA 3: SONIDO
CONTENIDO: Sonido; cualidades, rango de audi-bilidad, fen´omenos sonoros y recepci´on del sonido.
HABILIDADES: Reconocer la importancia del sonido en el contexto diario y su proceso de propa-gaci´on y recepci´on. Comprender los distintos fen´omenos ondulatorios que cumple el sonido.
APTITUDES: Responsabilidad, buenas rela-ciones interpersonales para el trabajo en equipo.
ALUMNO: CURSO: FECHA:
El sonido es un fen´omeno f´ısico producido por la vibraci´on de alg´un cuerpo material, estas oscila-ciones s´olo en algunos casos pueden ser escuchadas a trav´es de nuestros o´ıdos. Cuando se combinan de manera coherente sonidos que somos capaces de o´ır se genera lo que se conoce como m´usica, arte que ha sido practicada desde tiempos muy antiguos, pero que nunca hab´ıa sido mirada desde el punto de vista cient´ıfico, hasta que Pit´agoras se interes´o en entender por qu´e algunas piezas musicales le parec´ıan m´as bellas que otras. Posteriormente, Arist´oteles comprob´o que el sonido consist´ıa en contracciones y expansiones de aire. Durante el siglo XVI se avanza r´apidamente en la comprensi´on del fen´omeno, siendo Galileo y Mersenne los descubridores de las leyes que rigen una cuerda vibrante, mientras Newton obtiene la ecuaci´on para determinar la velocidad del sonido en un s´olido. De ah´ı en adelante comienzan los avances en esta rama, llegando a ser capaces de crear herramientas ´utiles basadas en las propiedades de estas ondas mec´anicas, tales como el ultrasonido en medicina.
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Cualidades del sonido
El sonido es una onda mec´anica longitudinal, producida por la vibraci´on de un medio el´astico que puede ser s´olido, l´ıquido o gaseoso, transmiti´endose por diferencias de presi´on en el medio de propagaci´on.
1.1
Intensidad
Es la caracter´ıstica que permite distinguir si un sonido es fuerte o d´ebil. Est´a directamente rela-cionada con la amplitud: para sonidos fuertes, amplitudes grandes; para sonidos d´ebiles, amplitudes peque˜nas. Tambi´en es posible asociar la intensidad y la amplitud con la cantidad de energ´ıa transportada por la onda sonora; a mayor intensidad o amplitud, mayor energ´ıa transportada.
La intensidad del sonido se mide con un instrumento llamado son´ometro, y su unidad de medida es el decibel [db], nombre que deriva de su inventor Alexander Graham Bell.
Escala de db
Fuente sonora db
Silencio absoluto 0 Hojas de un ´arbol movidas por una brisa
20
Radio o televisi´on 40 Conversaci´on com´un 60 Tr´afico urbano intenso 70 Persona gritando 90 Obra de construcci´on 100 Umbral de sensaci´on dolorosa
140
Es importante notar que la exposici´on prolongada a sonidos sobre los 100[db] produce da˜nos irre-versibles en el t´ımpano.
1.2
Tono o altura
Permite distinguir cuando un sonido es m´as agudo o m´as grave que otro. Tiene relaci´on directa con lafrecuencia de la onda sonora: para sonidos agudos, frecuencias altas y para sonidos graves, frecuencias bajas. El tono de un sonido aumenta si su frecuencia aumenta y viceversa.
Figure 1: Sonidos graves y agudos.
1.3
Timbre o calidad
Permite distinguir sonidos entre igual intensidad e igual tonalidad, los que son emitidos por fuentes distintas. La diferencia de timbre se debe a una composici´on arm´onica diferente para los sonidos. La composici´on arm´onica de un sonido corresponde a la onda resultante de la interferencia de su frecuencia fundamental con la de los arm´onicos. As´ı por ejemplo una nota Do tocada en una flauta dulce suena distinto si es tocada en un saxof´on.
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Velocidad de propagaci´
on
Depende del medio en el cual se propaga el sonido, destacando dos factores,densidadytemperatura
del medio, por lo que cualquier variaci´on de estos factores altera la velocidad de propagaci´on. A continuaci´on se muestran algunas velocidades del sonido en distintos medios y temperaturas:
Velocidad de propagaci´on del sonido
Medio Temperatura[C] Velocidad [ms]
Aire 0 331
Aire 15 340
Agua 20 1.493
Madera 25 3.900
Acero 15 5.100
La velocidad de propagaci´on del sonido es independiente de la frecuencia y la amplitud, por lo tanto, en un medio homog´eneo con temperatura constante la velocidad de propagaci´on es constante. Notar adem´as en la tabla, que la velocidad de propagaci´on del sonido es mayor en medios densos como los s´olidos, as´ı es m´as r´apido en el acero que en el aire. Podemos concluir que
A mayor temperatura del medio, mayor es la velocidad de transmisi´on del sonido en ese medio. En el caso del aire a partir de los 15oC, por cada grado que aumenta la temperatura,
la velocidad del sonido aumenta 0,6[ms], matem´aticamente la relaci´on existente entre la velocidad del sonido v y la temperatura del aire Tc en grados celsius es:
v = (331 + 0,6·Tc)[
m s]
3
Rango de aubilidad
El rango de audici´on humano est´a entre 20[Hz] y 20.000[Hz]. Vibraciones bajo los 20[Hz], llamadas
infrasonidosy vibraciones sobre los 20.000[Hz], llamadas ultrasonidos, son imperceptibles para el sistema auditivo humano.
3.1
Aplicaciones
1. Ultrasonido
El ultrasonido es aplicado en la ingenier´ıa para la medici´on de distancias, caracterizaci´on interna de materiales, etc. En medicina el ultrasonido est´a presente en ecograf´ıas, fisioterapia, entre otros. Las ecograf´ıas se usan para obtener im´agenes bidimensionales y tridimensionales del interior del cuerpo, con la ventaja de no utilizar radiaci´on, como es el caso de los Rayos X. Actualmente se usa para el estudio de l´ıquidos, que en presencia de ultrasonidos forman cavidades(fusi´on fr´ıa).
Figure 2: Ecograf´ıa m´edica.
2. Infrasonidos
La principal aplicaci´on de las ondas de infrasonido es la detecci´on de objetos, esto debido al bajo nivel de absorci´on que sufren en el medio. El inconveniente es que puede ser usada para detectar en el aire objetos de m´as de 20[m] y en el agua, objetos de m´as de 100[m].
4
Transmisi´
on del sonido
El sonido que se genera en un lugar es capaz de llegar a otro. A esto se le denomina transmisi´on del sonido. El sonido se transmite solo a trav´es de medios materiales, mediante la vibraci´on de las mol´eculas del medio por donde viaja.
Es importante recordar que en el proceso de transmisi´on de sonido, las mol´eculas del aire no se trasladan de un lugar a otro, sino que vibran en torno a su posici´on de equilibrio, transmitiendo as´ı la energ´ıa liberada al emitir el sonido.
Cabe destacar que el sonidose transmite mejor a trav´es de un medio s´olido, como la madera, que a trav´es de un medio gaseoso como el aire.
La eficiencia de transmisi´on del sonido por un medio material determinado depende de la frecuencia del sonido. Mientras mayor es la frecuencia del sonido, menor es el grado de eficiencia con que es transmitido. Esto sucede, por ejemplo, con los truenos. Un trueno se escucha m´as agudo mientras m´as pr´oximo al lugar de emisi´on se est´e, debido a que las frecuencias altas se pierden con la distancia. Por la misma raz´on, cuando se escucha desde lejos un concierto al aire libre o la m´usica de una fiesta, resaltan m´as los sonidos graves que los agudos.
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Fen´
omenos sonoros
El sonido, al ser una onda, se puede reflejar, refractar, difractar y cumple con el principio de superposici´on de ondas.
1. Reflexi´on:
El sonido es una onda mec´anica longitudinal esf´erica producida por las variaciones de presi´on en el medio, lo que genera vibraciones en las part´ıculas de ´este. Cuando el sonido se acerca a una superficie(un muro por ejemplo), las part´ıculas vecinas al obst´aculo chocan con ´el, de manera que cada una de ellas se comporta como una fuente puntual. El resultado de esta suma de fuentes puntuales es una onda que se propaga como si fuera generada desde un punto ubicado detr´as del muro, a la misma distancia que la fuente original respecto del obst´aculo. Una aplicaci´on de este fen´omeno es el sonar de un submarino.
Figure 3: Reflexi´on del sonido.
- Eco
Fen´omeno que se produce cuando el sonido que se emite se vuelve a o´ır despu´es de cierto tiempo. Es la reflexi´on del sonido sobre una superficie que se encuentre al menos a 17[m] de distancia de la fuente, produci´endose as´ı un eco monos´ılabo. Si el obst´aculo est´a a una distancia un poco mayor, el sonido reflejado perturbar´ıa al sonido emitido por la fuente, gener´andose un eco nocivo, pero si el sonido reflejado se sobrepone al sonido emitido entonces el eco es ´util.
- Reverberaci´on
2. Refracci´on
Cuando el sonido pasa de un medio a otro, se produce una desviaci´on de la direcci´on y una variaci´on en la velocidad de la onda sonora. La refracci´on tambi´en puede producirse dentro de un mismo medio, cuando las caracter´ısticas del medio no son homog´eneas, por ejemplo cuando de un punto a otro del medio la temperatura var´ıa, se produce refracci´on del sonido. Es importante recalcar que la ´unica caracter´ıstica que se mantiene constante es la frecuencia de la onda, todas las otras; amplitud, velocidad y longitud de onda cambian.
3. Difracci´on
Cuando el sonido pasa por una abertura, la onda se desv´ıa sim´etricamente hacia ambos lados de ´esta, dando la impresi´on de que el sonido es emitido por esa separaci´on. La abertura se convierte en una nueva fuente de ondas esf´ericas. Algo similar ocurre cuando el sonido se encuentra con un obst´aculo, desvi´andose alrededor de ´el. Esto permite que dos personas separadas por un muro puedan entablar una conversaci´on sin incovenientes.
4. Interferencia
Es la superposici´on de m´ultiples ondas sonoras, como por ejemplo la reverberancia, que es apreciable por un aumento del sonido cuando la interferencia es constructiva y con zonas de silencio cuando es destructiva.
5. Efecto Doppler
Al pasar una ambulancia cerca de una persona, el sonido de la sirena que ´esta escucha, va var-iando a medida que la ambulancia se acerca y aleja de ella. Mientras se viene aproximando, el tono parece aumentar, es decir, su frecuencia crece volvi´endose m´as agudo y cuando se aleja su frecuencia decrece, torn´andose m´as grave. Este fen´omeno tan cotidiano se conoce como efecto Doppler, en honor a Christian Doppler.
Veamoslo en detalle: cuando la ambulancia viaja con una velocidad considerable, ´esta tiende a alcanzar a las ondas de sonido que emite delante de ella y a distanciarse de las que propaga detr´as. El resultado de esto es que para un receptor est´atico las ondas se comprimen de-lante y se expanden detr´as. Por lo tanto, cuando la ambulancia se acerca al observador llegan m´as ondas por segundo a ´el (mayor frecuencia) y al alejarse llegan menos ondas por segundo (menos frecuencia), lo que se traduce en una variaci´on del tono. Sintetizando, el efecto Doppler establece que cuando la distancia relativa entre la fuente sonora y el observador var´ıa la frecuencia del sonido percibida por ´este cambia, es distinta de la frecuencia del sonido emitida por la fuente.
Figure 4: Efecto Doppler.
6. Resonancia
Ahora bien, si aquella frecuencia forzada es igual a la frecuencia natural, se produce un aumento de forma progresiva de la amplitud de la vibraci´on del objeto, lo que se denomina resonancia. As´ı es posible romper copas de cristal con s´olo dar una nota apropiada de manera continua o que un puente se derrumbe con una peque˜na ventolera (Puente Tacoma, 1.940). Otras aplicaciones de la resonancia se encuentran frecuentemente en la m´usica, como es el caso de las cajas de resonancia que amplifican la intensidad del sonido, sin modificar la frecuencia.
7. Atenuaci´on
Disminuci´on de la intensidad del sonido por la distancia, debido a la absorci´on que produce el medio de propagaci´on, decreciendo la amplitud y manteni´endose constante la frecuencia y el per´ıodo.
8. Absorci´on
Cuando el sonido se encuentra con una superficie dura, se refleja. En cambio cuando lo hace con un material blando se absorbe parcial o totalmente. Si el sonido tiene una frecuencia alta y el material es blando, mayor es la absorci´on.
6
El o´ıdo
Es un ´organo que se encuentra superdesarrollado en mam´ıferos, como el humano, y contiene a los ´
organos de la audici´on y el equilibrio. Est´a constituido principalmente por el o´ıdo externo, el o´ıdo medio y el o´ıdo interno.
6.1
O´ıdo externo
Est´a compuesto por el pabell´on auditivo (oreja), el conducto auditivo y el t´ımpano. Su funci´on b´asica es la recepci´on del sonido.
6.2
O´ıdo medio
Es un conducto estrecho y lleno de aire que limita por un lado con el t´ımpano y por otro con la
ventana oval. Dentro del o´ıdo medio se encuentran tres huesos peque˜nos: el yunque, el martillo, y el estribo.
6.3
O´ıdo interno
Es una cavidad similar a un laberinto y se encuentra dentro del hueso temporal, est´a llena de un l´ıquido viscoso (mezcla de sangre y l´ıquido cefalorraqu´ıdeo) y contiene a los ´organos de la audici´on y del equilibrio. Est´a formado por tres cavidades : el vest´ıbulo, tres canales semicirculares y el
caracol.
6.4
Proceso auditivo
1- El sonido ingresa al o´ıdo por el pabell´on, que com´umente llamamos oreja, llegando al canal auditivo.
3- Mediante un mecanismo de palanca estos tres huesos amplifican casi 40 veces el sonido: un peque˜no movimiento del martillo produce un gran movimiento del estribo. Tal movimimiento hace vibrar la ventana oval.
4- La vibraci´on de la ventana oval es transmitida a trav´es del fluido que est´a dentro del caracol hasta una membrana llamada basilar.
5- La vibraci´on de la membrana basilar estimula las terminaciones nerviosas del ´organo de Corti, lo que genera un impulso nervioso que viaja a trav´es del nervio auditivo hasta el enc´efalo. All´ı el impulso nervioso se interpreta como sonido, complet´andose el proceso de audici´on.
Figure 5: Secciones del o´ıdo.
6.5
Defectos de la audici´
on:
Existe un alto n´umero de personas que poseen una limitaci´on, parcial o total, en su capacidad auditiva. Las causas son m´ultiples. Por ejemplo, hay quienes nacen completamente sordos ya sea por problemas gen´eticos o cong´enitos. Los problemas que pueden provocar sordera son m´ultiples:
1. Problemas en el nervio ac´ustico.
2. Fallas en las c´elulas ciliadas ubicadas al interior del caracol.
3. Tener los huesecillos del o´ıdo medio soldados.
Otras personas pierden la audici´on debido a la acci´on de virus, de accidentes o explosiones. Sin embargo, existe un deterioro natural y gradual de la capacidad auditiva, que afecta a todas las personas a medida que envejecen, denominada presbiacusia. En forma natural cada a˜no se pier-den 2.000 c´elulas receptoras de frecuencias sonoras.
Referencias: