El Fenómeno Auditivo: El Sonido

Acústica Física

Causas

• Emisor o fuente sonora (Vibración)
  • Cuerdas vocales
  • Instrumento o equipo musical
  • Avión, tren, carro, etc.
• Medio Material (Propagación de la onda)
  • Habitualmente el aire (Sonido aéreo)
  • Cerramientos

Acústica Fisiológica

Efecto

• Receptor (Percepción del oído)
  • Es el que genera la sensación auditiva en nuestro cerebro

¿Cómo se genera una onda acústica o un sonido?

• Al golpear al diapasón, las partículas de aire vecinas se ponen en movimiento, empujando también a las de su entorno, regresando después a su posición de equilibrio ya que su movimiento se ve frenado.
• Se genera la propagación de la vibración original del diapasón a lo largo del medio que lo rodea. Esta propagación es la onda acústica.
• Por tanto:
  • Cada partícula del medio realiza una vibración de desplazamiento muy pequeño en torno a su posición de equilibrio. Es decir, no se propaga materia.
  • La onda acústica propaga energía mecánica, llamada energía acústica.

Frecuencia del sonido

La frecuencia de un sonido y de una onda acústica en general, es una magnitud física muy importante pues:

• El oído humano de un adulto normal solo es capaz de detectar ondas acústicas entre 20 y 20000 Hz (Sonidos)
• El comportamiento acústico de los materiales y soluciones constructivas depende mucho de la frecuencia.

0 Infrasonidos 20 graves 400 Medios 1600 Agudos 20000 Ultrasonidos f(Hz)

¿Qué es un ruido? ¿Qué diferencia hay entre sonido y ruido?

• Es un sonido que produce molestia, es decir, resulta desagradable.
• Por tanto: La diferencia entre sonido y ruido es muy subjetiva. Un mismo sonido puede resultar molesto (ruido) para una persona, pero no para otra (sonido).

Velocidad de propagación del sonido

• Distancia que avanza la onda por unidad de tiempo, medida en una determinada dirección de propagación.
• Unidad S/I: m/s
• Depende de: Densidad del medio y la elasticidad del medio. Presión, Humedad, Temperatura, etc.

En sólidos

• Es mayor que en gases y líquidos, por ser más densos.
• Puede depender mucho de:
  • Frecuencia del sonido (dispersión)
  • si es una onda longitudinal o transversal
  • de la homogeneidad del material

Velocidad del sonido en una varilla sólida

La velocidad de toda onda mecánica sigue una expresión de la forma general:

v = √(módulo de elasticidad / densidad)

La velocidad de una onda longitudinal en una varilla sólida está dada por la expresión:

v = √(E/ρ)       Donde E es el módulo de Young y ρ es la densidad.

Velocidad del sonido en un fluido

La velocidad de una onda de sonido en un fluido depende del módulo volumétrico K y de la densidad del medio ρ y está dada por la expresión:

v = √(K/ρ)

Velocidad del sonido y temperatura

La velocidad del sonido también depende de la temperatura del medio. Para el sonido que viaja por el aire, la relación entre la velocidad del sonido y la temperatura es:

v = (331 m/s) √(T/273 K)

Donde 331 m/s es la velocidad del sonido en el aire a 0 °C y T es la temperatura absoluta (Kelvin)

Ejemplos

1. Ocurre una explosión a 275 m sobre una capa de hielo de 867 m de grueso que flota sobre el agua del océano. Si la temperatura del aire es -7,00° C, ¿cuánto tiempo le tomará al sonido alcanzar un recipiente de prueba que está a 1 250 m debajo del hielo? (K_hielo = 9,2×10⁹ Pa; ρ_hielo = 917 kg/m³; v_{sonido en el agua de mar} = 1 530 m/s).
2. Un trozo de varilla de cobre de 3,00 m tiene una densidad de 8 800 kg/m³ y el módulo de Young para el cobre es de 1,17 X 10¹¹ Pa. ¿Cuánto tiempo demorará el sonido en recorrer la varilla desde un extremo hasta el otro?
3. Una onda sonora es enviada por un barco hasta el fondo del mar, donde se refleja y regresa. Si el viaje de ida y vuelta demora 0,60 s, ¿a qué profundidad está el fondo del océano? Considere que el módulo volumétrico del agua de mar es 2,1 X 10⁹ Pa y que su densidad es de 1 030 kg/m³. Respuesta: 428 m

Energía e intensidad de las ondas de sonido

• La intensidad (I) de una onda de sonido sobre una superficie dada se define como la razón con la que fluye energía a través de la superficie dividida por el área de esa superficie.
• I = (∆E/∆t)/A = P/A              donde P es la potencia en watt y A el área en m².
• Umbral de audición: mínima intensidad del sonido percibida por el oído (I₀ = 10⁻¹² W/m²).
• Umbral del dolor: intensidad en la cual el sonido percibido causa dolor en el oído (I_d = 1,0 W/m²)

Nivel de intensidad en decibeles

La intensidad relativa de un sonido se denomina nivel de intensidad o nivel de decibeles. Se define como:

β = 10log₁₀ (I/I₀)                          donde I₀ es el umbral de audición.

La unidad de medida es el decibelio (dB)

Ejemplo N° 4

: Una trituradora ruidosa de una fábrica produce una intensidad de sonido de 1,00×10−5

W/????2. Calcule: a) el nivel de intensidad de esta máquina; b) el nuevo nivel de intensidad cuando una segunda máquina idéntica es agregada a la fábrica; c) Un cierto número de tales máquinas es agregada a la fábrica. Cuando las máquinas están trabajando al mismo tiempo, el nivel de intensidad es 77,0 dB. Encuentre la intensidad del sonido.

Ejemplo N° 5: Usted está sentado en una mesa de acera en un restaurante, conversando con un amigo a un volumen normal de 60 dB. Al mismo tiempo, el nivel de intensidad del sonido del transito de la calle que le llega es también de 60 dB. ¿Cuál será el nivel total de la intensidad de los sonidos combinados?

El efecto Doppler

• Si usted está junto a una autopista y un automóvil o un camión se acerca sonando su bocina, el tono (la frecuencia percibida) del sonido será mayor cuando el vehículo se acerca y menor cuando se aleja.

• Una variación en la frecuencia del sonido percibido debido al movimiento de la fuente es un ejemplo del efecto Doppler. (El físico austriaco Christian Doppler [1803-1853] fue el primero en describir dicho efecto.)

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