FÍSICA ACÚSTICA

ONDAS SONORAS

Profesora: María José Marsano Cornejo

Ondas sonoras

• Es una onda mecánica longitudinal.

• Se puede propagar como ondas • Se puede propagar como ondas planas, ondas cilíndricas u ondas esféricas.

• Viaja a través de un medio con determinada velocidad.

• Partículas del medio provocan cambios de presión y densidad.

Ondas sonoras

ONDAS SONORAS

O. Audibles O. Infrasónicas O. ultrasónicas

(Según su rango frecuencial)

O. Audibles

Instrumentos musicalesCuerdas vocalesParlantesEtc.

O. Infrasónicas

ElefantesTigresBallenasEtc.

O. ultrasónicas

DelfinesMurcielagosPerrosEtc.

Ondas sonoras

Rango audible

Ondas sonoras

Ondas sonoras periódicas

Zonas de compresiónZonas de rarefacción

Alta presiónAlta densidad

Baja presiónBaja densidad

Ondas sonoras

Ondas sonoras

( ) ( )max, coss r t s kr tω= ±Desplazamiento

( ) ( )max, sinP r t P kr tω= ±Variación de presión

Ondas sonoras

Onda de desplazamiento

( ) ( ), coss r t s kr tω= ±Onda sonora

Onda de presión

( ) ( )max, coss r t s kr tω= ±

( ) ( )max, sinP r t P kr tω= ±

Ondas sonoras

Desfase de 90º entre ambas

Onda de desplazamiento

Onda de presión

Ondas sonoras

Presión acústica o presión sonora

• Es producto de la propagación del sonido.

• Es una presión instantánea

[ ]50 10P Pa=

Presión atmosférica

• Determina la amplitud de un sonido.

Presión sonora (o acústica)

Variación de la presión con respecto a la presión inicial en un instante t.

Intensidad

Ondas sonoras

Ondas sonoras

[ ]20P Pa=[ ]50 2 10P Pa−= ×

Rangos audibles

[ ]

[ ]

2

20

0

10log

20log

PLp dB

P

PLp dB

P

=

=

Nivel de presión sonora (NPS)

Ondas sonoras

Ondas sonoras

Superposición de fuentes sonoras

[ ]31 2

10 10 10 1010log 10 10 10 ... 10NLp LpLp Lp

TOTALLp dB

= + + + +

¿Cuál es el nivel de presión sonora resultante de la superposición de 4 parlantes , cuyos niveles son: 85dB, 90dB, 92dB y 87 dB?

85dB 90dB 92dB 87 dB

Ondas sonoras

Nivel continuo equivalente

[ ]31 2

10 10 10 10110log 10 10 10 ... 10

NLp LpLp Lp

Leq dBN

= + + + +

N

¿Cuál es el nivel promedio de 4 parlantes sonando simultáneamente , cuyos niveles son: 85dB, 90, dB, 92dB y 87 dB?

Ondas sonoras

Ejercicio:Calcule en NPS resultante de 2 fuentes que emiten simultáneamente:a) 80dBb) 50dBc) 30dBc) 30dB

CONCLUSIÓN Cada vez que dos fuentes emiten el mismo NPS, entonces el nivel total aumenta en 3dB

Ondas sonoras

ONDAS SONORAS (Según la fuente que las produce)

O. esféricas O. cilíndricas O. planasO. esféricas O. cilíndricas O. planas

Ondas sonoras

O. esféricas Ondas omnidireccionales

• Producidas por una fuente puntual.• Producidas por una fuente puntual.

• Se pueden observar en sonidos de bajas frecuencias.

• La energía de la onda se propaga uniformemente

2 24S r mπ =

Ondas sonoras

Atenuación por distancia“Ley del cuadrado de la distancia”

[ ]2

1

20logr

At dBr

=

Divergencia

Cada vez que se dobla la distancia con relación a una fuente puntual el sonido se atenúa en 6 dBA.

Ejercicio.Si por ejemplo se mide el NPS que produce una excavadora a cinco metros y este es de 100 dB, podremos decir que a:

- 20 m el NPS será

de 82 dB.- 40 m el NPS será

de 88 dB

Ondas sonoras

O. cilíndricas

• Producidas por fuentes lineales.

• Se pueden observar en sonidos de frecuencias • Se pueden observar en sonidos de frecuencias medias.

• Su superficie crece más lento que las ondas esféricas.

22S rL mπ =

Cada vez que se dobla la distancia con relación a una fuente lineal el sonido se atenúa en 3 dBA.

Ondas sonoras

O. planas

• La onda se propaga en una dirección.

• Se pueden observar en sonidos de frecuencias altas.

• Su superficie no cambia a medida que se propaga.

Se pueden obtener ondas planas cuando:

• Uno se aleja de la fuente.• Cuando esta fuente genera altas frecuencias.

Ondas sonoras

Intensidad acústica (I)

Es la cantidad de energía sonora transmitida en una dirección determinada por unidad de área.

W Watts 2

W WattsI

S m =

2

20

P WattsI

c mρ =

Válido para ondas esféricas y planas en campo libre

Ondas sonoras

2

20

P WattsI

c mρ =

Ondas planas Ondas esféricasOndas planas

• P NO varía con la distancia.

• I es siempre la misma

Ondas esféricas

• P SI varía con la distancia.

• I cambia

Ondas sonoras

[ ]0

10logI

IL dB

I=

120 2

10watts

Im

− =

Ondas sonoras

Potencia acústica (W)

Es la cantidad de energía que atraviesa una superficie que rodea a la fuente por unidad de tiempo.

[ ]0

10logW

WL dB

W=

[ ]120 10W watts−=

Ondas sonoras

Directividad (Q)

Indica la superficie efectiva por la cual se irradia el sonido.

ESFERA

EFECTIVA

SQ

S=

Ondas sonoras

A mayor directividad la superficie que abarca la fuente es menor, pero la potencia se mantiene constante.

Ondas sonoras

Relación entre variables acústicas

2

W WattsI

S m =

2

2 24

P WQ WattsI

c r mρ π = = S m 2 2

0 4I

c r mρ π= =

ESFERA

EFECTIVA

SQ

S=

24EFECTIVA

rS

Q

π= 2 24W Watts

Ir m

Q

π =

2 24

WQ WattsI

r mπ =

Ondas sonoras

Mínima presión que 1 persona necesita para detectar un tono de 1KHz

[ ]0

20logP

Lp dBP

=

[ ]50 2 10P Pa−= ×

Relación entre variables acústicas

[ ]0

10logI

IL dB

I=

[ ]0

10logW

WL dB

W=

120 2

10watts

Im

− =

[ ]120 10W watts−=

Mínima intensidad requerida para detectar un tono de 1KHz

Mínima potencia que debe tener una fuente para generar un tono de 1 KHz

Ondas sonoras

Ejercicio

Una fuente sonora cuya directividad es 2 y que emite 70dB de presión sonora funciona un día en que hay 5ºC de temperatura. Si un receptor se ubica a 5m de la fuente. (densidad del aire=1,18Kg/m3)Determinar:Determinar:a) La potencia de la fuenteb) El NPS si se ponen 2 fuentes iguales a la misma distancia.c) El NPS si se ponen 100 fuentes iguales a la misma distancia.

Ondas sonoras

Ejercicio

Una persona emite a 3m cuando grita una nivel de presión de 110dB un día cuya temperatura es de 10ºC. ¿Qué nivel de presión emitirá el estadio nacional con 60.000 personas considerando que éstas se ubican a una distancia promedio de 50m (del pto de medición). Suponiendo que las ondas que emiten promedio de 50m (del pto de medición). Suponiendo que las ondas que emiten son esféricas y tienen un plano reflectante ¿cuál es la potencia promedio de todas las personas gritando al mismo tiempo? ¿y el nivel de potencia acústica?

Ondas sonoras

Efecto Doppler

Corresponde a un cambio en frecuencia producto del movimiento relativo de la fuente con respecto al observador.

[ ]RR F

F

c vf f Hz

c v

±= ∓

Ondas sonoras

CASO 1:

Fuente y observador en movimiento

Misma dirección y a igual velocidad

NO HAY EFECTO DOPPLER

CASO 2: Fuente y observador en movimiento

F R

[ ]RR F

F

c vf f Hz

c v

−= −

Ondas

Ondas sonoras

F R

[ ]RR F

F

c vf f Hz

c v

+= −

Ondas

Fc v−

F R

[ ]RR F

F

c vf f Hz

c v

+= +

Ondas

Ondas sonoras

F R

[ ]Rc vf f Hz

−= Ondas

[ ]RR F

F

c vf f Hz

c v

−= +

Ondas sonoras

Ejercicio

Una ambulancia viaja por la autopista a un velocidad de 33,5m/s. Su sirena emite un sonido a una frecuencia de 400Hz.Determine la frecuencia percibida por un automovilista que viaja a 24,6m/s en

sentido opuesto a medida que su auto:sentido opuesto a medida que su auto:a) Se acerca a la ambulancia.b) Se aleja de ésta.

Ondas sonoras

Ejercicio

Un tren se mueve con una velocidad de 40m/s cuando suena su silbato, el cual tiene una frecuencia de 500Hz.a) Determine la frecuencia percibida por un observador estacionario a

medida que el tren se aproxima.medida que el tren se aproxima.b) ¿Cuál será la frecuencia aproximada percibida por el observador cuando

el tren se aleje de él?

Ondas sonoras