UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS- ESPE

DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA VIDA Y LA

AGRICULTURA

INGENIERÍA EN BIOTECNOLOGÍA

BIOLOGÍA VEGETAL I

TEMA

EL SONIDO

Docente:

Ing. Edgar Velasco

Integrantes:

Sasha Sigüenza

NRC:

1848

Período lectivo:

ABRIL – AGOSTO 2015

1. Características del sonido

o ESPECTRO AUDIBLE

El espectro audible está formado por las audiofrecuencias. El oido humano está

capacitado para percibir sonidos cuya frecuencia se encuentran entre los 20 Hz y

20.000 Hz y transformarlo en sensaciones auditivas.

o ALTURA DEL SONIDO O TONO

La altura de un sonido está directamente relacionada con la

frecuencia. Pues mientras mayor se a altura, mayor será la

frecuencia, y mientras más bajo, una menor frecuencia tendrá

la ondas.nNos podemos dar cuenta que cuando se lleva a la

otra octava, la frecuencia es doble. Por ejemplo luego de la

nota Si con frecuencia 493,88 Hz viene el Do, esta nota

tendría una frecuencia de 523,26 Hz la cual es el doble de la

frecuencia 261,63 Hz. nLa altura o tono está determinada por

características en los instrumentos como:

Es una onda cuya perturbación auto sostenible del medio por el que se propaga, ya sea un cordón o la magnitud de un vector eléctrico. Es el campo magnético asociado con una onda electromagnética o hasta la amplitud de probabilidad cuántica de una onda de materia.

El Sonido

1. Zona de frecuencias bajas o tonos graves: corresponde a los sonidos cuyas

frecuencias se encuentran entre los 20 Hz y los 256 Hz. En esta zona, sonidos de

gran intensidad no son percibidos por la mayoría de la población.

2. Zona de frecuencias medias o tonos medios: corresponde a los sonidos cuyas

frecuencias se encuentran entre laos 256 Hz y los 2 kHz. A esta zona pertenece el

tono fundamental y los armónicos de la mayoría de los sonidos. El rango de

intensidades percibido por el oído humano en esta zona es mayor que en la de

tonos graves.

3. Zona de frecuencias altas o tonos agudos: comprende los sonidos con frecuencia

entre los 2 kHz y 20 kHz. Es la zona con mayor rango de intensidad percibida.

o TIMBRE DE UN SONIDO

El timbre es la propiedad que permite al oído humano distinguir dos sonidos de la

misma frecuencia e intensidad ( amplitud) que son emitidos por distintos instrumentos

o focos emisores, es decir depende del número, intensidad y frecuencia de los

armónicos que acompañan al sonido fundamental. En general podemos decir que está

relacionado con la forma de la onda(fisic.ch, s. f.)

El tamaño mientras más grande sea un instrumento musical, más grave será el

sonido; al contrario, cuánto más pequeño será más agudo.

La longitud: mientras más larga una cuerda, más grave será el sonido; por el

contrario, al ser más corta, el sonido es más agudo.

La tensión: mientras más tensa se encuentre una cuerda, más agudo será el

sonido; en cambio, mientras menos tensa esté la cuerda, más grave será el sonido

La presión: mientras mayor sea la presión del aire, más agudo será el sonido; por el

contrario, si la presión es menor, más grave será el sonido. (fisic.ch, s. f.)

2. Representación matemática de ondas longitudinales

Debido a que la perturbación tiene un

movimiento específico es función de la posición

y el tiempo y va a ser representada de la

siguiente manera:

La representación matemática que facilita los cálculos es la denominada compleja donde u es

en general de la forma:

De manera más concisa, son aquellos puntos situados en un plano cuyo vector de posición de

cada uno tiene la misma proyección en la dirección k. o sea:

La representación matemática viene dada por la anterior ecuación y gráficamente puede ser

visualizada con la figura.

3. Intensidad del sonido: decibeles

La inmensa cantidad de sonidos perceptibles por el oído, está directamente relacionada

con la intensidad, que corresponde a la energía que se propaga en el medio y que puede

ser medida, como la intensidad acústica o intensidad sonora.

La intensidad acústica se define como la cantidad de energía trasportada por una onda

sonora en la unidad e tiempo y de superficie, o la potencia por unidad de superficie, la

cual se mide en watt/m²

(ehu.eus, s. f.)

En cambio, la intensidad sonora se mide en decibel,

(dB) y es definida con una escala logarítmica no sólo

porque el intervalo de intensidades a las que resulta

sensible el oído es inmenso, sino también porque la

sensación de fuerza sonora tiene una dependencia

logarítmica con la intensidad.

Ecuación de la intensidad acústica, la cual se mide en W/m², donde E es la energía; t es el

tiempo, A la superficie y P la potencia.

Ecuación para calcular la intensidad sonora en decibeles, la cual relaciona la escala logarítmica con la

intensidad medida en watt/m². En esta ecuación Io, es la intensidad minima para la que se produce una

sensación perceptible y su valor es 10⁻¹² W/m². El valor de I, es la intensidad sonara en W/m² de

cualquier foco sonoro.

El decibel es la mínima variación de intensidad

sonora que percibe el oído humano. Es la décima

parte del bel, que al ser una unidad muy grande,

habitualmente no se utiliza

La escala decibélica no es una escala sumativa,

por ejemplo si un foco sonoro produce un sonido de 20 dB, la colocación de dos focos, no

produce la sensación de 40 dB. Para conocer la intensidad sonora hay que calcular el valor de

dicha intensidad la del segundo foco, para después calcular el valor en dB, al realizar este

cálculo no da 23 dB. (fisic.ch, s. f.)

Valor de las intensidades de algunos sonidos habituales

Fuente Sonora En W/m² Sensación Auditiva En dB

Objeto inmóvil 10⁻¹² Umbral de audición 0

Respiración Normal 10⁻¹¹ Suave 10

Murmullo de las hojas 10⁻¹⁰ Suave 20

Susurro a 5 m 10⁻⁹ Moderado 30

Casa tranquila 10⁻⁸ Moderado 40

Oficina Tranquila 10⁻⁷ Intenso 50

Voz humana a 1 m 10⁻⁶ Intenso 60

Calle con tráfico

intenso 10⁻⁵ Muy Intenso 70

Fábrica 10⁻⁴ Muy Intenso 80

Vahículo Pesado 10⁻³ Ensordecedor 90

Ferrocarril 10⁻² Ensordecedor 100

Grandes Altavoces a 2

m 10⁻⁰ Doloroso 120

Despegue de un avión

de reacción 10² Umbral del dolor 140

4. Calidad del sonido y ruido: Superposición

Ruido El ruido se define como aquel sonido no deseado. Es aquella emisión de energía originada por un fenómeno vibratorio que es detectado por el oído y provoca una sensación de molestia. Existen multitud de variables que permiten diferenciar unos ruidos de otros: su composición en frecuencias, su intensidad, su variación temporal, su cadencia y ritmo, etc.

o Nivele perjudiciales de sonidos:

El nivel del sonido es perjudicial por encima de los 100 dBA es muy recomendable siempre que

sea posible utilizar protectores para los oídos. Si la exposición es prolongada, por ejemplo en

puestos de trabajos, se considera necesario el utilizar protectores en ambientes con niveles de

85 dBA, siempre y cuando la exposición sea prolongada. Los daños producidos en el oído por

exposiciones a ruidos muy fuertes son acumulativos e irreversibles, por lo que se deben de

extremar las precauciones. De la exposición prolongada a ruidos se observan trastornos

nerviosos, cardiacos y mentales.

Sonido

Cuando se produce una perturbación periódica en el aire, se originan ondas sonoras

longitudinales. El oído, que actúa como receptor de estas ondas periódicas, las interpreta

como sonido. Entonces el sonido es la vibración de un medio elástico, bien sea gaseoso,

liquido o sólido. Cuando nos referimos al sonido audible por el oído humano, estamos

hablando de la sensación detectada por nuestro oído, que producen las rápidas variaciones

de presión en el aire por encima y por debajo de un valor estático.

5. Interferencia de las ondas de sonido: Pulsos

o INTERFERENCIA DE ONDAS

Cuando dos pulsos que avanzan por una cuerda se encuentran, sus amplitudes se suman

formando un pulso resultante. Si los pulsos son idénticos pero avanzan por lados

opuestos de la cuerda, la suma de las amplitudes es cero y la cuerda aparecerá plana

durante un momento (A). Esto se conoce como interferencia destructiva. Cuando dos

pulsos idénticos se desplazan por el mismo lado, la suma de amplitudes es el doble de la

de un único pulso (B). Esto se llama interferencia constructiva.(uco.es., s. f.)

o ONDA DE CHOQUE Y ESTAMPIDO SÓNICO.

Onda de choque es una onda de presión

abrupta producida por un objeto que viaja más

rápido que la velocidad del sonido en dicho

medio, que a través de diversos fenómenos

produce diferencias de presión extremas y

aumento de la temperatura (si bien la

temperatura de remanso permanece constante

de acuerdo con los modelos más simplificados).

La onda de presión se desplaza como una onda

de frente por el medio.(Fundación Wikimedia,

Inc., s. f.)

Una de sus características es que el aumento de presión en el medio se percibe como

explosiones. También se aplica el término para designar a cualquier tipo de propagación

ondulatoria, y que transporta, por tanto energía a través de un medio continuo o el vacío, de tal

manera que su frente de onda comporta un cambio abrupto de las propiedades del medio.

o ESTAMPIDO SÓNICO

El “estampido sónico” o también conocido como “Explosión sónica”, es el sonido producido por

un objeto al sobrepasar la velocidad del sonido.(WordPress.com, s. f.)

Un ejemplo es el aeroplano que viaja a una velocidad mayor que la del sonido, las ondas de

densidad de sonido emitidas por el avión no pueden preceder al mismo, y entonces se

acumulan en un cono detrás de la aeronave.(Astronomical Picture of the Day, s. f.)

Cuando esta onda de choque pasa, se oye de una sola vez el sonido que había sido emitido a lo

largo de un periodo de tiempo mayor: un estampido sónico .

Sin embargo, cuando un avión acelera hasta el punto de romper la barrera del sonido, podría

formarse una nube inusual. El origen de esta nube todavía es objeto de debate. La principal

teoría es que una disminución en la presión atmosférica en el avión, descrita por la Singularidad

Prandtl-Glauert, ocurre de modo tal que el aire húmedo se condensa allí y forma gotas de

agua.(Astronomical Picture of the Day, s. f.)

6. El efecto Doppler

Cuando la fuente de ondas y el observador están en movimiento relativo con respecto al

medio material en el cual la onda se propaga, la frecuencia de las ondas observadas es

diferente de la frecuencia de las ondas emitidas por la fuente. Este fenómeno recibe el

nombre de efecto Doppler en honor a su descubridor.

En primer lugar, vamos a observar el fenómeno, y después obtendremos la fórmula que

relaciona la frecuencia de las ondas observadas con la frecuencia de las ondas emitidas, la

velocidad de propagación de las ondas vs, la velocidad del emisor vE y la velocidad del

observador vO.

o EL OBSERVADOR EN REPOSO

a) El emisor está en reposo (vE=0)

Se dibujan los sucesivos frentes de ondas que son

circunferencias separadas una longitud de onda, centradas

en el emisor. El radio de cada circunferencia es igual al

producto de la velocidad de propagación por el tiempo

transcurrido desde que fue emitido. La separación entre dos

frentes de onda es una longitud de onda, l=vsP, siendo P el

periodo o tiempo que tarda en pasar dos frentes de onda

consecutivos por la posición del observador.

b) Cuando el emisor está en movimiento (vE>vs)

En el instante t=0, el emisor se encuentra en B, emite

una onda que se propaga por el espacio con velocidad vs.

En el instante t el emisor se encuentra en O, y se ha

desplazado vE·t, En este instante, el frente de onda

centrado en B tiene un radio vs·t.

En el triángulo rectángulo OAB el ángulo del vértice es

sen θ=vs/vE. El cociente vE/vs.se denomina número de

Mach.

o DEDUCCIÓN DE LA FÓRMULA DEL EFECTO DOPPLER

A partir de la observación del movimiento del emisor, del observador y de los sucesivos frentes

de onda, vamos a obtener la fórmula que describe el efecto Doppler.

7. Ondas de choque y el estampido sónico

Interferencia de ondas

Cuando dos pulsos que avanzan por una cuerda se encuentran, sus amplitudes se suman

formando un pulso resultante. Si los pulsos son idénticos pero avanzan por lados opuestos de la

cuerda, la suma de las amplitudes es cero y la cuerda aparecerá plana durante un momento (A).

Esto se conoce como interferencia destructiva. Cuando dos pulsos idénticos se desplazan por el

mismo lado, la suma de amplitudes es el doble de la de un único pulso (B). Esto se llama

interferencia constructiva.(uco.es., s. f.)

o ONDAS VIAJERAS Y VELOCIDAD DE ONDA.

Una onda viajera se describe matemáticamente, en el caso unidimensional, mediante la

expresión La dirección del movimiento de la onda está dada por el signo que antecede al

término vt:

• Si el signo es “+” la onda se mueve a la izquierda; y

• Si el signo es “-” se mueve a la derecha.

Consideremos una onda propagándose a la derecha en una cuerda tensada, con una velocidad

v, tal como se muestra en la figura. A la expresión y(x,0) = f(x), que describe a la posición

transversal y de cada elemento de la cuerda en la posición x se le llama pulso de la onda, y

corresponde a “la foto” de la onda al tiempo t = 0. A un tiempo t la onda ha viajado una

distancia vt, de tal forma que la perturbación se ha movido, pero cada uno de los puntos de la

cuerda permanece en la misma posición x.

Velocidad de onda en una cuerda.

Consideremos un pulso que se mueve a la derecha, con rapidez constante v respecto a un

sistema de referencia fijo, en una cuerda bajo una tensión T.

Análisis de las fuerzas sobre un segmento de una cuerda tensa

Es importante mencionar que esta expresión para la velocidad del pulso de una onda en una

cuerda se obtuvo bajo los siguientes supuestos:

El pulso es pequeño, comparado con la longitud de la cuerda;

La tensión de la cuerda no varía por la presencia del pulso; y

No se asume una forma particular del pulso. Por lo que podemos concluir que un pulso

de cualquier forma viaja a lo largo de una cuerda con una rapidez dada por

𝑣 = √𝑇

𝜇

Donde v esta en m/s, siempre que la tensión T de la cuerda este en Newton y la densidad lineal

de masa 𝜇 este en kg/m.

8. Aplicaciones: Sonar, ultrasonido y formación de imágenes en medicina

o ULTRASONIDO

En física ultrasonido es onda acústica que no puede

ser percibida por el hombre por estar en una

frecuencia más alta de lo que puede captar el oído.

Este límite se encuentra aproximadamente en los 20

KHz. En cambio otros animales, como murciélagos,

delfines y perros, logran oír estas frecuencias, e

incluso utilizarlas como radar para orientarse y cazar.

- Usos

Los ultrasonidos, son utilizados tanto en aplicaciones industriales (medición de distancias,

caracterización interna de materiales, ensayos no destructivos y otros), como en medicina (ver

por ejemplo ecografía, fisioterapia, ultrasonoterapia).

En el campo médico se le llama a equipos de ultrasonido a dispositivos tales como el doppler

fetal, el cual utiliza ondas de ultrasonido de entre 2 a 3 MHz para detectar la frecuencia

cardíaca fetal dentro del vientre materno.

En qué consiste el diagnóstico por imágenes con ultrasonido general

Las imágenes por ultrasonido, también denominadas exploración por ultrasonido o ecografía,

suponen exponer parte del cuerpo a ondas acústicas de alta frecuencia para producir imágenes

del interior del organismo. Los exámenes por ultrasonido no utilizan radiación ionizante (que se

usa en rayos X). Debido a que las imágenes por ultrasonido se capturan en tiempo real, pueden

mostrar la estructura y el movimiento de los órganos internos del cuerpo, como así también la

sangre que fluye por los vasos sanguíneos.

o SONAR

El uso principal de los dispositivos SONAR es de

carácter militar y naval por excelencia. ES un

instrumento que utilizan los barcos para detectar la

profundidad a la que se encuentra el fondo marino o

algún objeto que esté debajo de la superficie del agua.

Emite ultrasonidos que se reflejan en el fondo o en el

obstáculo (irregularidades del fondo, submarinos,

bancos de peces) . Por el tiempo que tarda en captar

el eco se puede determinar la distancia que separa el

sonar (el barco) del obstáculo que lo produce. Se

utiliza en estudios oceanográficos (fondo marino),

barcos de pesca (bancos de peces), militar (detección

de submarinos), estudio geológico del suelo

(encontrar petróleo).

Bibliografia:

Anastasiya. (2009, noviembre 22). Fisica - sonido: Ultrasonido. Recuperado a partir de

http://fisica4sonido.blogspot.com/2009/11/ultrasonido.html

Efecto Doppler acústico. (s. f.). Recuperado 19 de mayo de 2015, a partir de

http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/ondas/doppler/doppler.html

FisicaNet - Ondas Sonoras - AP03 [Física - Ondas Longitudinales]. (s. f.). Recuperado a partir de

http://www.fisicanet.com.ar/fisica/sonido/ap03_sonido.php

Planeta Fisico. (s. f.). Superposición del Sonido - Ruido - Acondicionamiento Ambiental - Power

Point | Planeta Tareas :: Recursos Académicos y otros. Recuperado a partir de

http://www.planetatareas.com/2014/06/superposicion-del-sonido-ruido.html

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