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Ondas. El sonido

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Nivel: 17-18 años Materia: Física
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Contenido

Sonido

El sonido en física, es cualquier fenómeno que involucre la propagación de ondas mecánicas (sean audibles o no), a través de un medio (fluido o sólido) que esté generando el movimiento vibratorio de un cuerpo.

El sonido humanamente audible (entre 20 y 20 000 hercios) consiste en ondas sonoras y ondas acústicas que se producen cuando las oscilaciones de la presión del aire, son convertidas en ondas mecánicas en el oído humano y percibidas por el cerebro. La propagación del sonido es similar en los fluidos, donde el sonido toma la forma de fluctuaciones de presión.​ En los cuerpos sólidos la propagación del sonido involucra variaciones del estado tensional del medio

Clasificación y magnitudes que las caracterizan

Como todo movimiento ondulatorio, el sonido puede representarse mediante la transformada de Fourier como una suma de curvas sinusoides, tonos puros, con un factor de amplitud, que se pueden caracterizar por las mismas magnitudes y unidades de medida que a cualquier onda de frecuencia bien definida: Longitud de onda (λ), frecuencia (f) o inversa del período (T), amplitud (relacionada con el volumen y la potencia acústica) y fase. Esta descomposición simplifica el estudio de sonidos complejos ya que permite estudiar cada componente frecuencial independientemente y combinar los resultados aplicando el principio de superposición, que se cumple porque la alteración que provoca un tono no modifica significativamente las propiedades del medio.

La caracterización de un sonido arbitrariamente complejo implica analizar:

  • Potencia acústica: El nivel de potencia acústica es la cantidad de energía radiada al medio en forma de ondas por unidad de tiempo por una fuente determinada. La unidad en que se mide es el vatio y su símbolo es W. La potencia acústica depende de la amplitud.
  • Espectro de frecuencias: la distribución de dicha energía entre las diversas ondas componentes.

Ecuación de las ondas armónicas

Ecuación de onda \(y (x,t)=A cos (ωt±kx+φ_0)\)  es la fase inicial, asociada a y para x=0 y t=0. Otras expresiones sin φ inicial

\(y(x,t)=\)\(Acos (2π(\)\( {t\over T}\)\(±\)\( {x\over λ}\)\()) = Acos(ω(t±{x\over v})) = Acos (k(vt±x))\)

Energía e intensidad

En las ondas se transporta energía pero no materia \(E={1\over 2}k A^2={1\over 2}mw^2A^2\) ; \(1={E\over St}={P\over S}[W/m^2]\)  Superficie perpendicular a dirección propagación.

Diferenciar atenuación y absorción:

Atenuación en propagación tridimensional con frentes de onda esféricos (Superficie esfera=4πr 2 ):

\(A∝{1\over r} ; I∝{1\over r^2};I∝A^2;{I_1\over I_2}= {A^2_1\over A^2_2}={r^2_2\over r^2_1}⇒{r_2\over r_1}={A_1\over A_2}\)

Absorción: \(I=I_0e^{-βr}\)  = coeficiente de absorción, para cada medio, tipo onda, f

Fenómenos ondulatorios

Interferencia

En física, la interferencia es un fenómeno en el que dos o más ondas se superponen para formar una onda resultante de mayor, menor o igual amplitud. El efecto de interferencia puede ser observado en todos los tipos de onda, como ondas de luz, radio, sonido, entre otros. La ecuación de la onda es la suma algebraica de las funciones de las ondas que se están superponiendo.

Difracción

Difracción es un término que se atribuye a varios fenómenos que ocurren cuando una onda se encuentra con un obstáculo o una rendija. Está definida como la desviación de ondas alrededor de las esquinas de un obstáculo o a través de la abertura en la región de una sombra geométrica del obstáculo. El objeto difractante o rendija se convierte efectivamente en una fuente secundaria de la onda de propagación. El científico italiano Francesco Maria Grimaldi acuñó la palabra "difracción" y fue el primero en registrar observaciones precisas del fenómeno en 1660.

Reflexión

La reflexión es el cambio de dirección de una onda al entrar en contacto con la superficie (interfaz) que separa dos medios diferentes. Cuando una onda sonora golpea una superficie plana es reflejada de manera coherente asumiendo que el tamaño de la superficie reflectora es lo suficientemente larga con relación a la longitud de la onda que incide. Tómese en cuenta que las ondas del sonido audible tienen un amplio rango de frecuencias (de 20 Hz hasta 20000 Hz), al igual que la longitud de onda (que puede variar de 20 mm hasta 17 m). Como resultado, se obtiene que la naturaleza en general, así como el comportamiento del fenómeno de reflexión varía de acuerdo con la estructura y la textura de las superficies de reflexión; por ejemplo, una superficie porosa tiende a absorber grandes cantidades de energía, mientras que una superficie áspera (donde áspero es relativo a la longitud de onda) refleja las ondas en todas direcciones dispersando la energía de la onda, en lugar de reflejar el sonido en forma coherente. Esto nos lleva al campo de la Acústica arquitectónica, porque la naturaleza de estas reflexiones son críticas para la sensación del espacio en un auditorio.

Refracción

La refracción es el cambio de dirección y lentitud que experimenta una onda al pasar de un medio a otro con distinto índice refractivo. Solo se produce si la onda incide oblicuamente sobre la superficie de separación de los dos medios y si estos tienen índices de refracción distintos. La refracción se origina en el cambio de velocidad de propagación de la onda señalada.

Efecto Doppler

Son fenómenos asociados a la propagación de ondas. El fenómeno principal es la interferencia, además de otros como el efecto Doppler.

El efecto Doppler es la variación de la frecuencia recibida de una onda cuando hay un movimiento relativo entre foco y receptor, ya que receptor recibe un número de frentes de onda por unidad de tiempo distinto al que ha emitido por unidad de tiempo el foco. Es importante reconocer situaciones cotidianas en las que se produce el efecto Doppler justificándolas de forma cualitativa. 

\(f´=f{v±v_{ob}\over v±v_{fo}}\)

Efecto doppler del flujo del sonido alrededor de un auto

Energía e intensidad de las ondas sonoras

La energía sonora (o acústica) es la energía que transmiten o transportan las ondas sonoras. Procede de la energía de la vibración del foco sonoro y se propaga a las partículas del medio que atraviesan en forma de energía cinética (movimiento de las partículas), y de energía potencial (cambios de presión producidos en dicho medio o presión sonora). Al irse propagando el sonido a través del medio, la energía se transmite a la velocidad de la onda, pero una parte de la energía sonora se disipa en forma de energía térmica.​ La energía acústica suele tener valores absolutos bajos, y su unidad de medida es el julio (J). Aunque puede calcularse a partir de otras magnitudes como la intensidad sonora, también se pueden calcular otras magnitudes relacionadas, como la densidad o el flujo de energía acústica.

A partir de la definición de intensidad acústica, se puede calcular la energía acústica que atraviesa una superficie A:

{\displaystyle E_{son}=\int _{A}\left[\int _{0}^{\Delta t}I_{son}(\mathbf {r} ,t)\ dt\right]dA}

Contaminación acústica

Contaminación/ruido: sonido excesivo y molesto, altera condiciones normales: afecta salud (auditiva, física, mental). OMS 70 dB límite superior deseable. 140 dB umbral del dolor

Aplicaciones tecnológicas del sonido

Al hablar de aplicaciones de ondas se puede considerar cualquier tipo de ondas; en el bloque de óptica física se tratan las ondas electromagnéticas, y este bloque se tratan las aplicaciones de ondas sonoras, que casi siempre utilizan ultrasonidos. Algunos ejemplos de aplicaciones de ondas sonoras son:

  • SONAR (Sound Navigation And Ranging) utiliza la emisión y la reflexión de sonido debajo del agua para detectar objetos, de manera similar al eco y al RADAR. Por ejemplo permite detectar desde barcos submarinos o bancos de peces. Se usan ultrasonidos con frecuencias del orden de 50000 Hz. Se puede utilizar en sonar el efecto Doppler para medir la velocidad radial de los objetos.
  • Ecografías: el principio es similar al sonar, se recibe el eco asociada a la distinta reflexión de ultrasonidos en los distintos tejidos. Las ecografías en 3D ó en 4D (3D en movimiento) se realizan combinando ecografías en varios planos. Se utilizan en medicina y en ginecología ya que tienen mucha menos energía que los rayos X y no producen daños en los tejidos. Existen ecografías Doppler, que permiten visualizar la velocidad del flujo de sustancias en distintas partes del cuerpo, por ejemplo sangre en corazón y vasos sanguíneos.
  • Litotricia, ruptura de cálculos (renales y biliares) mediante sonidos (basado en ondas de choque/cavitación).
  • Limpiezas dentales con ultrasonidos.

Créditos

Texto

 

Imagen

  • Photo by Kelly Sikkema on Unsplash
  • De Charly Whisky 18:20, 27 January 2007 - Trabajo propio, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1606823

Contenido

Sonido

El sonido en física, es cualquier fenómeno que involucre la propagación de ondas mecánicas (sean audibles o no), a través de un medio (fluido o sólido) que esté generando el movimiento vibratorio de un cuerpo.

El sonido humanamente audible (entre 20 y 20 000 hercios) consiste en ondas sonoras y ondas acústicas que se producen cuando las oscilaciones de la presión del aire, son convertidas en ondas mecánicas en el oído humano y percibidas por el cerebro. La propagación del sonido es similar en los fluidos, donde el sonido toma la forma de fluctuaciones de presión.​ En los cuerpos sólidos la propagación del sonido involucra variaciones del estado tensional del medio

Clasificación y magnitudes que las caracterizan

Como todo movimiento ondulatorio, el sonido puede representarse mediante la transformada de Fourier como una suma de curvas sinusoides, tonos puros, con un factor de amplitud, que se pueden caracterizar por las mismas magnitudes y unidades de medida que a cualquier onda de frecuencia bien definida: Longitud de onda (λ), frecuencia (f) o inversa del período (T), amplitud (relacionada con el volumen y la potencia acústica) y fase. Esta descomposición simplifica el estudio de sonidos complejos ya que permite estudiar cada componente frecuencial independientemente y combinar los resultados aplicando el principio de superposición, que se cumple porque la alteración que provoca un tono no modifica significativamente las propiedades del medio.

La caracterización de un sonido arbitrariamente complejo implica analizar:

  • Potencia acústica: El nivel de potencia acústica es la cantidad de energía radiada al medio en forma de ondas por unidad de tiempo por una fuente determinada. La unidad en que se mide es el vatio y su símbolo es W. La potencia acústica depende de la amplitud.
  • Espectro de frecuencias: la distribución de dicha energía entre las diversas ondas componentes.

Ecuación de las ondas armónicas

Ecuación de onda y(x,t)=Acos(ωt±kx es la fase inicial, asociada a y para x=0 y t=0. Otras expresiones sin φ inicial

y(x,t)=Acos(2π(tT±xλ))=Acos(ω(t±xv))=Acos(k(vt±x))

Energía e intensidad

En las ondas se transporta energía pero no materia E=12kA2=12mw2A2 ; 1=ESt=PS[W/m2] Superficie perpendicular a dirección propagación.

Diferenciar atenuación y absorción:

Atenuación en propagación tridimensional con frentes de onda esféricos (Superficie esfera=4πr 2 ):

A1r;I1r2;IA2;I1I2=A12A22=r22r12r2r1=A1A2

Absorción: I=I0eβr = coeficiente de absorción, para cada medio, tipo onda, f

Fenómenos ondulatorios

Interferencia

En física, la interferencia es un fenómeno en el que dos o más ondas se superponen para formar una onda resultante de mayor, menor o igual amplitud. El efecto de interferencia puede ser observado en todos los tipos de onda, como ondas de luz, radio, sonido, entre otros. La ecuación de la onda es la suma algebraica de las funciones de las ondas que se están superponiendo.

Difracción

Difracción es un término que se atribuye a varios fenómenos que ocurren cuando una onda se encuentra con un obstáculo o una rendija. Está definida como la desviación de ondas alrededor de las esquinas de un obstáculo o a través de la abertura en la región de una sombra geométrica del obstáculo. El objeto difractante o rendija se convierte efectivamente en una fuente secundaria de la onda de propagación. El científico italiano Francesco Maria Grimaldi acuñó la palabra "difracción" y fue el primero en registrar observaciones precisas del fenómeno en 1660.

Reflexión

La reflexión es el cambio de dirección de una onda al entrar en contacto con la superficie (interfaz) que separa dos medios diferentes. Cuando una onda sonora golpea una superficie plana es reflejada de manera coherente asumiendo que el tamaño de la superficie reflectora es lo suficientemente larga con relación a la longitud de la onda que incide. Tómese en cuenta que las ondas del sonido audible tienen un amplio rango de frecuencias (de 20 Hz hasta 20000 Hz), al igual que la longitud de onda (que puede variar de 20 mm hasta 17 m). Como resultado, se obtiene que la naturaleza en general, así como el comportamiento del fenómeno de reflexión varía de acuerdo con la estructura y la textura de las superficies de reflexión; por ejemplo, una superficie porosa tiende a absorber grandes cantidades de energía, mientras que una superficie áspera (donde áspero es relativo a la longitud de onda) refleja las ondas en todas direcciones dispersando la energía de la onda, en lugar de reflejar el sonido en forma coherente. Esto nos lleva al campo de la Acústica arquitectónica, porque la naturaleza de estas reflexiones son críticas para la sensación del espacio en un auditorio.

Refracción

La refracción es el cambio de dirección y lentitud que experimenta una onda al pasar de un medio a otro con distinto índice refractivo. Solo se produce si la onda incide oblicuamente sobre la superficie de separación de los dos medios y si estos tienen índices de refracción distintos. La refracción se origina en el cambio de velocidad de propagación de la onda señalada.

Efecto Doppler

Son fenómenos asociados a la propagación de ondas. El fenómeno principal es la interferencia, además de otros como el efecto Doppler.

El efecto Doppler es la variación de la frecuencia recibida de una onda cuando hay un movimiento relativo entre foco y receptor, ya que receptor recibe un número de frentes de onda por unidad de tiempo distinto al que ha emitido por unidad de tiempo el foco. Es importante reconocer situaciones cotidianas en las que se produce el efecto Doppler justificándolas de forma cualitativa.

f´=fv±vobv±vfo

Efecto doppler del flujo del sonido alrededor de un auto

Energía e intensidad de las ondas sonoras

La energía sonora (o acústica) es la energía que transmiten o transportan las ondas sonoras. Procede de la energía de la vibración del foco sonoro y se propaga a las partículas del medio que atraviesan en forma de energía cinética (movimiento de las partículas), y de energía potencial (cambios de presión producidos en dicho medio o presión sonora). Al irse propagando el sonido a través del medio, la energía se transmite a la velocidad de la onda, pero una parte de la energía sonora se disipa en forma de energía térmica.​ La energía acústica suele tener valores absolutos bajos, y su unidad de medida es el julio (J). Aunque puede calcularse a partir de otras magnitudes como la intensidad sonora, también se pueden calcular otras magnitudes relacionadas, como la densidad o el flujo de energía acústica.

A partir de la definición de intensidad acústica, se puede calcular la energía acústica que atraviesa una superficie A:

{\displaystyle E_{son}=\int _{A}\left[\int _{0}^{\Delta t}I_{son}(\mathbf {r} ,t)\ dt\right]dA}

Contaminación acústica

Contaminación/ruido: sonido excesivo y molesto, altera condiciones normales: afecta salud (auditiva, física, mental). OMS 70 dB límite superior deseable. 140 dB umbral del dolor

Aplicaciones tecnológicas del sonido

Al hablar de aplicaciones de ondas se puede considerar cualquier tipo de ondas; en el bloque de óptica física se tratan las ondas electromagnéticas, y este bloque se tratan las aplicaciones de ondas sonoras, que casi siempre utilizan ultrasonidos. Algunos ejemplos de aplicaciones de ondas sonoras son:

  • SONAR (Sound Navigation And Ranging) utiliza la emisión y la reflexión de sonido debajo del agua para detectar objetos, de manera similar al eco y al RADAR. Por ejemplo permite detectar desde barcos submarinos o bancos de peces. Se usan ultrasonidos con frecuencias del orden de 50000 Hz. Se puede utilizar en sonar el efecto Doppler para medir la velocidad radial de los objetos.
  • Ecografías: el principio es similar al sonar, se recibe el eco asociada a la distinta reflexión de ultrasonidos en los distintos tejidos. Las ecografías en 3D ó en 4D (3D en movimiento) se realizan combinando ecografías en varios planos. Se utilizan en medicina y en ginecología ya que tienen mucha menos energía que los rayos X y no producen daños en los tejidos. Existen ecografías Doppler, que permiten visualizar la velocidad del flujo de sustancias en distintas partes del cuerpo, por ejemplo sangre en corazón y vasos sanguíneos.
  • Litotricia, ruptura de cálculos (renales y biliares) mediante sonidos (basado en ondas de choque/cavitación).
  • Limpiezas dentales con ultrasonidos.

Créditos

Texto

Imagen

  • Photo by Kelly Sikkema on Unsplash
  • De Charly Whisky 18:20, 27 January 2007 - Trabajo propio, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1606823

Para practicar

Velocidad coche a partir del efecto Doppler

Efecto Doppler

Interferencia y sonidos

Interferencia de ondas coherentes desfasadas

Tipo de interferencia a partir de frecuencia, velocidad y distancia

Para experimentar

El sonido no se transmite en el vacío

Calcula la velocidad del sonido

Mapa conceptual: Ondas. El sonido

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