sonido - Física para todo

FÍSICA.
SONIDO
Para que existan las ondas de sonido debe de haber una perturbación o vibraciones
en algún medio. Las ondas sonoras en gases y líquidos son principalmente ondas
longitudinales. Mientras que las perturbaciones que se mueven a través de los sólidos
pueden tener componentes tanto longitudinales como transversales. Las acciones
intermoleculares en sólidos son muchos más fuertes que en los fluidos y permiten que se
propaguen componentes transversales.
Las características de las ondas sonoras pueden ser visualizadas considerando las
producidas por un diapasón. Los brazos del diapasón vibran al ser golpeados, el cual vibra a
su frecuencia fundamental (con un antinodo en el extremo de cada diente), y se oye
entonces un tono único. Las vibraciones perturban el aire produciendo regiones alternadas
de alta presión. Conforme vibra el diapasón, esas perturbaciones se propagan hacia el
exterior.
Cuando las perturbaciones que viajan a través del aire llegan al oído, el tímpano es
puesto en vibración por las variaciones de presión. Las vibraciones son llevadas al oído
interno, donde son recogidas por el nervio auditivo.
Las características del oído limitan la percepción del sonido. Sólo las ondas de
sonido con frecuencias entre aproximadamente 20 Hz y 20000 Hz inician impulsos
nerviosos que son interpretados como sonidos por el cerebro humano. Este intervalo de
frecuencias es llamado región audible del espectro de frecuencia del sonido.
Las frecuencias menores de 20 Hz están en la región infrasónica. Las ondas en esta
región, que los humanos no pueden oír, se encuentran en la naturaleza. Las ondas
longitudinales generadas por sismos tienen frecuencias infrasónicas, y usamos esas ondas
para estudiar el interior de la Tierra. Las ondas infrasónicas o infrasonido, son también
generadas por el viento y patrones del tiempo atmosférico. Los elefantes y el ganado
tienen respuesta auditiva en la región infrasónica y pueden incluso dar aviso preventivo de
sismos y perturbaciones del tiempo. Los aviones, los automóviles, y otros objetos de rápido
movimiento pueden también producir infrasonido.
Por arriba de 20000 Hz se tiene la región ultrasónica. Las ondas ultrasónicas pueden
ser generadas por vibraciones de alta frecuencia en cristales. Las ondas ultrasónicas, o
ultrasonido, no pueden ser detectadas por los seres humanos, pero pueden serlo por otros
animales. La región audible para los perros se extiende a cerca de 45000 Hz, por lo que
silbatos ultrasónicos pueden ser usados para ser llamados sin perturbar a la gente. Los
gatos y los murciélagos tienen rangos audibles aún mayores, hasta aproximadamente 70000
y 100000 Hz, respectivamente.
Prof.: Soledad Portillo.
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1- Tono.
El tono es otra característica subjetiva. Si el instrumento emite
una onda sonora de frecuencia única, cuanto mayor es dicha
Un tono es un sonido con
una frecuencia definida.
frecuencia, más alto es su tono. Si el sonido del instrumento contiene un espectro de
frecuencias, siendo la fundamental mucho más intensa que el resto, por lo general el
tono queda determinado por esa frecuencia fundamental, aunque no siempre ocurre así:
a veces su tono corresponde a una frecuencia que realmente no está contenida en el
espectro.
2- Intensidad del sonido.
El movimiento ondulatorio implica la propagación de energía. La razón de la
transferencia de energía es expresada en términos de intensidad, que es la energía
transportada por tiempo unitario a través de un área unitaria. Como la energía dividida por
tiempo es potencia, la intensidad es potencia dividida por área.
=
í
=
á
á
Su unidad en el sistema internacional son watts por metro cuadrado
La intensidad del sonido es percibida por el oído como altura. En promedio, el oído
humano puede detectar ondas sonoras con una intensidad tan baja como 10-12 W/m2. A la
intensidad (I0) se le refiere como al umbral de audición. As{i, para poder oír un sonido, éste
debe no sólo tener una frecuencia en el intervalo audible, sino también ser de intensidad
suficiente. Cuando la intensidad es incrementada, el sonido percibido se vuelve más alto. A
una intensidad de 1.0 W/m2, el sonido es desagradablemente alto y puede ser doloroso al
oído. Esta intensidad (Ip) se llama umbral de dolor.
El bel y decibel.
El nivel de intensidad de un sonido debe ser referido a una intensidad estándar, (se
comprime el intervalo de intensidades para expresar los niveles de intensidad), que se toma
como la del umbral de audición, I0 = 10-12 W/m2. Por ejemplo, si sonido tiene una intensidad
de I= 10-6 W/m2:
=
/
/
=
10 = 6
un nivel de intensidad de 10-6 W/m2 tiene un nivel de intensidad de 6 B sobre esta escala.
De esta manera, el rango de intensidad desde 10 -12 a 1.0 W/m2 es comprimido en una escala
de niveles de intensidad que van de 0 a 12 B.
Una escala más fina de la intensidad se obtiene usando una unidad más pequeña
llamada decibel (dB), que es igual a 1/10 de bel. El rango de 0 a 12 B corresponde a 0 a 120
dB.
Prof.: Soledad Portillo.
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Suaves
Moderado
Decibeles
(dB)
30
60
Muy fuerte
80
90
100
Extremadamente
fuerte
110
120
130
Doloroso
140
Ejemplos
Biblioteca tranquila, murmullos.
Conversación normal, máquina de
coser.
Tránsito pesado, restaurante ruidoso,
niño llorando.
Podadora, motocicleta, fiesta ruidosa.
Sierra de cadena, tren subterráneo,
trineo motorizado.
Audífonos, estéreo a todo volumen,
concierto de rock.
Clubes
de
baile,
estéreos
de
automóviles,
algunos
juguetes
musicales.
Martillo perforador, juegos ruidosos
de pc, eventos deportivos.
Estampido en estéreos, explosión de
un disparo, cohetes.
Daño:
puede
ocurrir
exposición continua.
10 h
Menos de 8 h
Menos de 2 h
30 min.
15 min.
Menos de 15 min.
Cualquier duración (la perdida de
la audición puede ocurrir por unos
cuantos disparos de cañón de alto
calibre si no se tiene protección
adecuada).
3- Timbre y Tono. Factores subjetivos.
Los acordes mayores son sensaciones agradables al oído. En realidad deberíamos
decir agradables al cerebro, que es quien en última instancia traduce las frecuencias a
sensaciones. Por qué el cerebro juzga estos acordes como agradables no lo sabemos,
simplemente constatamos que es así.
También existe una fuerte componente subjetiva cuando se mencionan los
fenómenos de timbre y tono.
Figura 11.
con
Espectros de frecuencias de diferentes instrumentos
Tomado de Sears y Zemansky, Op. Cit; pág 410.
Prof.: Soledad Portillo.
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El término timbre tiene que ver con los sonidos compuestos.
En la Figura 11 se indican los espectros de frecuencias de diversos instrumentos,
que permiten apreciar que el sonido que emiten está formado por ondas de muchas
frecuencias y de diferentes amplitudes relativas: esto es lo que se denomina un sonido
compuesto. Fueron Helmholtz y el francés Koenig quienes demostraron experimentalmente
que el sonido emitido por los instrumentos musicales está formado por una mezcla de
sonidos, la cual puede ser verdadera (cuando el armónico fundamental emitido por el
instrumento está acompañado por sus armónicos propiamente dichos, con n = 2, 3, 4,..),
como ocurre con los instrumentos musicales, y no armónica cuando coexisten varios sonidos
más o menos persistentes y regulares, pero desprovistos de carácter musical. Esto último
ocurre con los sonidos emitidos por placas metálicas y campanas de vidrio o de metal.
La particular mezcla de armónicos de diferentes intensidades, emitida por un
instrumento
le
confiere
a
éste
su
timbre.
Ésta
es
entonces
una
propiedad
fundamentalmente subjetiva y se califica como alto, brillante, sonoro, melodioso, etcétera
Prof.: Soledad Portillo.