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Naturaleza del sonido
El sonido consiste en la propagación de una perturbación en un medio (en general
el aire).
La velocidad de propagación depende de las propiedades elásticas e inerciales del
medio.
El sonido es una sucesión de compresiones y rarefacciones (dilata y extiende) del
aire en presencia de una fuente lo que genera una onda periódica que se propaga
alejándose de la fuente. Luego de que la primera perturbación recorrió cierta
distancia comienza la segunda, y así sucesivamente. La longitud de onda es la
distancia entre perturbaciones sucesivas en el espacio. La frecuencia es la
cantidad de perturbaciones por segundo (en ciclos por segundo o Hz).
Al aire libre, las ondas sonoras se propagan en todas direcciones, como ondas
esféricas.
Amplitud de presión:
Intensidad del sonido:
La intensidad I de una onda, o la potencia por cada unidad de área, se define
como la rapidez a la cual la energía transportada por la onda se transfiere a través
de una unidad de área A perpendicular a la dirección de viaje de la onda:
La potencia promedio Pprom emitida por la fuente debe tener una distribución
uniforme sobre cada frente de onda esférica de área 4πr 2. Por tanto, la intensidad
de la onda a una distancia r de la fuente es
Ejercicios:
Los sonidos mas débiles que el oído humano puede detectar a una frecuencia de
1 000 Hz corresponden a una intensidad de aproximadamente 1.00 x 10-12 W/m2,
que se llama umbral de audición. Los sonidos mas fuertes que el oído tolera a esta
frecuencia corresponden a una intensidad de aproximadamente 1.00 W/m2, el
umbral de dolor. Determine la amplitud de presión y la amplitud de desplazamiento
asociadas con estos dos limites.
Analizar Para hallar la amplitud de presión en el umbral de audición, use la
ecuación:
Considere que la rapidez de las ondas sonoras en el aire es v = 343 m/s y la
densidad del aire es ρ = 1.20 kg/m3:
Calcule la correspondiente amplitud de desplazamiento con la ecuación:
y recuerde que w = 2πf
Una fuente puntual emite ondas sonoras con una salida de potencia promedio de
80.0 W.
A) Encuentre la intensidad a 3.00 m de la fuente.
B) Hallar la distancia a la cual la intensidad del sonido es 1.00 x 10-8 W/m2.
Parte A)
Una fuente puntual emite energía en la forma de ondas esféricas, use la
ecuación:
Esta intensidad es cercana al umbral del dolor.
Parte B)
SOLUCIÓN
Resuelva para r en la ecuación:
Nivel de sonido:
Dos maquinas idénticas se colocan a la misma distancia de un trabajador. La
intensidad del sonido entregado por cada máquina en funcionamiento en la
posición del trabajador es de 2.0 x 10 -2 W/m2.
A) Hallar el nivel sonoro que escucha el trabajador cuando una maquina está en
funcionamiento.
B) Hallar el nivel sonoro que escucha el trabajador cuando dos maquinas están en
funcionamiento:
El efecto Doppler consiste en una variación de la frecuencia y la longitud de onda
recibidas respecto de la frecuencia y la longitud de onda emitidas, que es causada
por el movimiento relativo entre el foco emisor de las ondas y el receptor.
Es el aparente cambio de frecuencia de una onda producido por el movimiento
relativo de la fuente respecto a su observador.
Si la fuente y el observador están en movimiento:
Un submarino (sub A) viaja a través de agua con una rapidez de 8.00 m/s y emite
una onda de sonar con una frecuencia de 1 400 Hz. La rapidez del sonido en el
agua es de 1 533 m/s. Un segundo submarino (sub B) se localiza de tal modo que
ambos submarinos viajan directamente uno hacia el otro. El segundo submarino
se mueve a 9.00 m/s.
A) ¿Que frecuencia detecta un observador que viaja en el sub B mientras los
submarinos se aproximan uno al otro?
Aplique la ecuación para hallar la frecuencia de corrimiento Doppler que escucha
el observador en el sub B y tenga cuidado con los signos de las velocidades de la
fuente y el observador:
B) Los submarinos apenas evitan el choque. ¿Qué frecuencia detecta un
observador en el sub B mientras los submarinos se alejan uno del otro?
Use la ecuación para hallar la frecuencia de corrimiento Doppler que escucha el
observador en el sub B, y de nuevo tenga cuidado con los signos de las
velocidades de la fuente y el observador:
Una ambulancia viaja al este por una carretera con velocidad 33.5 m/s; su sirena
emite sonido con una frecuencia de 400 Hz. Qué frecuencia escucha una persona
en un auto que viaja al oeste con velocidad 24.6 m/s
(a) cuando el auto se acerca a la ambulancia
f ′=(343+24.6)/(343−33.5)400Hz=(367.6/309.5)400=475.1Hz
(b) ¿cuando el auto se aleja de la ambulancia?
f ′=(343−24.6)/(343+33.5)400Hz=(318.4/376.5)400=338.27Hz