Sonido

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Sonido
Características del sonido
Velocidad del Sonido in
diferentes materiales
o
(20 C y 1 atm)
Velocidad (m/s)
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El sonido puede viajar a través de
cualquier tipo de materia, pero no a
través de un vacío.
Aire
o
Aire (0 )
Helio
Hidrógeno
Agua
agua de mar
hiero y metal
vidrio
aluminio
madera dura
cemento
La Velocidad del sonido es
diferente en materiales diferentes,
en general, es más lento en Gases ,
más rápido en líquidos , y lo más
rápido en sólidos .
La velocidad depende un poco de
la Temperatura , especialmente
para los gases.
Características del sonido
Volumen : en relación con la Intensidad de la onda de sonido
(como aumenta el volumen, la amplitud de las ondas
aumenta)
Tono: En relación con la Frecuencia .
Rango audible : Alrededor de 20Hz a 20.000Hz; el límite
superior disminuye con la edad.
Ultrasonido : Por encima de 20.000Hz; véa la cámara de
ultrasonido abajo
Infrasonido: Por debajo de 20Hz
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Intensidad de sonido: Decibelios
Intensidad de diferentes sonidos
Fuente del
Sonido
Nivel del
Sonido (dB)
Intensidad
2
(W/m )
Avión de reacción a 30m
Umbral de dolor
Concierto de rock
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La Intensidad de una onda es la
energía transportada por unidad de
Tiempo a través de una unidad de
area.
Sirena a 30m
El oído humano puede detectar
sonidos con una intensidad tan
bajo como de 10-12 W/m2 y tan alto
como de 1 W/m 2.
Interior del auto
a 90km/h
Calle con Trafico
Hablando a 50cm
Un Radio
susurros
El crujido de la hojas
Umbral del oído
El volumen percibido, sin embargo,
no es proporcional a la intensidad.
Intensidad de sonido: Decibelios
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Un aumento en el nivel del
sonido por 3dB, que duplica la
intensidad, es un pequeño
cambio en el sonido.
En áreas abiertas, la Intensidad
del sonido disminuye con la
distancia:
Sin embargo, en espacios cerrados esto se complica por las
reflexiones , y si el sonido viaja a través del aire las
frecuencias mayores son preferencialmente absorbidas .
El oído y su respuestas; sonoridad
Estribo
Círculos
semicircular
Yunque
Cráneo
Martillo
Nervio Auditivo
(al cerebro)
Cóclea
Tubo Eustichian
Tímpano
Ventana Redonda
Ventana Oval
Lóbulo
externa
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El oído y su respuesta; sonoridad
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Oído externo : Las ondas sonoras viajan a través del
canal del oído al tímpano, que vibra en respuesta
Oído medio : martillo , yunque , y estribo transfieren
las vibraciones al oído interno
Oído interno : la cóclea transforma la energía de
vibración a energía eléctrica y envía señales al cerebro
El oído y su respuesta; sonoridad
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La sensibilidad del oído varía de acuerdo con la
frecuencia .
Intensidad en decibeles
Estas curvas traducen la intensidad al nivel del sonido
en diferentes frecuencias.
Frecuencia (Hz)
Las Fuentes de sonido:
Cuerdas vibrantes y columnas de aire
Instrumentos musicales producen sonidos en
diferentes formas - vibración de cuerdas , vibración de
membranas , vibración de metal o madera , vibración
de columnas de aire.
La vibración puede ser iniciada por la acción de
punteo, soplar, o tocar. Las vibraciones se transmiten
por el aire y luego a nuestros oídos.
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Las fuentes de sonido: cuerdas vibrantes
y columnas de aire
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Las cuerdas de una guitarra
pueden acortados por los
dedos, aumentando el tono
fundamental.
El tono de una cuerda con
longitud dada puede ser
alterado mediante el uso de
una cuerda con diferente
densidad.
Las fuentes de sonido:
Cuerdas vibrantes y columnas de aire
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Un piano utiliza ambos
métodos para cubrir su
rango de más de sieteoctavas- las cuerdas
bajas (al inferior) son
más largas y más
gruesas que las cuerdas
altas.
Las fuentes de sonido:
Cuerdas vibrantes y columnas de aire
Instrumentos de viento
crean sonido a través
de ondas estacionarias
en una columna de aire.
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Las fuentes de sonido:
Cuerdas vibrantes y columnas de aire
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Un tubo abierto en ambos extremos (mayoría de los instrumentos
de viento) tiene nodos de presión , y por lo tanto antinodos de
desplazamiento, en los extremos.
Tubo abierto en los extremos
Variación de presión en el aire
Desplazamiento del aire
Nodo
antinodo
primer armónico = fundamental
Nodo
antinodo
Nodo
(movimiento de moléculas de aire)
armónico 2
Sobretonos
armónico 3
Las fuentes de sonido:
Cuerdas vibrantes y columnas de aire
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Un tubo abierto tiene la misma estructura armónica como una
cuerda.
Variación de presión en el aire
Nodo
Nodo
antinodo
Fundamental o primer armónico
Primer sobretono o segundo armónico
Segundo sobretono o tercer armónico
Las fuentes de sonido: tubos abiertos
L
L
l1
l1 = 2L; ln= 2L/n
2L, L, 2L/3, L/2 ,.....
v = lf
fn= nf1; n = 1, 2, 3, ...
f1, 2f1, 3f1, ...
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1
Una onda de sonora resuena en un tubo de 2m de
longitud con los dos extremos abiertos. ¿Cuál es la
longitud de onda de la frecuencia de resonancia mas
baja del tubo?
A 1m
B 1,5m
C 2m
D 4m
E
8m
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2
Una onda de sonora resuena en un tubo de 2m de
longitud con los dos extremos abiertos. ¿Cuál es el
frecuencia de resonancia mas bajo del tubo si la
velocidad del sonido en el aire es 340m/s?
Las fuentes de sonido:
Cuerdas vibrantes y columnas de aire
Un tubo cerrado en un extremo (órgano de tubos) tiene un nodo
de desplazamiento (y antinodo de presión) en el extremo cerrado.
Desplazamiento del aire
Tubo Cerrado en un Extremo
primer armónico = fundamental
armónico 2
armónico 3
Sobretonos
Variación de presión en el aire
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Las fuentes de sonido: tubos cerrados
L
L
L
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L
l1
l1 = 4L; ln= 4L/n
n = 1, 3, 5, ...
4L, 4L/3, 4L/5, ...
v = lf
fn= nf 1;n = 1, 3, 5, ...
f 1, 3f1, 5f1, ...
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3
Una onda de sonora resuena en un tubo de 2 m de
longitud con un extremo abierto. ¿Cuál es la longitud
de onda de la frecuencia de resonancia más bajo del
tubo?
A 1m
B 1,5m
C 2m
D 4m
E
8m
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4
Una onda de sonido resuena en un tubo de 2m de
longitud con un extremo abierto. ¿Cuál es la
frecuencia de resonancia mas baja del tubo si la
velocidad del sonido en el aire es 340 m/s?
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5
Una onda de sonido resuena en un tubo de 2m de
longitud con un extremo abierto. ¿Cuál es la
siguiente frecuencia de resonancia mas baja del
tubo si la velocidad del sonido en el aire es 340
m/s?
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Calidad de sonido y ruido;
superposición
Entonces ¿por qué una trompeta suena diferente en comparación
a una flauta? La respuesta se encuentra en los sobretonos cuáles su presencia, y fuerza hacen una gran diferencia.
Frecuencia
Piano
Frecuencia
Amplitud
relativa
Clarinete
Amplitud
relativa
Amplitud
relativa
La siguiente gráfica muestra espectros de frecuencia de un
clarinete , un piano , y un violín . Las diferencias en la fuerza de
armónicos son evidentes.
Violín
Frecuencia
Resolución de problemas:
Tubos abiertos y cerrados
1. Tenga en cuenta si el tubo está abierto o cerrado.
2. Determina l1, 2L para tubos abiertos, 4L para tubos cerrados.
3. Usa v para determinar f1.
4. Para tubos abiertos, los armónicos son múltiples de f1.
5. Para tubos cerrados, los armónicos son múltiples impares de
f1 .
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Interferencias; Principio de superposición
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Estas diagramas muestran la suma de dos ondas. En (a) se
suman de manera constructiva , en (b) se suman
destructivamente, Y en (c) se suman parcialmente destructiva .
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interferencia
Si dos fuentes emiten la misma longitud de onda de sonido, y
viajan la misma distancia al oyente, ellos se sumaran;
interferencia constructiva.
l
Oyente
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interferencia
Si dos fuentes emiten la misma longitud de onda de sonido, y
la longitud del camino para el oyente tiene una diferencia por
1/2l, se interfieren destructivamente; si las amplitudes son
iguales se cancelaran y el sonido no se oirá.
l
l/2
Oyente
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interferencia
Cualquier múltiple impar de 1/2l resulta en una interferencia
destructiva.
l
Oyente
3l/2
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interferencia
Si dos fuentes emiten la misma longitud de onda de sonido, y
la longitud del camino para el oyente es diferente por l, se
interfieren constructivamente; el sonido combinado será más
fuerte.
l
Oyente
l
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interferencia
Si dos fuentes emiten la misma longitud de onda de sonido, y
la longitud del camino para el oyente es diferente por l, se
interfieren constructivamente, el sonido combinado será más
fuerte. Esto es el caso para todos los múltiples enteros de l.
l
Oyente
l
La interferencia de las ondas sonoras
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Las ondas de sonido interfieren en la
misma manera que otras ondas en el
espacio.
La interferencia de las ondas sonoras
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Interferencia constructiva ocurre
cuando dos crestas se encuentran y
interferencia destructiva ocurre
cuando una cresta y un valle se
encuentran.
Esto significa que cuando un oyente
se ubica donde interferencia
constructiva ocurre, habrá un punto
fuerte .
Y cuando un oyente se encuentra
donde la interferencia destructiva
ocurre, habrá un sonido ligero o
ninguna.
La interferencia de las ondas sonoras
L
punto fuerte
d
θ1 θ2
punto fuerte
punto fuerte
punto fuerte
punto fuerte
no hay sonido
no hay sonido
no hay sonido
no hay sonido
Se puede ver que las interferencias alternan entre puntos
fuertes y puntos sin sonidos.
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La interferencia de las ondas sonoras
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L
punto fuerte
d
θ1
θ2
punto fuerte
punto fuerte
punto fuerte
punto fuerte
no hay sonido
no hay sonido
no hay sonido
no hay sonido
Un patrón de interferencia constructiva es dado por: dsin# = m#
Un patrón de interferencia destructiva es dado por:
d sin# = (m + ½)#
Donde m se llama el orden de las franjas de interferencia.
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6
Dos altavoces separados por una distancia de 2m
son colocados a una distancia de 5m desde la pared.
Los altavoces generan un sonido con una frecuencia
de 1500Hz.
¿Cuál es la longitud de onda de la onda de sonido?
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7
Dos altavoces separados por una distancia de 2m
son colocados a una distancia de 5m desde la pared.
Los altavoces generan un sonido con una frecuencia
de 1500Hz.
¿Cuál es el desplazamiento angular entre el máximo
central y el máximo del primer orden?
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8
Dos altavoces separados por una distancia de 2m
son colocados a una distancia de 5m desde la pared.
Los altavoces generan un sonido con una frecuencia
de 1500Hz.
¿Cuál es la distancia entre el máximo central y el
primer lugar donde un oyente no detecta sonido?
La interferencia de las ondas sonoras;
Batimiento
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Las ondas también pueden interferir en tiempo , causando un
fenómeno conocido como batimiento. Los batimientos son lentos
"sobres" alrededor de dos ondas que están relativamente cerca
en frecuencia.
En general, la frecuencia del batimiento es la Diferencia en
frecuencias de dos ondas.
Periodo de Batimiento
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9
Dos diapasones producen dos frecuencias de
500Hz y 450Hz. ¿Cuál es la frecuencia del
batimiento?
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Efecto Doppler
El Efecto Doppler se produce cuando una fuente de sonido
está movimiento con respecto a un observador .
En reposo
En movimiento
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Efecto Doppler
Como se puede ver en la imagen anterior, una
fuente en movimiento hacia un observador
tiene una frecuencia mayor y una longitud
más corta de onda; lo opuesto es cierto
cuando una fuente se mueve a lo lejos de un
observador.
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Efecto Doppler
Si el observador se está moviendo con respecto a la
fuente, las cosas son un poco diferentes. La Longitud de
onda sigue siendo el mismo, pero la Velocidad de la onda
es diferente para el observador.
Sin embargo, el efecto es el mismo. La frecuencia
observada aumenta a medida que van hacia una fuente de
sonido, y disminuye si te alejas de una.
Observador
Fuente
Vfuente
Efecto Doppler
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Para una fuente en movimiento, la frecuencia que el oyente
escucha es dada por:
Para una fuente en movimiento hacia un observador en reposo.
O:
Para una fuente que se aleja de un observador en reposo.
Efecto Doppler
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Para un observador en movimiento, la frecuencia que el
observador escucha está dada por:
para un observador que se mueve hacia una fuente fija.
O:
para un observador que se mueve lejos de una fuente fija.
Efecto Doppler
Podemos simplificar estas ecuaciones y escribir una ecuación
general para una fuente en movimiento, un observador en
movimiento, o una fuente y observador en movimiento:
Los signos superiores aplican si la fuente y/o el observador se
mueven uno hacia el otro; los signos de bajo se aplican si se
mueven separándose.
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Efecto Doppler
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Podemos simplificar estas ecuaciones y escribir una ecuación
general para una fuente en movimiento, un observador en
movimiento, o una fuente y observador en movimiento:
Es fácil de recordar cuales signos se utilizan si recuerdas que
si el observador y la fuente se están moviendo hacia uno al
otro la frecuencia parece aumentar. Y si se están alejando se
parece a desminuir.
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10
Una sirena de un policía emite un sonido de
frecuencia 1600 Hz. ¿Qué frecuencia escuchas si el
coche de policía se mueve hacia ti con una
velocidad de 30 m/s?
11
Una sirena de un policía emite un sonido de
frecuencia 1600 Hz. ¿Qué frecuencia escuchas si el
coche de policía se mueve lejos de ti con una
velocidad de 30 m/s?
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Slide 49 / 54
Las ondas de choque y la Explosión
Sonica
Si una fuente está en movimiento más rápido que la Velocidad
de la onda en un medio, las ondas no pueden alcanzar la
fuente y una onda de choque se forma.
El ángulo del cono es:
on
da
de
c
onda de choque
ho
qu
e
Las ondas de choque y la explosión
sonica
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Las ondas de choque son análogos a las olas de proa
producido por un barco que va más rápido que la velocidad
de la onda en el agua.
Las ondas de choque y la explosión
sonica
Aviones superando la velocidad del sonido en el aire
producen dos explosiones sónicas, uno en el frente y uno
en la cola .
Ex
s
plo
ión
a
nic
So
la )
(co
Ex
ic a
on
nS
s ió
plo
(fre
)
nte
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Resumen (1 de 2)
Slide 52 / 54
· El sonido es una onda longitudinal en un medio.
· El tono del sonido depende de la frecuencia.
· El volumen del sonido depende de la intensidad y
también de la sensibilidad del oído.
· Las cuerdas de los instrumentos de cuerda
producen un tono fundamental cuya longitud de onda
es el doble del longitud de la cuerda; también hay
varios armónicos presentes.
Resumen (2 de 2)
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· Los instrumentos de viento tienen una columna de
aire vibrante cuando se juegan. Si el tubo está abierto, el
fundamental es el doble de su longitud, si está cerrado el
fundamental es cuatro veces la longitud del tubo.
· Las ondas de sonido presentan interferencias, si dos
sonidos son de diferente frecuencias ligeramente
producen batimiento.
· El efecto Doppler es el cambio en la frecuencia de un
sonido debido al movimiento de la fuente o del
observador.
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