Unidad III

Unidad III – Sonido
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Unidad III - Sonido
3 Sonido
Te haz preguntado ¿qué es el sonido?
Sonido: (en física) es cualquier fenómeno que involucre la propagación en forma de
ondas elásticas (sean audibles o no), generalmente a través de un fluido (u otro medio
elástico) que esté generando el movimiento vibratorio de un cuerpo.
3.1 Mecanismo de percepción del sonido en humanos
El sonido humanamente audible consiste en ondas sonoras consistentes en
oscilaciones de la presión del aire, que son convertidas en ondas mecánicas en el oído
humano y percibidas por el cerebro.
Una vibración es una oscilación respecto a una posición en equilibrio. Por ejemplo,
cuando haces sonar una campana, esta vibra. Estas vibraciones se desplazan por un espacio
y para esto requieren de un determinado tiempo.
Las ondas sonoras, que se transmiten como ondas de presión a trabes del aire, hacen
vibrar al tímpano, el cual esta unido a la cóclea (conocido comúnmente como el caracol), el
cual excita las células sensoriales que respondo con impulsos eléctricos a los estímulos de
movimiento. Estos estímulos son distintos para las distintas frecuencias que puede escuchar
nuestro oído.
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Un oído sano y joven es sensible a las frecuencias comprendidas entre los 20 Hz y
los 20 kHz. No obstante, este margen varia según cada persona y se altera con la edad
(llamamos presbiacusia a la pérdida de audición con la edad).
Fuera del espectro audible:
•
Por encima estarían los ultrasonidos (Ondas
acústicas de frecuencias superiores a los 20 kHz).
•
Por debajo, los (Ondas acústicas inferiores a los
20 Hz).
El espectro audible podemos subdividirlo en función de los tonos:
o Tonos graves (frecuencias bajas, correspondientes a las 4 primeras octavas,
esto es, desde los 16 Hz a los 256 Hz).
o Tonos medios (frecuencias medias, correspondientes a las octavas quinta,
sexta y séptima, esto es, de 256 Hz a 2 kHz).
o Tonos agudos (frecuencias altas, correspondientes a las tres últimas octavas,
esto es, de 2 kHz hasta poco más de 16 kHz).
En Occidente, dividimos el espectro audible en 11 secciones que denominamos
octavas.
La propagación del sonido involucra transporte de energía sin transporte de materia,
en forma de ondas mecánicas que se propagan a través de la materia sólida, líquida o
gaseosa.
Como las vibraciones se producen en la misma dirección en la que se propaga el
sonido, se trata de una onda longitudinal.
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La unidad de medida utilizada para el nivel de potencia y el nivel de intensidad del
sonido es el decibel [dB]
3.2 Decibel
Decibel: es la unidad relativa empleada en acústica y telecomunicaciones para
expresar la relación entre dos magnitudes, acústicas o eléctricas, o entre la magnitud que se
estudia y una magnitud de referencia.
El decibel, cuyo símbolo es dB, es una unidad logarítmica.
Se utiliza una escala logarítmica porque la
sensibilidad que presenta el oído humano a las
variaciones de intensidad sonora sigue una escala
aproximadamente logarítmica, no lineal. Por ello
el decibel (dB), resultan adecuados para valorar la
percepción de los sonidos por un oyente.
Y, se define como una comparación o
relación entre dos sonidos porque en los estudios
sobre acústica fisiológica.
Ojo:
Se sabe que un oyente, al que se le hace
escuchar un solo sonido, no puede dar una
indicación fiable de su intensidad, mientras que,
si se le hace escuchar dos sonidos diferentes, es
capaz de distinguir la diferencia de intensidad.
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3.3 Nivel de potencia del sonido
Para el cálculo de la sensación recibida por un oyente, a partir de las unidades
físicas medibles de una fuente sonora, se define el nivel de potencia LW , en decibeles, y
para ello se relaciona la potencia de la fuente del sonido a estudiar con la potencia de otra
fuente cuyo sonido esté en el umbral de audición, por la siguiente fórmula:
En donde:
o W1 es la potencia a estudiar, en watts
o W0 es el valor de referencia, igual a 10 12 watts
o log10 es el logaritmo en base 10 de la relación entre estas dos potencias.
Ojo:
Este valor de referencia (W0) se aproxima al umbral de audición en el aire
(intensidad mínima de sonido capaz de sentir el oído humano).
Datos útiles:
o Normalmente una diferencia de 3 decibeles, que representa el doble de señal, es la
mínima diferencia apreciable por un oído humano sano, esto quiere decir, que para
que nuestro oído detecte diferencia entre un ruido y otro, es necesario que este sea
por lo menos 3 dB mas que el anterior, esto implica tener que duplicar la potencia
del sonido para poder obtener el aumento de 3 dB.
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A continuación se presentan los valores típicos de algunos sonidos en decibeles:
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Las famosas vuvuzelas en
el Mundial de Sudáfrica 2010,
pueden producir sonidos de hasta
127 decibeles…
…que
equivalen
producido
por
al
ruido
un
avión
despegando… por 90 minutos.
3.4 Nivel de presión del sonido
Las ondas de sonido producen un aumento de presión en el aire, luego otra manera
de medir físicamente el sonido es en unidades de presión (pascales).
Y puede definirse el Nivel de presión, LP , que también se mide en decibeles:
En donde:
o P1 es la presión del sonido a estudiar
o P0 es el valor de referencia, igual a 2 x10 5 Pa.
Este valor de referencia se aproxima al umbral de audición en el aire.
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3.5 Normativa del sonido
Existen numerosa normativa en la cual están detallados los máximos permisibles en
distintos ambientes, ya sea laborales o no, y los tiempos máximos permitidos para dicha
exposición.
A continuación se presenta un par de ellas:
o El D.S. Nº146/97 del Minsegpres que fija límites máximos permisibles de emisión
de ruidos para fuentes fijas.
o El D.S. Nº129/2003 del Mintrastel que fija límites máximos permisibles de emisión
de ruidos para fuentes móviles (buses de locomoción colectiva).
3.6 Propagación del sonido
El sonido es una vibración, como tal, se puede dar en cualquier medio material,
sólido, líquido o gaseoso como el aire. En cada medio, se propaga a una velocidad
diferente, principalmente en función de la densidad. Cuanto más denso sea el medio, mayor
será la velocidad de propagación del sonido. En el vacío, el sonido no se propaga, al no
existir partículas que puedan vibrar.
En el aire se propaga en forma esférica, este fenómeno se llama divergencia
esférica (véase la figura que viene a continuación), que es el nivel de presión disminuye
conforme el sonido se propaga. Cuando el frente de onda es esférico, en la mayoría de los
casos, el nivel de presión cae 6 dB por cada vez que se duplica la distancia. Estas se llaman
pérdidas por divergencia esférica.
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3.7 Velocidad del sonido
La velocidad del sonido es la velocidad de propagación de las ondas sonoras. En la
atmósfera terrestre es de 340 m/s (a 20°C de temperatura). La velocidad del sonido varía en
función del medio en el que se trasmite.
La velocidad del sonido depende de:
o la compresibilidad (1/K) del medio
o la densidad es un factor importante en la velocidad de propagación
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3.8 Efecto Doppler
Es el cambio en la frecuencia de una onda producido por el movimiento de la fuente
respecto a su observador.
… en otras palabras, el efecto Doppler existe si:
la velocidad a la que se mueve el objeto que emite las ondas es comparable a la
velocidad de propagación de esas ondas.
La velocidad de una patrulla (50 km/h) puede parecer insignificante respecto a la
velocidad del sonido al nivel del mar (unos 1.235 km/h), sin embargo se trata de
aproximadamente un 4% de la velocidad del sonido, fracción suficientemente grande como
para provocar que se aprecie claramente el cambio del sonido de la sirena desde un tono
más agudo a uno más grave, justo en el momento en que el vehículo pasa al lado del
observador.
Imaginemos lo siguiente:
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o
un observador O
o
una fuente de sonido S
o
la fuente de sonido S es a una frecuencia f
o
el observador O escucha a una frecuencia f’
o
la fuente de sonido S posee una velocidad Vs
o
el observador O posee una velocidad Vo
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En el primer caso (arriba a la izquierda) el observador se esta acercando a la fuente
de sonido, la cual se encuentra detenida. Para el segundo caso (arriba a la derecha) el
observador se esta alejando de la fuente de sonido, la cual esta detenida. El tercer caso
(abajo a la izquierda) es cuando el observador esta detenido y la fuente de sonido se acerca.
Y el último caso (abajo a la derecha) ocurre cuando el observador esta detenido y la fuente
de sonido se aleja.
¿Qué pasará si la fuente y el observador se mueven al mismo tiempo?
En este caso particular se aplica la siguiente fórmula, que no es más que una
combinación de las dos:
Los signos  y  deben ser aplicados de la siguiente manera:
si el numerador es una suma, el denominador debe ser una resta y viceversa
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Ejercicio 1
Un observador se mueve a una
velocidad de 42 m/s hacia un trompetista en
reposo.
El
trompetista
está
tocando
(emitiendo) la nota La (440 Hz). ¿Qué
frecuencia percibirá el observador, sabiendo
que velocidad del sonido es 340 m/s.
Solución:
Si el observador se acerca hacia la
fuente, implica que la velocidad con que
percibirá cada frente de onda será mayor, por lo tanto la frecuencia aparente será mayor a la
real (en reposo).
En este caso particular, el trompetista emite la nota La a 440 Hz; sin embargo, el
observador percibe una nota que vibra a una frecuencia de 494,353 Hz, que es la frecuencia
perteneciente a la nota Si.
Musicalmente hablando, el observador percibe el sonido con un tono más agudo del
que se emite realmente.
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3.9 Aplicaciones del efecto Doppler
o Sirenas
o Astronomía (luz)
o Radares
o Imaginología (medicina)
o Medición de flujos
o Perfiles de velocidad (líquidos)
o Acústica submarina (sonares)
o Audio (efectos)
o Medición de vibraciones
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