SONIDO Y AUDICION 4.1 Vibraciones y Ondas

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1 SONIDO Y AUDICION 4.1 Vibraciones y Ondas
4.1.1 Oscilación de un péndulo 4.1.2 Descripción de una onda 4.1.3 Movimiento ondulatorio 4.1.4.Rapidez de una onda 4.1.5 Ondas transversales 4.1.6 Ondas longitudinales 4.1.7 Efecto Doppler 4.1.9 Ondas de choque

2 SONIDO Y AUDICION VIBRACIONES Y ONDAS
Una vibración u oscilación es un vaivén en el tiempo. Un vaivén tanto en el espacio como en el tiempo es una onda. La luz y el sonido son vibraciones que se propagan en el espacio en forma de ondas, las primeras son ondas electromagnéticas y las segundas ondas mecánicas OSCILACIÓN DE UN PÉNDULO Si colgamos una piedra de un cordón tendremos un péndulo simple. Galileo descubrió que el tiempo que tarda un péndulo en ir y venir en distancias pequeñas sólo depende de la longitud del péndulo. El tiempo de una oscilación de ida y vuelta, llamado período (T), no depende de la masa del péndulo, ni del tamaño del arco en el cual oscila. Un péndulo largo tiene un periodo más largo que un péndulo corto; esto es, oscila de ida y vuelta con menos frecuencia que un péndulo corto. Entendiendo por frecuencia (f) el número de oscilaciones que realiza en una unidad de tiempo.

3 SONIDO Y AUDICION DESCRIPCIÓN DE UNA ONDA
Cuando se ata una cuerda en un extremo y el otro se sujeta con la mano, manteniendo la cuerda tensa, en ella se pueden generar pulsos que viajen por la cuerda hasta llegar al otro extremo y volver a la mano, con solo mover la mano de arriba abajo. Si estos pulsos se generan a intervalos iguales de tiempo se puede mantener la cuerda vibrando, o lo que es equivalente a decir que se ha generado una onda en la cuerda. La curva que adquiere la cuerda se llama sinusoide, es periódica y presenta máximos y mínimos de igual amplitud.

4 SONIDO Y AUDICION DESCRIPCIÓN DE UNA ONDA
La longitud de onda () es la distancia desde la cima de una cresta hasta la cima de la siguiente cresta. También, longitud de onda es la distancia entre dos partes idénticas sucesivas de la onda. Las longitudes de onda de las olas en una playa se expresan en metros, las de las ondulaciones en un estanque se miden en centímetros y las de la luz en milésimas de millonésimas de metro (nanómetros). Una oscilación completa de ida y vuelta es una vibración. Si se hace en un segundo, la frecuencia es una vibración por segundo (1Hz). Si en un segundo suceden dos vibraciones, la frecuencia es dos vibraciones por segundo (2Hz). La unidad de frecuencia se llama Hertz (Hz), en honor de Heinrich Hertz, quien demostró la existencia de las ondas de radio en Una vibración por segundo es 1 Hertz; dos vibraciones por segundo son 2 Hertz, etc.

5 SONIDO Y AUDICION v =  / T v =  f MOVIMIENTO ONDULATORIO
A través del movimiento ondulatorio se puede transferir energía de una fuente hacia un receptor, sin transportar materia entre los dos puntos, los casos más comunes son: el sonido que llega a los oídos, la luz a los ojos y las señales electromagnéticas a las radios y televisores. El medio, que puede ser una cuerda o cualquier otra cosa, regresa a su estado inicial después de haber pasado la perturbación. Lo que se propaga es la perturbación, y no el medio mismo. RAPIDEZ DE UNA ONDA La rapidez se define como una distancia dividida entre un tiempo. En este caso, la distancia es una longitud de onda y el tiempo es un período, por lo que la rapidez de la onda es igual que longitud de onda entre el periodo, es decir: v =  / T Como el periodo es igual al inverso de la frecuencia, se puede escribir: v =  f

6 SONIDO Y AUDICION ONDAS TRANSVERSALES
Si el movimiento de las partículas del medio es perpendicular a la dirección de propagación de la onda, se dice que la onda es transversal. Ejemplos de esta situación son: las ondas en las cuerdas de los instrumentos musicales, las ondas en la superficie de los líquidos, la luz, los rayos X, y en general todas las ondas electromagnéticas. ONDAS LONGITUDINALES Si el movimiento de las partículas del medio es paralelo a la dirección de propagación de la onda, se dice que la onda es longitudinal. Ejemplos de esta situación son: el sonido, las compresiones y descompresiones del aire se realizan en la misma dirección en que viaja la onda. Las ondas principales (ondas P) en un terremoto, entre otras.

7 SONIDO Y AUDICION EFECTO DOPPLER
Si la fuente que genera los pulsos en el agua se mueve, con una rapidez menor que las ondas. El patrón de las ondas se distorsiona y ya no está formada por círculos concéntricos. Un observador en B vería que le llegan ondas más seguidas. Esto se debe a que cada frente de onda sucesivo tiene menos distancia por recorrer, y en consecuencia llega a B con más frecuencia que si la fuente no se moviera acercándose a B. Si la fuente que genera los pulsos en el agua se mueve, con una rapidez menor que las ondas. El patrón de las ondas se distorsiona y ya no está formada por círculos concéntricos. Un observador en B vería que le llegan ondas más seguidas. Esto se debe a que cada frente de onda sucesivo tiene menos distancia por recorrer, y en consecuencia llega a B con más frecuencia que si la fuente no se moviera acercándose a B.

8 SONIDO Y AUDICION ONDAS DE CHOQUE
Si la fuente que genera los pulsos en el agua se mueve, con una rapidez mayor que las ondas. El patrón de las ondas se distorsiona aún más y se forma una serie de círculos concéntricos, traslapados unos a otros, donde la envolvente exterior es un cono, tal como muestra la figura. El cono envolvente es la superposición de los frentes de onda en el aire, por lo que la compresión resultante es alta, este cono es llamado anda de choque, ya que cuando alcanza a los observadores en tierra, ellos percibirán un violento cambio de presión. Esta subida de presión viene seguida de una descompresión equivalente a la compresión. En la figura se ve que el observador B escucha el estampido sónico. El observador C ya lo oyó y el observador A lo oirá dentro de un momento. Puede ser que el avión que generó esa onda de choque haya atravesado la barrera del sonido bastante tiempo antes de ser escuchado el estampido sónico

9 SONIDO Y AUDICION 4.2 Sonido 4.2.1 Origen del sonido
4.2.2 Naturaleza del sonido en el aire 4.2.3 Medios que transmiten el sonido 4.2.4 Rapidez del sonido en el aire 4.2.5 Reflexión del sonido 4.2.6 Refracción del sonido 4.2.7 Energía en las ondas sonoras 4.2.8 Vibraciones forzadas 4.2.9 Frecuencia natural Resonancia Interferencia Pulsaciones

10 SONIDO Y AUDICION ORIGEN DEL SONIDO
La mayor parte de los sonidos son ondas producidas por las vibraciones de objetos materiales. En un piano, una flauta, la voz. El oído humano, de un joven, por ejemplo, puede captar normalmente alturas que corresponden al intervalo de frecuencias de entre unos 20 y 20kHz. A medida que maduramos, se contraen los límites de este intervalo de audición; en especial en el extremo de alta frecuencia. Las ondas sonoras cuyas frecuencias son menores que 20 Hz son infrasónicas, y aquellas cuyas frecuencias son mayores que 20kHz se llaman ultrasónicas. No podemos escuchar las ondas sonoras infrasónicas ni las ultrasónicas. NATURALEZA DEL SONIDO EN EL AIRE Imagina las ondas sonoras (u ondas acústicas) en un tubo como muestra la figura. Para simplificar sólo se indican las ondas que se propagan por el tubo. Cuando la rama del diapasón que está junto a la boca del tubo llega al mismo, entra una compresión en el tubo. Cuando la rama se aleja en dirección contraria, a la compresión sigue un enrarecimiento. La frecuencia de la fuente vibratoria y la de las ondas que produce son iguales.

11 SONIDO Y AUDICION Haz una pausa y reflexiona sobre la física del sonido (o la acústica) mientras escuches tu radio. El altoparlante, altavoz o bocina de tu radio es un cono de papel que vibra al ritmo de una señal electrónica. Las moléculas de aire junto al cono en vibración de la bocina se ponen a su vez en vibración. Este aire, a su vez vibra contra las moléculas vecinas, que a su vez hacen lo mismo, y así sucesivamente. El resultado es que del altoparlante emanan distribuciones rítmicas de aire comprimido y enrarecido, llenando todo el recinto con movimientos ondulatorios. El aire en vibración que resulta pone a vibrar los tímpanos, que a su vez mandan cascadas de impulsos eléctricos rítmicos por el canal del nervio codear o auditivo hasta el cerebro. Y así escuchas el sonido de la música.

12 SONIDO Y AUDICION MEDIOS QUE TRANSMITEN EL SONIDO
La mayor parte de los sonidos que escuchamos se transmite por el aire. Sin embargo, cualquier sustancia elástica, sea sólida, líquida, gas o plasma, puede transmitir el sonido. La elasticidad es la propiedad de un material que permite la transmisión de la onda sonora. El sonido no se propaga también en el aire, como lo hace en los sólidos y los líquidos. MEDIO TEMPERATURA (C) VELOCIDAD (m/s) Aire 331.7 15 340 Oxígeno 317 Agua dulce 1435 Agua salada 1500 Acero 20 5130 Aluminio 5100 Amoniaco 415 Helio 965 Hidrógeno 1284 Nitrógeno 334 316 Vapor de agua 134 494

13 SONIDO Y AUDICION RAPIDEZ DEL SONIDO EN EL AIRE
La rapidez del sonido depende de las condiciones del aire (viento), como la temperatura y la humedad. No depende de la intensidad ni de la frecuencia del sonido; todos los sonidos se propagan con la misma rapidez. La rapidez del sonido en aire seco a 0ºC es, aproximadamente, de 331 metros por segundo, casi 1200 kilómetros por hora. Por cada grado de aumento de temperatura sobre 0ºC, la rapidez del sonido en el aire aumenta 0.6 m/s. La velocidad del sonido se puede obtener a partir de: Donde R es la constante de los gases ideales, M es la masa molecular del gas (R/M=287J/kgK para el aire), γ es el coeficiente adiabático (1,4 para el aire), y T es la temperatura absoluta en Kelvin.

14 SONIDO Y AUDICION REFLEXIÓN DEL SONIDO
A la reflexión del sonido se le llama eco. La fracción de la energía que porta la onda sonora reflejada es grande si la superficie es rígida y lisa, y es menor si la superficie es suave e irregular. La energía acústica que no porte la onda sonora reflejada la contiene la onda "transmitida", es decir, absorbida por la superficie. El sonido se refleja en una superficie lisa en la misma forma en que lo hace la luz: La dirección de propagación incidente, reflejada y la normal están en el mismo plano. El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión.

15 SONIDO Y AUDICION REFRACCION DEL SONIDO
Las ondas sonoras se desvían cuando algunas partes de sus frentes viajan a distintas rapideces, a esta desviación del sonido se le llama refracción. Las reflexiones y refracciones múltiples de las ondas ultrasónicas se usan en una técnica innocua para "ver" el interior del organismo sin usar los rayos X. Cuando el sonido de alta frecuencia (el ultrasonido) entra al organismo, es reflejado con más intensidad en el exterior de los órganos que en su interior, y se obtiene una imagen del contorno de los órganos. Cuando el ultrasonido incide sobre un objeto en movimiento, el sonido reflejado tiene una frecuencia un poco distinta. Al usar este efecto Doppler, el médico puede "ver" el corazón de un feto latiendo, desde las 11 semanas de gestación. La ley que gobierna la refracción es la ley de Snell:

16 SONIDO Y AUDICION ENERGÍA EN LAS ONDAS SONORAS
El movimiento ondulatorio de cualquier clase posee energía en diversos grados. Por ejemplo, las ondas electromagnéticas que provienen del Sol nos traen enormes cantidades de la energía necesaria para la vida en la Tierra. En comparación, la energía en el sonido es extremadamente pequeña. Se debe a que para producir el sonido sólo se requiere una cantidad pequeña de energía. Por ejemplo, cuando de personas hablan al mismo tiempo sólo producirían la energía acústica necesaria para encender una linterna común. VIBRACIONES FORZADAS El mecanismo de una caja de música se monta como una caja de resonancia. Sin la caja de resonancia, ese sonido apenas es perceptible. Las cajas de resonancia son importantes en todos los instrumentos musicales de cuerda.

17 SONIDO Y AUDICION FRECUENCIA NATURAL
Todo objeto hecho de un material elástico vibra cuando es perturbado con sus frecuencias propias, que en conjunto producen su sonido característico. Se habla entonces de la frecuencia natural de un objeto, que depende de factores como la elasticidad y la forma del objeto. Naturalmente, las campanas y los diapasones vibran con sus frecuencias características propias. . Onda fundamental identificada con n = 1 color azul Tercer armónico identificado con n = 3 color violeta Quinto armónico identificado con n = 5 color amarillo Onda suma de las tres ondas n = identificada con el color rojo

18 Colapso del Puente de Tacoma Narrows
SONIDO Y AUDICION RESONANCIA Cuando la frecuencia de las vibraciones forzadas en un objeto coinciden con la frecuencia natural del mismo, se provoca un aumento dramático de la amplitud. A este fenómeno se le llama resonancia. Los efectos de la resonancia están alrededor de nosotros. La resonancia acentúa no sólo el sonido de la música, sino el color de las hojas en el otoño, la operación con rayos láser, y una vasta multitud de fenómenos que imparten belleza al mundo que nos rodea. Colapso del Puente de Tacoma Narrows

19 SONIDO Y AUDICION INTERFERENCIA
Las ondas sonoras, como cualquier otra onda, pueden presentar interferencia. En todos los casos, cuando las crestas de una onda se superponen con las crestas de otra, se produce un aumento de amplitud (interferencia constructiva), o bien, cuando la cresta de una onda se traslapa con el valle de otra, se produce menor amplitud (interferencia destructiva). En el caso del sonido la cresta de una onda corresponde a una compresión, y el valle a un enrarecimiento, La interferencia se produce en todas las ondas, sean transversales o longitudinales. Las condiciones para que se obtenga interferencia en un punto del espacio es que las dos ondas emitidas tengan la misma Amplitud, Frecuencia y Longitud de onda. Pera deben llegar al punto desfasadas en media longitud de onda.

20 SONIDO Y AUDICION PULSACIONES
Cuando dos tonos de una frecuencia un poco distinta suenan al unísono, se oye una fluctuación en la intensidad de los sonidos combinados; el sonido es intenso y después débil, después intenso, después débil, etc. A esta variación periódica de la intensidad del sonido se le llama pulsaciones o trémolo, y se debe a la interferencia Cuando hay movimiento relativo, el eco tiene una frecuencia distinta por el efecto Doppler, y se producen pulsaciones cuando se combinan el eco y el sonido emitido. El mismo principio se aplica en las pistolas de radar que usa la policía. Las pulsaciones entre la señal que se manda y la que se refleja se usan para determinar con qué rapidez se mueve el auto que reflejó la señal.

21 SONIDO Y AUDICION 4.3 Sonidos Musicales 4.3.1 Tono
4.3.2 Intensidad y sonoridad del sonido 4.3.3 Timbre

22 SONIDO Y AUDICION TONO El tono de un sonido se relaciona con su frecuencia. Las vibraciones rápidas (alta frecuencia) de la fuente sonora producen una nota alta, mientras que las lentas (bajas frecuencias) producen una nota baja. El tono de un sonido se refiere a su posición en la escala musical. Cuando en un piano se loca el "la natural", un martinete golpea dos o tres cuerdas, cada una de las cuales vibra 440 veces en un segundo. El tono del "la natural" corresponde a 440 Hz. El oído humano, de un joven, puede captar normalmente tonos que corresponden al intervalo de frecuencias de entre unos 20 y 20kHz. A medida que maduramos, se contraen los límites de este intervalo de audición, en especial en el extremo de alta frecuencia.

23 SONIDO Y AUDICION INTENSIDAD Y SONORIDAD DEL SONIDO
La intensidad del sonido depende de la amplitud de las variaciones de la presión en la onda sonora. (también, como en todas las ondas, la intensidad es directamente proporcional a la amplitud de la onda.) se mide en Watts/metro2. El oído humano responde a intensidades que abarcan el enorme intervalo desde W/m2 (el umbral de la audición) hasta más de 1 W/m2 (el umbral del dolor). Dado que el rango de intensidades que el oído humano puede detectar es bastante amplio, es habitual utilizar una escala logarítmica. Por convenio, dicha escala logarítmica se emplea como nivel de referencia el umbral de audición. La unidad más empleada en la escala logarítmica es el decibelio..

24 SONIDO Y AUDICION Fuente del sonido Intensidad (W/m2) Nivel de sonido
(dB) Avión a reacción, a 30 m de distancia 102 140 Sirena de ataque aéreo. cercana 1 120 Música popular, amplificada 10-1 115 Remachado 10-3 100 Tráfico intenso 10-5 70 Conversación en casa 10-6 60 Radio con bajo volumen en casa 10-8 40 Susurro 10-10 20 Murmullo de las hojas 10-11 10 Umbral de la audición 10-12

25 SONIDO Y AUDICION TIMBRE
El timbre de un tono está determinada por la presencia y la intensidad relativa de los diversos armónicos. El sonido que produce cierta nota en el piano y el que tiene la misma altura con un clarinete tiene distintos timbres, que el oído reconoce porque sus parciales son distintos. Un par de tonos con la misma intensidad y distintos armónicos generan distintos timbre para el mismo sonido musical.

26 SONIDO Y AUDICION EL OIDO HUMANO
El mecanismo de audición humana es esencialmente un transductor electroacústico altamente sensible que responde a ondas sonoras de un amplio alcance de frecuencias, intensidades y formas de onda. Éste transforma las fluctuaciones de presión acústica en pulsos en el nervio auditivo. Estos pulsos son llevados al cerebro, el cual los interpreta e identifica, y los convierte en sensaciones: la percepción del sonido.