El sonido A J Barbero. Dept. Física Aplicada. Curso 2004/2005 antonio.barbero@uclm.es

NATURALEZA DEL SONIDO Onda mecánica Las ondas sonoras están constituidas por ondas mecánicas longitudinales que se propagan en un medio gaseoso, líquido o sólido. Se producen cuando un sistema físico, como una cuerda o una membrana tensa, vibra y origina una perturbación en la densidad del medio (compresiones y rarefacciones).

NATURALEZA DEL SONIDO Propagación La perturbación se propaga a través del medio mediante la interacción de las moléculas del mismo. La vibración de las moléculas tiene lugar a lo largo de la dirección de propagación de la onda. Sólo se propaga la perturbación; las propias moléculas sólo vibran hacia delante y hacia atrás alrededor de sus posiciones de equilibrio.

COMPRESIÓN/RARIFICACIÓN

VELOCIDAD DEL SONIDO Aumenta cuando aumenta la rigidez del medio Sólidos > líquidos > gases Figura 1

TONO y TIMBRE El TONO es la cualidad del sonido asociada a su carácter más o menos agudo. Las frecuencias altas corresponden a tonos agudos, la frecuencias bajas a tonos graves. El TIMBRE es la cualidad del sonido que permite distinguir entre diversos sonidos aunque correspondan a la misma frecuencia. Por ejemplo, se puede distinguir entre una misma nota musical emitida por un clarinete y por un piano. ARMÓNICOS

NIVEL DE POTENCIA SONORA Potencia instantánea: tasa a la cual la energía sonora es emitida en cualquier instante del tiempo. Potencia media en un intervalo Potencia máxima en un intervalo

INTENSIDAD DEL SONIDO La intensidad del sonido en una dirección especificada en un punto del campo sonoro es el flujo de energía sonora a través de una unidad de área en ese punto (potencia por unidad de área fluyendo a través del punto), con la unidad de área perpendicular a la dirección especificada. Se mide en w/m2.

INTENSIDAD DEL SONIDO W/m2 INTENSIDAD: Energía por unidad de superficie (perpendicular a la dirección dada) y por unidad de tiempo Es imprescindible especificar la dirección

NIVEL DE INTENSIDAD SONORA Recepción del sonido de una fuente Intensidad de referencia: I0 = 10-12 w/m2 Umbral de audición: 10-12 w/m2 (0 dB) Umbral de dolor: 1 w/m2 (120 dB)

El órgano del oído

UMBRALES de AUDICIÓN: MAF y MAP UMBRAL DE MÍNIMO CAMPO AUDIBLE (MAF) Es el nivel de presión sonora del umbral de audición en jóvenes adultos con audición normal, medido en un campo libre (es decir, aquel campo de sonido en que la onda sonora se propaga a partir de la fuente sin efectos apreciables de límites ni obstáculos). Se determina para tonos puros, con el oyente frente a la fuente, y escuchando con ambos oídos. UMBRAL DE MÍNIMA PRESIÓN AUDIBLE (MAP) Es el nivel de presión sonora del umbral de audición en jóvenes adultos con audición normal, medido mediante la exposición de un oído al sonido a través de auriculares (la mayoría de las medidas de umbrales se llevan a cabo con auriculares, por ejemplo en audiometrías).

Sonoridad Puesto que el oído tiene diferente sensibilidad según la frecuencia, cuando cambia la frecuencia un sonido de una intensidad determinada produce en el oído la sensación de un cambio de intensidad, aunque la potencia por unidad de superficie que alcanza el tímpano no se haya alterado. Mientras que la intensidad de un sonido es una magnitud física, la sonoridad (sensación producida por éste en el oído) es subjetiva. El fonio es la unidad acústica usada para medir el nivel total de sonoridad. Un tono puro de 1000 Hz a un nivel de intensidad de sonido de 1 dB se define como un sonido con nivel de sonoridad de 1 fonio. Todos los demás tonos tendrán un nivel de sonoridad de n fonios si el oído aprecia que suenan tan sonoros como un tono puro de 1000 Hz a un nivel de intensidad de n dB.

EJEMPLO ¿Cuál es la sonoridad de: a) Un sonido de 80 dB a 50 Hz? b) Un sonido de 45 dB a 5000 Hz? 80 dB 50 Hz 60 fonios 45 dB 5000 Hz 40 fonios

NIVELES SONOROS PONDERADOS: SONÓMETROS El sonómetro es un instrumento diseñado para responder al sonido en aproximadamente la misma manera que lo hace el oído humano y dar mediciones objetivas y reproducibles del nivel de presión sonora Micrófono Sección de procesamiento Unidad de lectura Ponderación A, B, C Ponderación A: dB(A) Reproduce la sensibilidad del oído humano Ponderación C: dB (C) Respuesta más plana, guarda mayor semejanza con la presión sonora sin ponderar

Tipos de ruido en función de la frecuencia nivel Tono puro: presenta una única componente sinusoidal con una sola frecuencia característica. Ejemplo: silbato. f nivel Armónico: presenta componentes sinusoidales múltiples, con frecuencias múltiplos de una frecuencia fundamental. Ejemplo: nota musical. http://www.stee-eilas.org/lan_osasuna/udakoikas/acust/acus2.pdf Fuentes: http://www.arrakis.es/~avf/acustica/acustica.htm#RUI

Relación analítica entre niveles de presión sonora en db(A) y potencia sonora en w/m2 (equivalente a tabla DB-1) w = 10(-12+0.1*dB(A))

CÁLCULO DEL NIVEL DE PRESIÓN SONORA TOTAL COMO SUMA DE DISTINTOS COMPONENTES 1) Para cada nivel sonoro en el punto que ocupa el observador, búsquese la potencia sonora en w/m2 en tabla DB-1, o calcúlese mediante w = 10(-12+0.1*dB(A)) 2) Súmense todas las potencias para obtener la potencia total W en w/m2. 3) Para obtener el nivel sonoro en dB(A) emplearemos la relación: Lp = 10·log10(W) + 120 dB(A)

CÁLCULO DEL NIVEL DE PRESIÓN SONORA TOTAL COMO SUMA DE DISTINTOS COMPONENTES Ejemplo Nivel de presión sonora de dos fuentes: una de 42 dB(A) y otra de 44 dB(A) Fuente 1: 1.585·10-8 w/m2 Suma W = 4.097·10-8 w/m2 Fuente 2: 2.512·10-8 w/m2 Lp = 10·log10(4.097·10-8) + 120 = 46.1 dB(A)

160 m 200 m Ejemplo Dos aerogeneradores están situados a 200 m y 160 m del observador, siendo los niveles de presión sonora en las fuentes de 100 dB(A). Determínese el nivel de presión sonora en la posición del observador. Solución Nivel de presión sonora aerogenerador 1: 100-58 = 42 dB(A) (Tabla DB-2) Nivel de presión sonora aerogenerador 2: 100-56 = 44 dB(A) (Tabla DB-2) Suma de niveles: Resultado 46.1 dB(A) (Tabla DB-3)

ENERGÍA TRANSPORTADA POR UN MOVIMIENTO ONDULATORIO Flujo de energía: energía transportada por unidad de tiempo a través de una unidad de superficie perpendicular a la dirección de propagación. J/(s·m2) = W/m2

  densidad lineal de masa ONDAS ESTACIONARIAS EN UNA CUERDA (longitud L) Cuerda con extremos fijos: frecuencia del modo n-ésimo * Velocidad de propagación de las ondas: * Frecuencia del modo normal n-ésimo: Relación entre velocidad de propagación de las ondas y características físicas del sistema: T  tensión de la cuerda   densidad lineal de masa

ONDAS ESTACIONARIAS EN UNA CUERDA Ejemplo Determinación de los tres primeros modos de vibración de una cuerda de 10 g y 4 m de longitud, sometida a una tensión de 25 N