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ACUSTICA Tiene por objetivo el estudio de las Ondas que impresionan a nuestro sentido del Oído y de las Ondas que tienen las mismas propiedades Físicas que el sonido. FONOLOGIA Parte de la Física que tiene como objeto el estudio del sonido, sus causas, leyes, propiedades y aplicaciones. SONIDO Onda mecánica longitudinal que se propaga a través de un medio elástico. Todo tipo de movimiento ondulatorio elástico que se propaga a través de un medio, sólido, líquido o gaseoso. El sonido no se propaga en el vacío. RUIDO Son sonidos cuya onda vibra de manera irregular e imprecisa con frecuencias indeterminadas que causan sensación desagradable al Oído humano. Tres (3) partes fundamentales: 1. PRODUCE 2. TRANSMITE 3. RECEPCION
1.
PRODUCCIÓN: FUENTES SONORAS Cualquier cuerpo vibrante en contacto con un medio elástico es una fuente de sonido. Las fuentes que producen sonidos agradables al oído humano se les llama instrumentos musicales, los cuales se clasifican según su manera de vibrar en: a. Varillas – Láminas b. Cuerdas c. Tubos o cavidades (Columnas de Aire)
a. VARILLAS – LAMINAS Piezas metálicas que al hacerlas vibrar, producen sonidos, y el sonido tiene la misma frecuencia del implemento que las hizo vibrar. (Tambores, platinos, timbales,…)
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EL DIAPASON
El diapasón Para realizar experiencias con el sonido se utiliza un instrumento llamado diapasón, que consiste en una varilla en forma de U que se puede sujetar por el mango a una caja hueca y abierta, llamada caja de resonancia. Al golpear un diapasón, este vibra emitiendo ondas sonoras con una determinada frecuencia y emite un sonido persistente que es amplificado por la caja de resonancia. Este sonido se produce porque, al vibrar la horquilla metálica, las partículas de los gases que componen el aire experimentan una perturbación, que se transmite de unas a otras, originando así zonas con más partículas y zonas con menos, de manera que, al final, se forma un movimiento ondulatorio que nuestro tímpano es capaz de recibir. Lo que se propaga en este caso son las zonas con más y con menos partículas.
b. CUERDAS - Cuerdas de una guitarra (Tensión, masa, longitud) - (Violín, piano, …)
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,
Como
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RELACIÓN ENTRE LA VELOCIDAD Y LA TENSION DE LA CUERDA
2
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c. TUBOS Instrumentos que poseen columnas de aire que al ponerlas a vibrar con cierta frecuencia produce Ondas Estacionarias. Los tubos pueden ser abiertos o cerrados Reciben el nombre de tubos sonoros aquellos tubos que contienen una columna de aire en su interior la cual tiene la capacidad de producir sonido al ser estimulada. En los tubos sonoros el cuerpo capaz de producir sonido no es el propio tubo sino la columna que este contiene en su interior. El tubo por el contrario tiene la función de darle la forma a la columna sin embargo no influye para nada en la sonoridad que esta produce. Existen dos tipos de tubos sonoros, los cerrados y los abiertos. Los cerrados son los que solo tienen una abertura, los abiertos poseen dos. El funcionamiento de las columnas de aire es muy similar al funcionamiento de una cuerda de guitarra. Hay sitios en donde la vibración es nula y hay sitios en donde la vibración llega a su máxima amplitud. Cuando esta es nula es porque en esas zonas las columnas tienen nodos y cuando es máxima es porque en esa zona las columnas poseen vientres. Las distancias entre los nodos y los vientres varían según la fuerza de la vibración. Esta vibración es longitudinal por lo que los nodos pasan a ser puntos de condensación y los vientres de refracción o dilatación. Los extremos de los tubos también actúan en la vibración del aire. Cuando hay un extremo cerrado se forma un nodo y cuando hay uno abierto se forma un vientre. Y aunque pueda resultar obvio que un nodo no puede ser un punto de estimulación para la columna, tampoco resulta obvio que un vientre sea este punto. En muchos casos son puntos intermedios. La vibración de las columnas se puede presentar a través de toda su longitud o divida en segmentos iguales (medios, tercios, cuartos, etc.). Inmediatamente la columna sea estimulada se obtiene un sonido principal más conocido como sonido fundamental. Los que siguen después de este se conocen como armónicos.
TUBOS ABIERTOS En un tubo abierto el aire vibra a su máxima amplitud en sus puntas
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Como
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TUBOS CERRADOS Si el tubo es cerrado se origina un vientre en el extremo por donde penetra el aire y un nodo en el extremo cerrado. Como la distancia entre un vientre y un nodo consecutivo es l /4. La longitud L del tubo es en las figuras representadas es L=l /4, L=3l /4, L=5l /4... En general L=(2n+1) l /4; con n=0, 1, 2, 3, ...
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,
Como
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Armónico Un armónico es el resultado de una serie de variaciones adecuadamente acomodadas en un rango o frecuencia de emisión, denominado paquete de información. Dichos paquetes configuran un ciclo que, adecuadamente recibido, suministra a su receptor la información de cómo su sistema puede ofrecer un orden capaz de dotar al medio en el cual expresa sus propiedades de una armonía. El armónico, por lo tanto es dependiente de una variación u onda portadora.
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COMPORTAMIENTO DE LAS ONDAS SONORAS Las Ondas sonoras al igual que cualquier tipo de Ondas pueden: Reflejarse, Refractarse, Difractarse e Interferirse.
REFLEXION: Ocurre cuando la Onda sonora encuentra en su camino de propagación un obstáculo, choca contra el y se regresa cambiando su dirección y sentido, pudiendo ser percibidas nuevamente por un emisor – observador. Este hecho se conoce como ECO. Para que se produzca ECO se requiere una distancia mínima de 17 m de incidencia y 17 m de Reflexión. Considerando que la velocidad media del sonido es de 340 m/s y que toda sensación sonora persiste en el Oído humano alrededor de 1/10 = 0,1 de segundo.
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REFRACCION: El sonido se refracta de un medio a otro, o en un mismo medio que posee capas de diferencia densidad haciendo que varíe su longitud de Onda y por lo tanto la dirección de propagación.
La refracción es el cambio de dirección que experimenta una onda al cambiar de medio. Sólo se produce si la onda incide oblicuamente sobre la superficie de separación de los dos medios y si estos tienen índices de refracción distintos. La refracción se origina por el cambio de velocidad que experimenta la onda al cambiar de medio. La refracción también puede producirse dentro de un mismo medio que no es homogéneo, por ejemplo, cuando la temperatura varía de un punto a otro. Por lo general siempre hay reflexión y refracción parciales, es decir, una parte de la energía sonora se refleja y otra se refracta.
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Difracción: Ocurre cuando las longitudes de Onda de las Ondas sonoras son grandes lo cual permite con facilidad bordear los obstáculos que se le interponen. Así podemos escuchar sonidos a pesar de que existan obstáculos de por medio.
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Interferencia: Son los fenómenos producidos por el encuentro de Ondas Sonoras cuando partiendo de un mismo centro o de diversos centros de vibración semejantes llegan a un mismo punto de un medio formando ondas estacionarias con puntos de máxima vibración y de vibración nula. De los tantos casos posibles, los más importantes son: por refuerzo (SONIDO + SONIDO = SONIDO) o anulación (SONIDO + SONIDO = SILENCIO)
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Polarización: Las Ondas sonoras por ser de carácter longitudinal no se polarizan 2.
TRANSMITE:
La velocidad con que se transmite el sonido depende, principalmente, de la elasticidad del medio, es decir, de su capacidad para recuperar su forma inicial. El acero es un medio muy elástico, en contraste con la plastilina, que no lo es. Otros factores que influyen son la temperatura y la densidad. Sólidos: En medios más compactos, la velocidad es mayor. En los sólidos las ondas sonoras pueden ser longitudinales o transversales. Líquidos: Gases: La velocidad depende de la presión, densidad, temperatura. Líquidos y Gases: son Ondas de tipo longitudinal en fluidos: Líquidos y Gases.
√ = Módulo de elasticidad del fluido. = Densidad del medio o del fluido. ρ Ecuación específica para los gases Calor específico a presión constante Calor específico a volumen constante
√
donde
es la presión del gas
(gamma) relación entre los gases específicos En un sólido: Caracterizado por su rigidez (Módulo de Young)
√
= módulo de elasticidad de young
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Velocidad de propagación de la onda La velocidad de la propagación de la onda depende del material por el cual se esté propagando la onda y de sus propiedades. Generalmente, el sonido se mueve a mayor velocidad en líquidos y sólidos que en gases. Así, la velocidad del sonido en el aire seco a 0°C es de 331 m/s y por cada elevación de un grado de temperatura, la velocidad del sonido en el aire aumenta en 0,62 m/s., y en el agua de mar a 8°C la velocidad del sonido es de 1435 m/s. Los medios físicos que afectan a la propagación de los sonidos son:
Absorción. La capacidad de absorción del sonido de un material es la relación entre la energía absorbida por el material y la energía reflejada por el mismo. Es un valor que varía entre 0 (toda la energía se refleja) y 1 (toda la energía es absorbida).
Reflexión. Es una propiedad característica del sonido, que algunas veces llamamos eco.
En general, la velocidad del sonido en el aire a cualquier temperatura puede darse por:
,
= velocidad del sonido en el aire seco a 0°C es de 331 m/s -->Constante en --> Temperatura ambiente
Ing. & Lic. Eddie L. Segura C. Para efectos práctico se considera la velocidad del sonido en el aire en condiciones de aproximadamente de
20°C como
3.
RECEPCIÓN:
“El oído humano Cuando un objeto (actuando como emisor de sonido) vibra, hace vibrar también al aire que se encuentra alrededor de él. Esa vibración se transmite a la distancia y hace vibrar (por resonancia) una membrana que hay en el interior del oído: el tímpano.
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CUALIDADES DEL SONIDO La variación de elementos en un movimiento de Ondas Sonoras como la longitud de Onda, frecuencia, período y velocidad de propagación determinan en los sonidos ciertas características que permiten distinguirlos, analizarlos y clasificarlos.
El oído humano es capaz de distinguir unos sonidos de otros porque es sensible a las diferencias que pueden existir entre ellos en lo que concierne a alguna de las cuatro cualidades que caracterizan a todo sonido. Estas son: intensidad, tono, timbre y duración. o o o o
Intensidad Tono Timbre Duración
INTENSIDAD Es la potencia transmitida por una Onda Sonora a través de unidad de área normal a la dirección de propagación. Nos permite oírlo a mayor o menor distancia. Fuentes débiles se miden por la energía. Se define como la cualidad del sonido que permite identificar si una Onda es fuerte o débil. Se mide por energía, por unidad de área y unidad de tiempo. La intensidad del sonido es la propiedad que permite diferenciar entre sonidos fuertes y débiles. Está relacionada intensidad acústica de la onda sonora correspondiente, que es la magnitud que nos da una idea de la cantidad de energía que está fluyendo por el medio como consecuencia de la propagación de la onda, también se define como la energía que traviesa una unidad de superficie dispuesta perpendicularmente a la dirección de propagación por segundo. Aunque suele expresarse como potencia por unidad de superficie (W/m2)
--> Potencia (Watt) 2
--> Area (cm )
La intensidad del sonido varía en forma inversa con el cuadrado de la distancia
,
, K -->es una constante
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NIVEL DE INTENSIDAD (β) El oído humano normal oye intensidades sonoras comprendidas a una energía de los más débiles y de
los más fuertes. A causa del gran intervalo de intensidades para los
cuales es sensible el oído humano, es conveniente utilizar una escala logarítmica lo cual se define el nivel de intensidad como:
( ) con unidad el db (decibeles) --> Intensidad del sonido más débil --> Intensidad de un sonido cualquiera --> Nivel de Intensidad.
Decibeles (db) 1 Bell = 10 db
“ALEJANDRO
GRAHAM BELL”
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LIMITES DE AUDIBILIDAD HUMANA El oído humano persiste ondas sonoras correspondientes entre 20 ciclos/s – hasta – 20.000 ciclos/s. Sonidos cuya frecuencia sean inferior de 20 ciclos/s reciben el nombre de infrasonidos (entre ellas las ondas sísmicas). Y sonidos cuya frecuencia sea mayor de 20.000 ciclos/s reciben el nombre de ultrasonidos. Tanto los infrasonidos como los ultrasonidos son no audibles por el oído humano.
Bells:
Watts: Hz:
0
---------------------------------------------------------------->
120 Bells
-----------------------------> 20 -----------------------------------------------------------------> 20.000 Hz
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TONO Es la cualidad del sonido que nos permite que sea alto (Agudo) o bajo (grave). Un tono se eleva al aumentar su frecuencia y se hace bajo cuando se reduce su frecuencia.
Sonido Alto --> Alta frecuencia Sonido Bajo ---> Baja frecuencia
TIMBRE Propiedad del sonido que permite distinguir la fuente que lo emite, depende de la naturaleza de los armónicos que le acompañan y de sus amplitudes relativas
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JOHAM CHRISTIAN DOPPLER
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