ACUSTIZONA INFORMACION SOBRE EL SONIDO Y ONDAS
LONGITUD DE ONDAS
PROPAGACION DEL SONIDO DIAGRAMAS DIRECCIONALES
FENOMENOS
ECUACION DE NEWTON FACTOR
ENTRE OTROS…
AUTORES: LILIMART ZAPATA YEFFERSSON SOTERANO
Propagación del Sonido El sonido se produce por el movimiento vibratorio de un cuerpo y se propaga en forma de ondas elásticas, en un medio físico. El sonido se propaga por el medio humanamente audible. Consiste en ondas sonoras que se producen cuando los órganos de audición del oído humano captan las oscilaciones de la presión del aire, y se perciben por el cerebro. La propagación del sonido en los fluidos toma la forma de fluctuaciones de presión. En los cuerpos sólidos la propagación del sonido implica variaciones del estado tensionar del medio. La propagación del sonido supone un 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, que se trasmite en línea recta, desde el punto de origen.
Fenómenos Físicos que Afectan la Propagación del Sonido Transmisión 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. 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, cuando el sonido incide sobre el material. Su valor varía entre 0 (toda la energía se refleja) y 1 (toda la energía es absorbida). Reflexión Fenómeno por el cual una onda se refleja en un material no absorbente o parcialmente absorbente del sonido. El eco se produce cuando este sonido es alterado por una constante que da como resultado un sonido que se refleja en un medio más denso y llega al oído de una persona con una diferencia de tiempo igual o superior a 0,1 segundos, respecto del sonido que recibe directamente de la fuente sonora. Refracción Cuando un sonido pasa de un medio a otro, se produce refracción. La desviación de la onda se relaciona con la rapidez de propagación en el medio. El sonido se propaga más rápidamente en el aire caliente que en el aire frío. Difracción o dispersión Si el sonido encuentra un obstáculo en su dirección de propagación, en el borde del obstáculo se produce el fenómeno de difracción, por el que una pequeña parte del sonido sufre un cambio de dirección y puede seguir propagándose. Difusión Si la superficie donde se produce la reflexión presenta alguna rugosidad, la onda reflejada no sólo sigue una dirección sino que se descompone en múltiples ondas. por ende el sonido viaja mas rápido en lugares frio que en lugares cálidos
Direccionalidad del sonido diagramas direccionales. Comúnmente las características de direccionalidad de los transductores de entrada y de salida de audio, son representadas a través de un gráfico que señala la dirección de la onda de entrada y salida, en relación a un plano concreto y a una frecuencia especifica de propagación. Los diagramas polares de radiación son los esquemas gráficos que indican el ángulo de difusión y captura de un sonido a través de los dispositivos electrónicos de transducción. Fuente esférica Las fuentes esféricas son las más sencillas de todas. También conocidas como fuentes puntuales o fuentes simples, tienen como característica fundamental la capacidad de irradiar y capturar de forma uniforme una señal acústica en todas las direcciones, es decir, en un ángulo de 360°. La siguiente figura muestra el diagrama polar de directividad asociado a dicha fuente.
Diagrama direccional de una fuente simple. Cuando las dimensiones de los radiadores son menores que la longitud de onda de la señal emitida y también mantengan su fase constante, el patrón polar de radiación es siempre el mismo sin importar las características de los mecanismos de transducción.
Índice de directividad y factor de directividad. Es un fenómeno característico de las ondas sonoras que expresa el nivel de presión sonora en función del ángulo de radiación. Es un parámetro que se usa en el diseño de antenas como en el de los transductores electroacústicas. En acústica, la directividad de una antena se define como la relación entre la densidad de potencia radiada en una dirección, a una distancia, y la densidad de potencia que radiaría a la misma distancia una antena isotrópica, a igualdad de potencia total radiada en una dirección. Se suelen dar las curvas de directividad tanto en el sentido vertical como en el sentido horizontal. Además está estrechamente ligada a la frecuencia radiada por lo que se ofrecen curvas para distintas frecuencias. En general la directividad está poco acusada para frecuencias bajas, sin embargo a altas frecuencias, donde la longitud de onda es pequeña respecto al tamaño de la fuente emisora, esta es muy acusada.
Factor de directividad
en la dirección (Ø,Φ) de una fuente como la relación entre la intensidad en esa dirección y la intensidad de una fuente que radia por igual en todas direcciones (fuente isótropa) con igual potencia que aquella.
Índice de directividad El factor de directividad expresado en decibelios se denomina índice de directividad:
Los valores positivos del índice de directividad, en el caso de que existan, denotan una ganancia de intensidad de la fuente respecto de la intensidad isótropa, mientras que valores negativos indican pérdidas.
Velocidad del sonido La velocidad de propagación de la onda sonora (velocidad del sonido) depende de las características del medio en el que se transmite dicha propagación; presión, temperatura, densidad, humedad. En general, la velocidad del sonido es mayor en los sólidos que en los líquidos y en los líquidos mayor que en los gases dada la densidad de las partículas que permite un mayor intercambio de energía cuando estas se encuentran más cerca. •La velocidad del sonido en el aire (a una temperatura de 20º) es de 343 m/s. La ecuación creada por Newton y posteriormente modificada por Llapase que permite obtener la velocidad del sonido en el aire teniendo en cuenta la variable de la temperatura es "331+(0,6 x Temperatura)". •En el agua (a 35 °C) es de 1493 m/s (a 22 C°) es de 1505 m/s. •En la madera es de 3990 m/s. •En el hormigón es de 4000 m/s. •En el acero es de 6099 m/s. •En el aluminio es de 5090 m/s. •En el vidrio es de 5190 m/s.
Ecuación de newton En este caso las propiedades físicas del aire, su presión y humedad por ejemplo, son factores que afectan la velocidad. Por ejemplo, cuanto mayor es la temperatura del aire mayor es la velocidad de propagación. La velocidad del sonido en el aire aumenta 0,6 m/s por cada 1º C de aumento en la temperatura. Una velocidad aproximada (en metros/segundo) puede ser calculada mediante la siguiente fórmula empírica:
Donde es la temperatura en grados celsius (-273 kelvins);
Una ecuación más exacta, referida normalmente como velocidad adiabática del sonido, viene dada por la fórmula siguiente:
Donde •R es la constante de los gases, •m es el peso molecular promedio del aire (R/m = 287 J/kg K] para el aire), •κ es la razón de los calores específicos (κ=cp/cv siendo igual a 1,4 para el aire), y •T es la temperatura absoluta en Kelvin. En una atmósfera estándar se considera que T es 293,15 Kelvin, dando un valor de 343 m/s ó 1.235 kilómetros/hora. Esta fórmula supone que la transmisión del sonido se realiza sin pérdidas de energía en el medio, aproximación muy cercana a la realidad
La velocidad del sonido dependencia con la temperatura v=γ p0ρ0−−−−√ De la ecuación de un gas ideal pV=nRT o bien, pV=mMRT ρ=mV La fórmula de la velocidad del sonido se expresa en función de la temperatura t del gas en grados centígrados. vs=γRTM−−−−−√=γRM(T0+t)−−−−−−−−−−√≈γRT0M−−−− −√+12γRMT0−−−−−√t Para obtener esta expresión aproximada, se han tomado los dos primeros términos del desarrollo de (1+t/T0)1/2 por el binomio de Newton Sabiendo que T0=273.15 K, γ=1.4, R=8.314 J/(K·mol) y M=28.95·10-3 kg/mol, tenemos que vs≈331.4+0.61·t Donde 331.4 m/s es la velocidad del sonido en el aire a 0ºC. Para temperaturas cercanas a la ambiente, la velocidad del sonido en el aire varía aproximadamente de forma lineal con la temperatura. El applet que viene a continuación, simula un experimento de medida de la velocidad del sonido a diferentes temperaturas. Consta de dos tubos coaxiales, de longitud L, el interior contiene aire y por el exterior circula agua a temperatura t procedente de un termostato. Un altavoz se coloca en el extremo del tubo interior y en el otro extremo un micrófono. El altavoz se conecta a un generador de sonido aleatorio, por ejemplo, a una radio que no sintoniza ninguna emisora concreta. El micrófono se conecta a un ordenador para analizar la señal que llega al extremo opuesto del tubo.
Las ondas estacionaria de un tubo abierto por ambos extremos o de una cuerda de longitud L sujeta por ambos extremos, tienen las siguientes frecuencias fn=vs2Ln n=1,2,3,... Midiendo la frecuencia fn de un determinado armónico n se puede obtener la velocidad del sonido vs, tal como hemos visto en la actividad anterior. El ruido tiene un espectro continuo de frecuencias, y el tubo actúa como un filtro que selecciona sus frecuencias de resonancia, tal como se aprecia en la figura.
La señal recibida por el micrófono, se analiza en un ordenador, que determina las frecuencias correspondientes a los máximos de intensidad. Para determinar la velocidad del sonido en el aire para una temperatura t dada, se representa gráficamente las frecuencias de resonancia fn en función de n. La pendiente de la recta que mejor ajusta es vs/(2L). Conocido el valor de L=45 cm, se calcula la velocidad del sonido vs.
Una vez que disponemos de suficientes pares de datos, (temperatura en grados centígrados, velocidad del sonido), representamos los “datos experimentales” y observamos que se ajustan aproximadamente a la recta vs=331.4+0.61·t
Longitud de onda
Es la distancia real que recorre una perturbación (una onda) en un determinado intervalo de tiempo. Ese intervalo de tiempo es el transcurrido entre dos máximos consecutivos de alguna propiedad física de la onda. En el caso de las ondas electromagnéticas esa propiedad física (que varía en el tiempo produciendo una perturbación) puede ser, por ejemplo, su efecto eléctrico (su campo eléctrico) el cual, según avanza la onda, aumenta hasta un máximo, disminuye hasta anularse, cambia de signo para hacerse negativo llegando a un mínimo (máximo negativo). Después, aumenta hasta anularse, cambia de signo y se hace de nuevo máximo (positivo). Esta variación del efecto eléctrico en el tiempo, si la representamos en un papel, obtenemos "crestas" y "valles" (obtenemos una curva sinusoidal) pero la onda electromagnética no "tiene" crestas y valles.