Puro sonido.
Intensidad Tono Calidad
Sonido controlado
¡¡La m revis ejor ta pa ra un m ej sonid or o!!
Propagación del sonido
Editorial Acústica Mayo 2015.
Medio Fenó menos fí sicos que afectan a la propagació n del sonido Fenómenos relacionados con la refle xión
AGUA AIRE Alan Bracho. Angel Nelo. Patricia Mendoza. Samantha Lugo.
Propagación del sónido Una oscilación que se propaga en un medio (con velocidad finita) recibe el nombre de onda. Dependiendo del soporte para la propagación las ondas se clasifican en ondas electromagnéticas (no necesitan un medio físico para propagarse) y ondas mecánicas (necesitan un medio para propagarse), en cambio, dependiendo de la dirección en que vibran las moléculas se clasifican en ondas longitudinales (las moléculas se mueven en dirección paralela a la que se propaga la energía) y ondas transversales (son aquellas moléculas que se mueven en perpendicular a la dirección de la energía). El sonido es producido por el movimiento vibratorio de las moléculas de una sustancia elástica. La energía mecánica de propagación del sonido se absorbe en el medio por el cual se propaga, y que puede ser gaseoso, líquido o sólido. Se produce una variación en la intensidad del sonido, que es mayor o menor según el medio en el que se absorbe. Esta absorción se debe a la fricción de las ondas con el medio, y a su transformación en calor.
Medio
Podemos definir a un medio como un conjunto de osciladores capaces de entrar en vibración por la acción de una fuerza. El sonido se propaga de un lugar a otro, pero siempre lo hace a través de un medio material, como el aire, el agua o la madera. La velocidad de las hondas depende del medio en el que se propaguen. En el vacío por tanto el sonido no puede propagarse, porque no hay medio natural. Para que una onda sonora se propague en un medio, éste debe cumplir como mínimo tres condiciones fundamentales: ser elástico, tener masa e inercia. Las ondas sonoras no se propagan en el vacío, pero hay otras ondas, como las electromagnéticas, que sí lo hacen.
AIRE En el aire el sonido se propaga en forma de ondas longitudinales, es decir, el sentido de la oscilación coincide con el de la propagación de la onda y viaja a una velocidad de 340 metros por segundo. Cuando hablemos de un medio, y a no ser que se indique específicamente otra cosa, nos estaremos refiriendo al aire puesto que es el medio más usual en el que se realiza la propagación del sonido, en los actos comunicativos por medio de sistemas acústicos entre seres humanos, ya sea mediante el habla o la música. El sonido se propaga a través del medio en todas las direcciones y puede reflejarse en algunos objetos, cuando parte del sonido vuelve al lugar del que procede, se produce un fenómeno llamado eco.
El aire posee además otras características relevantes para la propagación del sonido:
• Propagación lineal, que quiere decir que diferentes ondas sonoras pueden propagarse por el mismo espacio al mismo tiempo sin afectarse mutuamente. • Un medio no dispersivo, por lo que las ondas se propagan a la misma velocidad independientemente de su frecuencia o amplitud. • Un medio homogéneo, de manera que el sonido se propaga esféricamente, es decir, en todas las direcciones, generando lo que se denomina un campo sonoro.
AGUA En el agua, los sonidos se propagan con mayor rapidez y menor pérdida de energía que en el aire; las ondas sonoras y ultrasonoras se transmiten en el agua a una velocidad entre 1.400 y 1.600 metros por segundo. Esto se debe a que el agua no se encuentra comprimida, es decir, no se puede reducir a un menor volumen, por lo que la absorción de las ondas sonoras es mínima, por el contrario en la atmósfera, los sonidos se absorben a distancias muy cortas. Por ejemplo: es notable la diferencia de volumen del sonido cuando se golpean entre sí dos objetos ya sea en el aire o dentro del agua. También podemos observar que al introducir la cabeza en el agua, oímos claramente sonidos que en realidad se encuentran muy lejos; como por ejemplo los motores de los barcos.
En general Hasta ahora hemos hablado de ondas propagándose en un medio, es decir ondas viajeras. Las ondas estacionarias son el resultado de la interferencia de dos ondas viajeras iguales propagándose en direcciones contrarias. Por ejemplo, una onda que llega perpendicularmente a una pared y se refleja sobre sí misma. La característica de las ondas estacionarias es que se generan puntos (eventualmente líneas o planos) en los cuales la amplitud de oscilación es siempre cero (nodos) y otros en los que es siempre máxima (antinodos o vientres). 11 La distancia entre dos nodos será la mitad de la longitud de onda de la onda estacionaria ( / 2). Dada una frecuencia que genera una onda estacionaria, los múltiplos de dicha frecuencia (es decir los armónicos) también producirán ondas estacionarias. El orden del armónico determinará la cantidad de nodos que se producen. Por ejemplo, el primer armónico generará un nodo, el segundo dos y así sucesivamente. Las ondas estacionarias son relevantes en el funcionamiento de los instrumentos musicales (las cuerdas, las columnas de aire encerradas en un tubo). El sonido es la sensación percibida por medio del oído; pero, en física, tiene un significado más amplio: sonido es la propagación de la energía a través de la materia en forma de ondas longitudinales. El sonido también está relacionado con la vibración de los cuerpos; por ejemplo: cuando vibra una cuerda tensa, una campana o un diapasón, se producen ondas sonoras que se propagan en el aire hasta el oído, creando una sensación auditiva. Las ondas sonoras transportan la energía sonora mediante variaciones en la presión del aire respecto a la presión atmosférica. Cuando un cuerpo vibra produce compresiones y expansiones en las capas sucesivas del aire que lo rodea. En las compresiones (condensaciones) la presión del aire se incrementa y en las expansiones (rarefacciones) disminuye. Cuando una molécula de aire es alcanzada por una onda de compresiones y expansiones, se mueve hacia atrás y hacia adelante dentro de la zona alrededor de un punto de equilibrio, pero no viaja con la onda. Estas variaciones de presión se difunden en forma de ondas longitudinales y al llegar a las partículas de aire situadas delante del tímpano del oído, originan sensaciones auditivas. 12 Cuando se produce un sonido tarda unos instantes en llegar al oído, cotidianamente no nos damos cuenta pero un claro ejemplo lo tenemos al observar un relámpago producido a una distancia lejana, notaríamos que el sonido tarda en ser escuchado. Esto se debe a que la luz se propaga a 300 000 km/s, mientras que el sonido a 1 240 km/h, si el aire tiene 20º C. La velocidad del sonido puede determinarse midiendo el tiempo requerido por las ondas para difundirse a través de una distancia conocida. Velocidad del sonido Sustancias a 20° m/s km/h Aire 344 1 240 Agua 1 460 5 260 Agua de mar 1 522 5 480 Acero 5 941 18 000 En general, la velocidad a la cual se irradia el sonido a través de un medio depende de la elasticidad de éste. En un material altamente elástico, las fuerzas de restitución de los átomos o de las moléculas causan que una perturbación se propague con más rapidez. Así, la velocidad del sonido es mayor en sólidos que en líquidos y en éstos, superior que en los gases. La velocidad del sonido depende de la temperatura del medio. A medida que ésta aumenta se incrementa la agitación térmica molecular. Como resultado, una perturbación se propaga con mayor rapidez. Así, la velocidad del sonido en el aire aumenta con la intensificación de temperatura .
Las caracterĂsticas de un sonido pueden resumirse en tres propiedades:
Intensidad
Tono
Calidad (timbre)
Intensidad
Intensidad: nos permite percibir un sonido como "débil" o "fuerte"; está relacionada con la cantidad de energía que se transfiere mediante ondas sonoras; por ejemplo: cuando se pulsa una cuerda de una guitarra, se transfiere energía que se propaga en el aire mediante ondas longitudinales. Cuanto mayor es la cantidad de energía que se propaga, mayor es la intensidad del sonido percibido. La cantidad de energía que transporta una onda es mayor cuanto mayor es la amplitud: si se pulsa ligeramente la cuerda de guitarra, la amplitud de la oscilación es pequeña y se produce un sonido de baja intensidad. En cambio, si se pulsa con más fuerza la amplitud de la oscilación de la cuerda es mayor produciéndose una sonido más intenso. En síntesis, la intensidad del sonido es mayor cuanto mayor sea la amplitud de las ondas sonoras. La intensidad de sonido se define como la energía que transporta una onda por unidad de tiempo a través de la unidad de área. Ya que energía por unidad de tiempo es la potencia, la intensidad tiene las unidades de potencia por unidad de área. Sin embargo, la percepción de la intensidad del sonido en el ser humano es subjetiva y no guarda proporción directa con la cantidad física intensidad; por ejemplo: para producir un sonido cuya intensidad parezca el doble, se necesita una onda sonora que sea 10 veces más intensa. Debido a esta razón, se acostumbra especificar los niveles de intensidad del sonido con una escala relativa cuya unidad es el decibelio.
Tono
permite distinguir los sonidos bajos (graves) de los sonidos altos (agudos) y estĂĄ relacionado con la frecuencia de la vibraciĂłn: mientras mayor es la frecuencia, mĂĄs agudo es el sonido. Los mĂşsicos relacionan los diferentes tonos con las notas musicales; dos notas distintas se diferencian por el tono.
Calidad (timbre)
se relaciona con la forma de la onda sonora, permite identificar sonidos emitidos por diferentes instrumentos. Gracias a ella se puede identificar el sonido de una flauta, piano o violín aun cuando emitan la misma nota. Sonoridad es la percepción subjetiva de la magnitud de una sensación sonora y toma en cuenta aspectos psicológicos del sonido que no guardan relación directa con la intensidad medida en decibelios. No obstante, los científicos (fisiólogos y físicos) han definido una unidad de sonoridad con el fin de estudiar los efectos que produce el sonido en el ser humano, el sone, que se define como la sonoridad percibida por una persona con audición normal cuando recibe en ambos oídos un sonido de 1 000 Hz y 40 dB de intensidad. Un sonido viaja en el aire por medio de ondas longitudinales, osea trasmite la energía de las ondas sonoras en el aire. Sin embargo, cuando esa energía sonora interacciona con otros materiales (sólidos o líquidos) que se encuentran en su camino, parte de la energía sonora se trasmite a través de los materiales, otra se absorbe en ellos y una más se refleja en los materiales. La proporción en que estos fenómenos ocurren depende del material con el que interacciona la energía. En los materiales blandos, como telas y alfombras, las partículas que los constituyen están muy separadas entre sí. Cuando la energía sonora choca en su contra, éstas se mueven fácilmente absorbiendo la mayor parte de la energía sonora que se transforma en energía térmica. En materiales rígidos y de superficies lisas, como paredes o recubrimientos de cerámica, las partículas están muy cercanas. Cuando la energía sonora se impacta contra ellas, no se pueden alejar mucho unas de otras, regresan rápidamente a su posición original y reflejan gran parte de 15 la energía sonora. Esto da lugar a fenómenos acústicos como el eco y la reverberación. La percepción del sonido tiene lugar en el órgano auditivo, sensible a los ligeros cambios de presión originados por las vibraciones mecánicas de las ondas sonoras.
Oído externo:
Las ondas sonoras penetran por él haciendo vibrar la membrana del tímpano. Oído medio: en él las vibraciones pasan por tres pequeños huesos: martillo, yunque y estribo, que amplifican las vibraciones y las trasmiten al oído interno.
Oído interno:
en él un órgano llamado caracol convierte las vibraciones en mensajes eléctricos, que son llevados por el nervio auditivo al cerebro, en el cual se percibe la sensación como sonido.
Fenómenos físicos que afectan a la propagación del sonido
Reflexión Una onda cuando topa con un obstáculo que no puede traspasar se refleja (vuelve al medio del cual proviene). Una onda se refleja (rebota al medio del cual proviene) cuando topa con un obstáculo que no puede traspasar ni rodear.
El tamaño del obstáculo y la longitud de onda determinan si una onda rodea el obstáculo o se refleja en la dirección de la que provenía. Si el obstáculo es pequeño en relación con la longitud de onda, el sonido lo rodeara (difracción), en cambio, si sucede lo contrario, el sonido se refleja (reflexión). Si la onda se refleja, el ángulo de la onda reflejada es igual al ángulo de la onda incidente, de modo que si una onda sonora incide perpendicularmente sobre la superficie reflejante, vuelve sobre sí misma. La reflexión no actúa igual sobre las altas frecuencias que sobre las bajas. Lo que se debe a que la longitud de onda de las bajas frecuencias es muy grande (pueden alcanzar los 18 metros), por lo que son capaces de rodear la mayoría de obstáculos. En acústica esta propiedad de las ondas es sobradamente conocida y aprovechada. No sólo para aislar, sino también para dirigir el sonido hacia el auditorio mediante placas reflectoras (reflectores y tornavoces).
La línea amarilla es el sonido directo, las otras líneas son algunas de las primeras reflexiones.
Fenómenos relacionados con la reflexión
Las ondas estacionarias. Una onda estacionaria se produce por la suma de una onda y su onda reflejada sobre un mismo eje. Dependiendo como coincidan las fases de la onda incidente y de la reflejada, se producirá una modificacion del sonido (aumenta la amplitud o disminuye), por lo que el sonido resultante puede ser desagradable. En determinadas circunstancias, la onda estacionaria puede hacer que la sala entre en resonancia. El e co. La señal acústica original se ha extinguido, pero aún nos es devuelto sonido en forma de onda reflejada. El eco se explica por que la onda reflejada nos llega en un tiempo superior al de la persistencia acústica. La r eve r b e r a ci ón . Se produce reverberación cuando las ondas reflejadas llegan al oyente antes de la extinción de la onda directa, es decir, en un tiempo menor que el de persistencia acústica del oído.
Absorción
Cuando una onda sonora alcanza una superficie, la mayor parte de su energía se refleja, pero un porcentaje de ésta es absorbida por el nuevo medio. Todos los medios absorben un porcentaje de energía que propagan, ninguno es completamente opaco. En relación con la absorción ha de tenerse en cuenta: El coeficiente de absorción que indica la cantidad de sonido que absorbe una superficie en relación con la incidente. La frecuencia crítica es la frecuencia a partir de la cual una pared rígida empieza a absorber parte de la energía de las ondas incidentes.
Tipos de materiales en cuanto a su absorción
Ma t er ia les r es ona nt e s , que presentan la máxima absorción a una frecuencia determinada: la propia frecuencia del material. Mat e r ia les p or o so s , que absorben más sonido a medida de que aumenta la frecuencia. Es decir, absorben con mayor eficacia las altas frecuencias (los agudos). Por ejemplo: la espuma acústica. A bs o rb ent es en fo r m a d e pa nel o m e m br a na absorben con mayor eficacia las bajas frecuencias (los graves), que las altas. A b so rb e nt e Hel mho ltz Es un tipo de absorbente creado artificialmente que elimina específicamente unas determinadas frecuencias.
Transmisión En muchos obstáculos planos (los separados de los edificios) una parte de la energía se transmite al otro lado del obstáculo. La suma de la energía reflejada, absorbida y transmitida es igual a la energía sonora incidente (original).
Refracción
Es la desviación que sufren las ondas en la dirección de su propagación, cuando el sonido pasa de un medio a otro diferente. La refracción se debe a que al cambiar de medio, cambia la velocidad de propagación del sonido. C1, es el sonido incidente; C2, el refractado
A diferencia de lo que ocurre en el fenómeno de la reflexión en la refracción, el ángulo de refracción ya no es igual al de incidencia. La refracción se debe a que al cambiar de medio, cambia la velocidad de propagación del sonido. La refracción también puede producirse dentro de un mismo medio, cuando las características de este no son homogéneas, por ejemplo, cuando de un punto a otro de un medio aumenta o disminuye la temperatura. Ejemplo: Sobre una superficie nevada, el sonido es capaz de desplazarse atravesando grandes distancias. Esto es posible gracias a las refracciones producidas bajo la nieve, que no es medio uniforme. Cada capa de nieve tiene una temperatura diferente. Las más profundas, donde no llega el sol, están más frías que las superficiales. En estas capas más frías próximas al suelo, el sonido se propaga con menor velocidad.
Difracción o dispersión
Se llama difracción al fenómeno que ocurre cuando el sonido, ante determinados obstáculos o aperturas, en lugar de seguir la propagación en la dirección normal, se dispersa. La explicación la encontramos en el Principio de Huygens que establece que cualquier punto de un frente de ondas es susceptible de convertirse en un nuevo foco emisor de ondas idénticas a la que lo originó. De acuerdo con este principio, cuando la onda incide sobre una abertura o un obstáculo que impide su propagación, todos los puntos de su plano se convierten en fuentes secundarias de ondas, emitiendo nuevas ondas, denominadas ondas difractadas. La difracción se puede producir por dos motivos diferentes: porque una onda sonora encuentra a su paso un pequeño obstáculo y lo rodea. Las bajas frecuencias son más capaces de rodear los obstáculos que las altas. Esto es posible porque las longitudes de onda en el espectro audible están entre 3 cm y 12 m, por lo que son lo suficientemente grandes para superar la mayor parte de los obstáculos que encuentran, porque una onda sonora topa con un pequeño agujero y lo atraviesa. La cantidad de difracción estará dada en función del tamaño de la propia abertura y de la longitud de onda. Si una abertura es grande en comparación con la longitud de onda, el efecto de la difracción es pequeño. La onda se propaga en líneas rectas o rayos, como la luz. Cuando el tamaño de la abertura es considerable en comparación con la longitud de onda, los efectos de la difracción son grandes y el sonido se comporta como si fuese una luz que procede de una fuente puntual localizada en la abertura.
En la ilustración, la línea azul representa la difracción; la verde, la reflexión y la marrón, refracción.