El oído y la sensación auditiva

Sonido y sensación auditiva
2do Medio > Física
Sonido y sensación auditiva
Percepción Humana del Sonido
Piensa y explica:
Los ultrasonidos y los infrasonidos son ondas sonoras que el ser humano es
incapaz de percibir. Los ultrasonidos son ondas sonoras de alta frecuencia que
utilizan, por ejemplo, los delfines y los murciélagos para orientarse y comunicarse.
Gracias a la propiedad de reflexión, los ultrasonidos son utilizados en medicina
para visualizar órganos internos y fetos mediante ecografías. Los infrasonidos
también son ondas sonoras, pero de baja frecuencia, utilizado en la comunicación
de animales grandes, como los elefantes. También los infrasonidos son generados
en fenómenos naturales como erupciones volcánicas, tornados y terremotos.
Camila y Francisco se encuentran en el patio de su colegio, cuando éste último le
pregunta:
…La cóclea es una
¿?... no estoy
estructuta con forma
segura…
de caracol situada en
¿Por qué no
el oído interno, que
somos capaces
transforma
las
de
oír
los
vibraciones
mecánicas
ultrasonidos y
en impusos eléctricos
los infrasonidos?
nerviosos que son
dirigidos al cerebro.
¿Qué sabes o piensas tú?
Escribe aquí tu predicción.
Consúltalo:
Investiga en internet
sobre el concepto de
contaminación
acústica y los niveles
establecidos en la
norma chilena sobre
dosis diarias de ruido.
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Sonido y sensación auditiva
Red conceptual
A continuación te presentamos una red conceptual donde se muestran los principales conceptos que
estudiaremos a los largo de este módulo.
¿Qué reforzaré?
Este módulo tiene como objetivo sintetizar y reforzar los elementos conceptuales
relacionados con la capacidad del sistema auditivo del ser humano y las variables
físicas del sonido.
Características de las ondas
Recordemos que el sonido es una onda que se propaga tanto por el espacio (a través de un medio
material) como por el tiempo. Las ondas de todo tipo tienen características que las hacen distintas unas de
otras, como por ejemplo, su frecuencia, amplitud
y longitud de onda. Como sabes, también las
ondas tienen
naturaleza
transversal
y
longitudinal, característica que nos dice en qué
dirección oscilan las partículas del medio con
respecto a su dirección de movimiento; si es en la
misma dirección se dice que la onda es
longitudinal, mientras que si es perpendicular la
onda será transversal. A través de la figura de la
derecha, fíjate como cambia de aspecto una onda transversal respecto a otra longitudinal cambiando la
dirección de oscilación de la mano.
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Sonido y sensación auditiva
Amplitud y rapidez de una onda
La representación más sencilla de una onda la podemos hacer a través del análisis descriptivo de un
movimiento armónico simple (M.A.S.) de un objeto que oscila por
medio de un resorte, sin embargo, su estudio analítico está fuera del
alcance de este módulo.
Al colgar un cuerpo en el extremo de un resorte ideal, éste comenzará
a oscilar indefinidamente en dirección vertical a través de una posición
de equilibro (que corresponde al eje X de la figura derecha). Este
movimiento oscilatorio -de sube y baja- en el tiempo se le conoce
como movimiento armónico simple. Si pudiéramos amarrar un
marcador o lápiz (en vez de un cuerpo cualquiera) en el extremo del
resorte y además hacemos correr una cinta de papel por detrás con
una rapidez constante de manera que el lápiz raye el papel mientras oscile, en éste quedará registrado una
onda transversal, tal como lo puedes ver en la imagen superior. Podemos aventurarnos en decir que se
trata de una onda transversal, porque el lápiz oscila perpendicular al movimiento de propagación de la
onda registrada.
Si te fijas en la parte A de la figura inferior, se le ha conectado a un resorte un cuerpo en uno de sus
extremos. Si se tira hacia abajo levemente el cuerpo desde su posición de equilibrio (eje horizontal) y luego
lo
soltamos,
éste
comenzará a oscilar
indefinidamente
alrededor
de
su
posición de equilibrio.
La elongación máxima
de resorte justo antes
de soltar el cuerpo se
denomina amplitud de
oscilación.
Dicha
amplitud tiene unidad
de medida de longitud y
su valor es constante en
el tiempo para el caso de un resorte ideal. Si en vez de estirar el cuerpo hacia abajo levemente, ocupamos
más energía y lo hacemos produciendo un gran estiramiento (onda B), la amplitud de la onda generada será
mayor. De esto se concluye que, la energía de una onda sonora tiene directa relación con su amplitud;
mientras mayor es la amplitud de onda, mayor será la energía de esta (onda A). Las partes más altas de la
onda se denominan crestas y las partes más bajas se denominan valles. La distancia entre dos crestas o dos
valles, o bien, dos puntos consecutivos de la onda se denomina longitud de onda    . Una oscilación será
lenta o rápida en virtud de otra característica denominada frecuencia de onda
f
medida en Hertz (Hz),
que se define como el número de oscilaciones de la onda por segundo de tiempo.
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Lo que tarda la onda en completar un ciclo u oscilación se denomina período de onda T  y se mide en
segundos. La frecuencia y el período se relacionan
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matemáticamente de la siguiente forma f  .
T
La imagen de la izquierda muestra una onda
generada por un oscilador armónico (cuerpo
amarrado a un resorte) y en ella se destacan la
amplitud y la longitud de onda. En el análisis
anterior hablábamos de una oscilación lenta o
rápida y la asociamos a una característica
elemental denominada frecuencia. Podríamos
decir que la frecuencia mide una rapidez con que
vibra la fuente, sin embargo no es una rapidez de
propagación. La rapidez de propagación debe
obtenerse como la razón entre una distancia
recorrida y un intervalo de tiempo. Ya conocemos
una variable relacionada con la distancia llamada longitud de onda como también otra variable relacionada
con el tiempo, denominado período, pues la rapidez de onda puede definirse a través del cociente de estas
dos variables mencionadas, de manera que:
v

T
Al reemplazar el período como una función de la frecuencia de onda, la rapidez de onda puede también
quedar expresada como:
vf
De esta forma, es posible calcular la rapidez de onda como el producto de la longitud de onda (medida en
metros) y su frecuencia medida en Hertz s 1 .
 
Tenlo presente
En la naturaleza es muy difícil encontrar ondas mecánicas
netamente longitudinales o netamente transversales. Por ejemplo,
a priori podríamos suponer que en la superficie del mar las olas son
ondas transversales, porque se aprecia que un objeto en su
superficie (por ejemplo un bote) sube y baja. Sin embargo, las
partículas de agua (y de cualquier líquido) oscilan formando
circunferencias, por lo tanto el bote flota describiendo círculos. En
materiales sólidos las partículas oscilan elípticamente, por ejemplo,
las ondas telúricas que se propagan a través de las rocas.
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Sonido y sensación auditiva
El oído y la sensación auditiva
El mecanismo de la audición humana es básicamente un transductor electromecánico que recolecta las
ondas sonoras (mecánicas) con el pabellón auditivo y las conduce por un canal (oído externo), hasta un
sistema de amplificación mecánica (oído medio) y luego de amplificarlas las convierte en una señal eléctrica
(oído interno) que viaja hacia el cerebro donde se produce la sensación de audición. La sensación humana
es compleja y particular. Sin embargo se pueden distinguir características generales y asociarlas a variables
físicas, como se describirá brevemente a continuación.
El oído humano promedio es capaz de identificar ondas sonoras cuyas frecuencias están en el rango de 2020.000Hz. Los sonidos de frecuencias inferiores a 20 Hz se denominan infrasonidos, mientras que los
superiores a los 20000 Hz se denominan
ultrasonidos. La sensación humana es
llamada tono y distingue como graves
sonidos de frecuencias bajas y como
agudos a los sonidos de frecuencias
altas.
Otra sensación humana relacionada
directamente con la amplitud de onda
(entre otros parámetros) es el volumen,
asociado a la magnitud física de la
intensidad. A mayor intensidad mayor
volumen y viceversa.
La respuesta del oído humano a la
intensidad depende de la frecuencia de
la onda, siendo muy sensible
aproximadamente a 1000Hz. Un tono
puro de esta frecuencia puede ser
percibido por el oído humano promedio
si su intensidad es de aproximadamente
w
1012 2 (umbral de audición).
m
w
En cambio, cuando la intensidad es del orden de 1 2 produce dolor (umbral del dolor).
m
Un decibelímetro (como el de la figura) es el instrumento que se utiliza
para medir el nivel de intensidad sonora en el ambiente. Lleva ese
nombre por la unidad de medida del nivel de intensidad sonora es el
decibelio (dB)
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Sonido y sensación auditiva
Aprende a calcular el nivel de intensidad sonoro (NIS)
Debido al amplio rango de intensidades a las que el oído responde, no es conveniente hacer una escala
lineal, pues quedaría muy extensa. Por esa razón se hace más conveniente definir una escala logarítmica.
Por convención se ha definido una magnitud denominada Nivel de Intensidad Sonora (NIS) cuya unidad es
el decibel (dB). La fórmula que se utiliza para determinar el NIS de una fuente sonora viene dada por:
NIS  10log
I
 dB
I0
w

En esta expresión, I 0 es una intensidad de referencia 1012 2  , que representa el valor mínimo de la
m 

intensidad que puede excitar al oído a una frecuencia de 1000Hz. Usando una calculadora podemos
verificar el rango sonoro mínimo audible por el oído humano:
NIS  10log
1012
 10log(1)  0  dB
1012
w
equivale a la máxima intensidad que el oído puede captar sin sufrir dolor o daño.
m2
Calculando, el NIS equivalente corresponde a:
Mientras que, 1
NIS  10log
1
100

10log
 120  dB
1012
1012
Como puedes ver, esta definición nos permite manejar el nivel de la intensidad de señales acústicas de
manera intuitiva y con facilidad, siendo 0 (dB) es el nivel de intensidad sonoro mínimo que puede ser
detectada por el oído humano, mientras que 120 (dB) es el nivel de intensidad sonoro máximo audible
antes de generar dolor o daño al oído.
Navegación por sonidos: El sonar.
El sonar (sound navigation and ranging) es un instrumento que se basa en
la propiedad de reflexión de ultrasonidos. El sonar se utiliza en la
navegación marítima para localizar cardúmenes, objetos hundidos y medir
profundidades. Gracias al sonar se puede construir mapas del relieve del
fondo oceánico.
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Sonido y sensación auditiva
Organizador gráfico de síntesis
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Sonido y sensación auditiva
Actividad Nº1
Contrasta y responde:
¿Te acuerdas de la pregunta de Francisco a Camila? Construye una nueva respuesta y compárala con tu
predicción inicial en el cuadro siguiente.
¿Por qué no somos capaces de oír los infrasonidos y los ultrasonidos?
Actividad Nº2
Contrasta y responde:
Un transductor acústico es un artefacto que trasforma la energía eléctrica en sonidos de alta frecuencia. Los
transductores se utilizan en medicina para hacer ecografías. Son capaces de producir sonidos de 5,5 MHz.
¿Cuál será longitud de onda de este ultrasonido en el aire y en abdomen de una embarazada suponiendo
que es prácticamente agua?
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Sonido y sensación auditiva
Actividad Nº3
Calcula y completa:
Completa los casilleros en blanco según corresponda utilizando la expresión NIS  10log
Fuente.
Intensidad
wm 
2
Umbral de audición.
(UDA)
Hojas.
Murmullo de voces.
Nº de veces mayor que el
UDA
0
0
1011
10
101
1010
20
106
Calle con alto tránsito.
105
Limpiador al vacío.
104
6,3*103
MP3 al máximo nivel.
102
Filas delanteras de
concierto de rock.
101
Umbral del dolor.
 dB 
1012
Conversación normal.
Orquesta grande.
NIS
I
 dB
I0
60
106
98
109,8
1012
1012
101
Despegue de un Jet militar.
10 2
Perforación instantánea
del tímpano.
10 4
1012
1012
1012
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