Slide 1 / 54 Sonido Características del sonido Velocidad del Sonido in diferentes materiales o (20 C y 1 atm) Velocidad (m/s) Slide 2 / 54 El sonido puede viajar a través de cualquier tipo de materia, pero no a través de un vacío. Aire o Aire (0 ) Helio Hidrógeno Agua agua de mar hiero y metal vidrio aluminio madera dura cemento La Velocidad del sonido es diferente en materiales diferentes, en general, es más lento en Gases , más rápido en líquidos , y lo más rápido en sólidos . La velocidad depende un poco de la Temperatura , especialmente para los gases. Características del sonido Volumen : en relación con la Intensidad de la onda de sonido (como aumenta el volumen, la amplitud de las ondas aumenta) Tono: En relación con la Frecuencia . Rango audible : Alrededor de 20Hz a 20.000Hz; el límite superior disminuye con la edad. Ultrasonido : Por encima de 20.000Hz; véa la cámara de ultrasonido abajo Infrasonido: Por debajo de 20Hz Slide 3 / 54 Intensidad de sonido: Decibelios Intensidad de diferentes sonidos Fuente del Sonido Nivel del Sonido (dB) Intensidad 2 (W/m ) Avión de reacción a 30m Umbral de dolor Concierto de rock Slide 4 / 54 La Intensidad de una onda es la energía transportada por unidad de Tiempo a través de una unidad de area. Sirena a 30m El oído humano puede detectar sonidos con una intensidad tan bajo como de 10-12 W/m2 y tan alto como de 1 W/m 2. Interior del auto a 90km/h Calle con Trafico Hablando a 50cm Un Radio susurros El crujido de la hojas Umbral del oído El volumen percibido, sin embargo, no es proporcional a la intensidad. Intensidad de sonido: Decibelios Slide 5 / 54 Un aumento en el nivel del sonido por 3dB, que duplica la intensidad, es un pequeño cambio en el sonido. En áreas abiertas, la Intensidad del sonido disminuye con la distancia: Sin embargo, en espacios cerrados esto se complica por las reflexiones , y si el sonido viaja a través del aire las frecuencias mayores son preferencialmente absorbidas . El oído y su respuestas; sonoridad Estribo Círculos semicircular Yunque Cráneo Martillo Nervio Auditivo (al cerebro) Cóclea Tubo Eustichian Tímpano Ventana Redonda Ventana Oval Lóbulo externa Slide 6 / 54 El oído y su respuesta; sonoridad Slide 7 / 54 Oído externo : Las ondas sonoras viajan a través del canal del oído al tímpano, que vibra en respuesta Oído medio : martillo , yunque , y estribo transfieren las vibraciones al oído interno Oído interno : la cóclea transforma la energía de vibración a energía eléctrica y envía señales al cerebro El oído y su respuesta; sonoridad Slide 8 / 54 La sensibilidad del oído varía de acuerdo con la frecuencia . Intensidad en decibeles Estas curvas traducen la intensidad al nivel del sonido en diferentes frecuencias. Frecuencia (Hz) Las Fuentes de sonido: Cuerdas vibrantes y columnas de aire Instrumentos musicales producen sonidos en diferentes formas - vibración de cuerdas , vibración de membranas , vibración de metal o madera , vibración de columnas de aire. La vibración puede ser iniciada por la acción de punteo, soplar, o tocar. Las vibraciones se transmiten por el aire y luego a nuestros oídos. Slide 9 / 54 Las fuentes de sonido: cuerdas vibrantes y columnas de aire Slide 10 / 54 Las cuerdas de una guitarra pueden acortados por los dedos, aumentando el tono fundamental. El tono de una cuerda con longitud dada puede ser alterado mediante el uso de una cuerda con diferente densidad. Las fuentes de sonido: Cuerdas vibrantes y columnas de aire Slide 11 / 54 Un piano utiliza ambos métodos para cubrir su rango de más de sieteoctavas- las cuerdas bajas (al inferior) son más largas y más gruesas que las cuerdas altas. Las fuentes de sonido: Cuerdas vibrantes y columnas de aire Instrumentos de viento crean sonido a través de ondas estacionarias en una columna de aire. Slide 12 / 54 Las fuentes de sonido: Cuerdas vibrantes y columnas de aire Slide 13 / 54 Un tubo abierto en ambos extremos (mayoría de los instrumentos de viento) tiene nodos de presión , y por lo tanto antinodos de desplazamiento, en los extremos. Tubo abierto en los extremos Variación de presión en el aire Desplazamiento del aire Nodo antinodo primer armónico = fundamental Nodo antinodo Nodo (movimiento de moléculas de aire) armónico 2 Sobretonos armónico 3 Las fuentes de sonido: Cuerdas vibrantes y columnas de aire Slide 14 / 54 Un tubo abierto tiene la misma estructura armónica como una cuerda. Variación de presión en el aire Nodo Nodo antinodo Fundamental o primer armónico Primer sobretono o segundo armónico Segundo sobretono o tercer armónico Las fuentes de sonido: tubos abiertos L L l1 l1 = 2L; ln= 2L/n 2L, L, 2L/3, L/2 ,..... v = lf fn= nf1; n = 1, 2, 3, ... f1, 2f1, 3f1, ... Slide 15 / 54 Slide 16 / 54 1 Una onda de sonora resuena en un tubo de 2m de longitud con los dos extremos abiertos. ¿Cuál es la longitud de onda de la frecuencia de resonancia mas baja del tubo? A 1m B 1,5m C 2m D 4m E 8m Slide 17 / 54 2 Una onda de sonora resuena en un tubo de 2m de longitud con los dos extremos abiertos. ¿Cuál es el frecuencia de resonancia mas bajo del tubo si la velocidad del sonido en el aire es 340m/s? Las fuentes de sonido: Cuerdas vibrantes y columnas de aire Un tubo cerrado en un extremo (órgano de tubos) tiene un nodo de desplazamiento (y antinodo de presión) en el extremo cerrado. Desplazamiento del aire Tubo Cerrado en un Extremo primer armónico = fundamental armónico 2 armónico 3 Sobretonos Variación de presión en el aire Slide 18 / 54 Las fuentes de sonido: tubos cerrados L L L Slide 19 / 54 L l1 l1 = 4L; ln= 4L/n n = 1, 3, 5, ... 4L, 4L/3, 4L/5, ... v = lf fn= nf 1;n = 1, 3, 5, ... f 1, 3f1, 5f1, ... Slide 20 / 54 3 Una onda de sonora resuena en un tubo de 2 m de longitud con un extremo abierto. ¿Cuál es la longitud de onda de la frecuencia de resonancia más bajo del tubo? A 1m B 1,5m C 2m D 4m E 8m Slide 21 / 54 4 Una onda de sonido resuena en un tubo de 2m de longitud con un extremo abierto. ¿Cuál es la frecuencia de resonancia mas baja del tubo si la velocidad del sonido en el aire es 340 m/s? Slide 22 / 54 5 Una onda de sonido resuena en un tubo de 2m de longitud con un extremo abierto. ¿Cuál es la siguiente frecuencia de resonancia mas baja del tubo si la velocidad del sonido en el aire es 340 m/s? Slide 23 / 54 Calidad de sonido y ruido; superposición Entonces ¿por qué una trompeta suena diferente en comparación a una flauta? La respuesta se encuentra en los sobretonos cuáles su presencia, y fuerza hacen una gran diferencia. Frecuencia Piano Frecuencia Amplitud relativa Clarinete Amplitud relativa Amplitud relativa La siguiente gráfica muestra espectros de frecuencia de un clarinete , un piano , y un violín . Las diferencias en la fuerza de armónicos son evidentes. Violín Frecuencia Resolución de problemas: Tubos abiertos y cerrados 1. Tenga en cuenta si el tubo está abierto o cerrado. 2. Determina l1, 2L para tubos abiertos, 4L para tubos cerrados. 3. Usa v para determinar f1. 4. Para tubos abiertos, los armónicos son múltiples de f1. 5. Para tubos cerrados, los armónicos son múltiples impares de f1 . Slide 24 / 54 Interferencias; Principio de superposición Slide 25 / 54 Estas diagramas muestran la suma de dos ondas. En (a) se suman de manera constructiva , en (b) se suman destructivamente, Y en (c) se suman parcialmente destructiva . Slide 26 / 54 interferencia Si dos fuentes emiten la misma longitud de onda de sonido, y viajan la misma distancia al oyente, ellos se sumaran; interferencia constructiva. l Oyente Slide 27 / 54 interferencia Si dos fuentes emiten la misma longitud de onda de sonido, y la longitud del camino para el oyente tiene una diferencia por 1/2l, se interfieren destructivamente; si las amplitudes son iguales se cancelaran y el sonido no se oirá. l l/2 Oyente Slide 28 / 54 interferencia Cualquier múltiple impar de 1/2l resulta en una interferencia destructiva. l Oyente 3l/2 Slide 29 / 54 interferencia Si dos fuentes emiten la misma longitud de onda de sonido, y la longitud del camino para el oyente es diferente por l, se interfieren constructivamente; el sonido combinado será más fuerte. l Oyente l Slide 30 / 54 interferencia Si dos fuentes emiten la misma longitud de onda de sonido, y la longitud del camino para el oyente es diferente por l, se interfieren constructivamente, el sonido combinado será más fuerte. Esto es el caso para todos los múltiples enteros de l. l Oyente l La interferencia de las ondas sonoras Slide 31 / 54 Las ondas de sonido interfieren en la misma manera que otras ondas en el espacio. La interferencia de las ondas sonoras Slide 32 / 54 Interferencia constructiva ocurre cuando dos crestas se encuentran y interferencia destructiva ocurre cuando una cresta y un valle se encuentran. Esto significa que cuando un oyente se ubica donde interferencia constructiva ocurre, habrá un punto fuerte . Y cuando un oyente se encuentra donde la interferencia destructiva ocurre, habrá un sonido ligero o ninguna. La interferencia de las ondas sonoras L punto fuerte d θ1 θ2 punto fuerte punto fuerte punto fuerte punto fuerte no hay sonido no hay sonido no hay sonido no hay sonido Se puede ver que las interferencias alternan entre puntos fuertes y puntos sin sonidos. Slide 33 / 54 La interferencia de las ondas sonoras Slide 34 / 54 L punto fuerte d θ1 θ2 punto fuerte punto fuerte punto fuerte punto fuerte no hay sonido no hay sonido no hay sonido no hay sonido Un patrón de interferencia constructiva es dado por: dsin# = m# Un patrón de interferencia destructiva es dado por: d sin# = (m + ½)# Donde m se llama el orden de las franjas de interferencia. Slide 35 / 54 6 Dos altavoces separados por una distancia de 2m son colocados a una distancia de 5m desde la pared. Los altavoces generan un sonido con una frecuencia de 1500Hz. ¿Cuál es la longitud de onda de la onda de sonido? Slide 36 / 54 7 Dos altavoces separados por una distancia de 2m son colocados a una distancia de 5m desde la pared. Los altavoces generan un sonido con una frecuencia de 1500Hz. ¿Cuál es el desplazamiento angular entre el máximo central y el máximo del primer orden? Slide 37 / 54 8 Dos altavoces separados por una distancia de 2m son colocados a una distancia de 5m desde la pared. Los altavoces generan un sonido con una frecuencia de 1500Hz. ¿Cuál es la distancia entre el máximo central y el primer lugar donde un oyente no detecta sonido? La interferencia de las ondas sonoras; Batimiento Slide 38 / 54 Las ondas también pueden interferir en tiempo , causando un fenómeno conocido como batimiento. Los batimientos son lentos "sobres" alrededor de dos ondas que están relativamente cerca en frecuencia. En general, la frecuencia del batimiento es la Diferencia en frecuencias de dos ondas. Periodo de Batimiento Slide 39 / 54 9 Dos diapasones producen dos frecuencias de 500Hz y 450Hz. ¿Cuál es la frecuencia del batimiento? Slide 40 / 54 Efecto Doppler El Efecto Doppler se produce cuando una fuente de sonido está movimiento con respecto a un observador . En reposo En movimiento Slide 41 / 54 Efecto Doppler Como se puede ver en la imagen anterior, una fuente en movimiento hacia un observador tiene una frecuencia mayor y una longitud más corta de onda; lo opuesto es cierto cuando una fuente se mueve a lo lejos de un observador. Slide 42 / 54 Efecto Doppler Si el observador se está moviendo con respecto a la fuente, las cosas son un poco diferentes. La Longitud de onda sigue siendo el mismo, pero la Velocidad de la onda es diferente para el observador. Sin embargo, el efecto es el mismo. La frecuencia observada aumenta a medida que van hacia una fuente de sonido, y disminuye si te alejas de una. Observador Fuente Vfuente Efecto Doppler Slide 43 / 54 Para una fuente en movimiento, la frecuencia que el oyente escucha es dada por: Para una fuente en movimiento hacia un observador en reposo. O: Para una fuente que se aleja de un observador en reposo. Efecto Doppler Slide 44 / 54 Para un observador en movimiento, la frecuencia que el observador escucha está dada por: para un observador que se mueve hacia una fuente fija. O: para un observador que se mueve lejos de una fuente fija. Efecto Doppler Podemos simplificar estas ecuaciones y escribir una ecuación general para una fuente en movimiento, un observador en movimiento, o una fuente y observador en movimiento: Los signos superiores aplican si la fuente y/o el observador se mueven uno hacia el otro; los signos de bajo se aplican si se mueven separándose. Slide 45 / 54 Efecto Doppler Slide 46 / 54 Podemos simplificar estas ecuaciones y escribir una ecuación general para una fuente en movimiento, un observador en movimiento, o una fuente y observador en movimiento: Es fácil de recordar cuales signos se utilizan si recuerdas que si el observador y la fuente se están moviendo hacia uno al otro la frecuencia parece aumentar. Y si se están alejando se parece a desminuir. Slide 47 / 54 10 Una sirena de un policía emite un sonido de frecuencia 1600 Hz. ¿Qué frecuencia escuchas si el coche de policía se mueve hacia ti con una velocidad de 30 m/s? 11 Una sirena de un policía emite un sonido de frecuencia 1600 Hz. ¿Qué frecuencia escuchas si el coche de policía se mueve lejos de ti con una velocidad de 30 m/s? Slide 48 / 54 Slide 49 / 54 Las ondas de choque y la Explosión Sonica Si una fuente está en movimiento más rápido que la Velocidad de la onda en un medio, las ondas no pueden alcanzar la fuente y una onda de choque se forma. El ángulo del cono es: on da de c onda de choque ho qu e Las ondas de choque y la explosión sonica Slide 50 / 54 Las ondas de choque son análogos a las olas de proa producido por un barco que va más rápido que la velocidad de la onda en el agua. Las ondas de choque y la explosión sonica Aviones superando la velocidad del sonido en el aire producen dos explosiones sónicas, uno en el frente y uno en la cola . Ex s plo ión a nic So la ) (co Ex ic a on nS s ió plo (fre ) nte Slide 51 / 54 Resumen (1 de 2) Slide 52 / 54 · El sonido es una onda longitudinal en un medio. · El tono del sonido depende de la frecuencia. · El volumen del sonido depende de la intensidad y también de la sensibilidad del oído. · Las cuerdas de los instrumentos de cuerda producen un tono fundamental cuya longitud de onda es el doble del longitud de la cuerda; también hay varios armónicos presentes. Resumen (2 de 2) Slide 53 / 54 · Los instrumentos de viento tienen una columna de aire vibrante cuando se juegan. Si el tubo está abierto, el fundamental es el doble de su longitud, si está cerrado el fundamental es cuatro veces la longitud del tubo. · Las ondas de sonido presentan interferencias, si dos sonidos son de diferente frecuencias ligeramente producen batimiento. · El efecto Doppler es el cambio en la frecuencia de un sonido debido al movimiento de la fuente o del observador. Slide 54 / 54