Ondas Sonoras El sonido es una onda longitudinal y mecánica, es

Ondas Sonoras
El sonido es una onda longitudinal y mecánica, es decir, que necesita un medio
material para su propagación. Por ejemplo, al golpear una mesa, es posible
escuchar el golpe debido a que se hace vibrar la mesa y esas vibraciones se
propagan en el aire (medio material) hasta ser captados por el oído. Requiere
una fuente emisora de las ondas, un medio transmisor y un receptor o detector
de sonidos.
La vibración de un cuerpo se propaga en el aire, dando lugar a un movimiento
longitudinal de las partículas de aire vecinas al foco emisor sonoro, las cuales,
al recibir cierta presión, se alejan de su punto de equilibrio provocando una
compresión hacia las partículas más cercanas; así el movimiento de las
partículas de aire es paralelo a la dirección de propagación.
Al igual que toda onda, el sonido experimenta una reflexión al chocar contra un
obstáculo, y produce de esta manera un resultado denominado eco. Este
fenómeno se basa en el hecho de que las ondas sonoras pueden reflejarse en
superficies rígidas, y regresa a nosotros después de cierto tiempo de emitido el
sonido
La velocidad de propagación del sonido no depende de su intensidad o
cualidades sino únicamente de las propiedades del medio.
El sonido se propaga con mayor velocidad en los medios más rígidos, por lo
que la velocidad de propagación es mayor en los sólidos que en líquidos y
gases.
Cualidades del Sonido

Intensidad
La intensidad del sonido es la energía que transporta una onda por
unidad de área y de tiempo y es proporcional al cuadrado de su
amplitud.
Para expresar la medida de lo intenso o lo débil que resulta un sonido se
usa el nivel de intensidad (β), que se define como:
β = 10 𝑑𝐵 log
𝐼
𝐼0
Donde I0 es la mínima intensidad audible por el oído humano, es decir,
10-12 W/m2. El nivel de intensidad se expresa en decibeles (dB)

Tono
El tono o altura de un sonido es la característica que permite clasificar
un sonido como agudo o grave y está asociado con la frecuencia de la
onda sonora, frecuencias altas producen sonidos agudos y frecuencias
bajas corresponden a sonidos graves.
El oído humano percibe sonidos con frecuencias oscilan entre 20 Hz y
20.000 Hz. Las ondas longitudinales mayores de 20.000 Hz se conocen
como ultrasonidos y las ondas con frecuencias menores de 20 Hz se
conocen como infrasonidos.

Timbre
Es la característica que permite distinguir los sonidos emitidos por dos
fuentes diferentes aunque tengan el mismo tono y la misma intensidad,
por ejemplo permite diferenciar dos sonidos, uno proveniente de un
violín y otro proveniente de una flauta aunque produzcan la misma nota
con la misma intensidad
En los instrumentos musicales el sonido se produce por vibración, en el violín
vibran las cuerdas en la flauta vibra la columna de aire que está dentro del tubo
del instrumento y en los tambores lo que vibra es la membrana sólida.
Vibración en Cuerdas
Para producir los sonidos musicales es necesario tener una caja de resonancia,
donde las partículas del aire vibran con una amplitud mayor que la original.
En un extremo fijo de una cuerda hay un nodo y en un extremo libre la amplitud
es máxima.
En la primera onda de la figura la longitud de onda es dos veces la longitud de
la cuerda, λ = 2L. Para la siguiente onda λ = L y en la tercera λ = 2 L / 3, en
general la longitud de onda se expresa como
λn =
2𝐿
𝑛
Donde n es un número entero positivo y corresponde al número de vientres de
onda. Puesto que para las ondas periódicas se cumple que f = v / λ, entonces:
fn =
𝑛𝑣
2𝑙
Los valores de fn representan las frecuencias para las cuales la cuerda entra
en resonancia. Cuando n = 1 se dice que la cuerda resuena en su frecuencia
fundamental o primer armónico, si n = 2 se tiene el segundo armónico y así
sucesivamente.
Tubos Sonoros
En los instrumentos de viento el aire que contienen vibra y se producen ondas
estacionarias con determinadas frecuencias.
Un tubo sonoro es un tubo largo y delgado cuya columna de aire resuena
según una vibración particular que recibe desde la parte abierta del tubo.
Tubos Abiertos
Se llaman tubos abiertos a los tubos sonoros que son abiertos en ambos
extremos, en la figura anterior se observa la representación de las ondas
longitudinales producidas. En cada caso la longitud de la onda se puede
expresar como:
λn =
2𝐿
𝑛
Para valores enteros positivos de n, y la frecuencia como:
fn =
𝑛𝑣
2𝑙
La frecuencia en cada armónico depende de la velocidad del sonido y la
longitud del tubo.
Tubos Cerrados
Los tubos cerrados sin los tubos sonoros con un extremo abierto y el otro
cerrado. En el extremo cerrado se produce un nodo y un vientre en el extremo
abierto. En la siguiente figura se representan los diferentes armónicos:
En general la longitud de la onda se puede expresar
λn =
4𝐿
𝑛
Siendo n un número entero impar y positivo, luego la frecuencia, fn
fn =
𝑛𝑣
4𝑙
Ejemplos:
Un tubo cerrado mide 1.3 m de longitud y la rapidez del sonido en el aire es
343 m/s, ¿cuál es la frecuencia del quinto armónico?
fn =
𝑛𝑣
4𝑙
luego fn =
5 343𝑚/𝑠
4(1.3𝑚)
= 329.81Hz
La frecuencia de resonancia fundamental de una cuerda de 60cm de longitud
es 440 Hz, calcular la velocidad de las ondas en la cuerda.
fn =
𝑣
2𝑙
luego v = 2 L fn
v = 2 (0.6m)440Hz = 528 m/s
Efecto Doppler
Al cambio de frecuencia de las ondas debido al movimiento relativo entre la
fuente y el observador se llama efecto Doppler.
Si el observador esta en reposo y la fuente sonora avanza hacia él, la longitud
de la onda se hace menor y llegan a él más crestas por unidad de tiempo,
percibiendo una frecuencia mayor, si la fuente se aleja del observador, él
percibe un sonido de menor frecuencia. La frecuencia percibida por el
observador se expresa como:
𝑓𝑝=
𝑣
𝑣+𝑣𝑓
𝑓
Donde fp es la frecuencia percibida por el observador, v es la velocidad de la
onda, vf es la velocidad de la fuente y f es la frecuencia con la que la fuente
emite la onda. Si la fuente se acerca al observador, vf es negativa.
La frecuencia percibida por el observador también se modifica por el
movimiento del mismo observador. Si la fuente se encuentra en reposo y el
observador se acerca a ella, la frecuencia de la señal emitida se percibe con
mayor intensidad y disminuye cuando el observador se aleja de la fuente en
reposo, entonces:
𝑓𝑝= 𝑣+𝑣0 𝑓
𝑣
Donde v0 es la velocidad del observador, si el observador se aleja de la fuente
v0 es negativa.
Ejemplo
Una fuente sonora se mueve a razón de 244.8 km/h y emite una onda con
frecuencia de 760Hz. La velocidad del sonido en el aire es 340 m/s. ¿Qué
frecuencia percibirá un receptor en reposo cuando la fuente se acerca? ¿Qué
frecuencia percibe cuando se aleja de él?
Cuando la fuente se acerca
𝑓𝑝=
𝑣
𝑣−𝑣𝑓
Cuando la fuente se aleja
𝑓 =
340𝑚/𝑠
340𝑚/𝑠−68𝑚/𝑠
760Hz = 950Hz
𝑓𝑝=
𝑣
𝑣−𝑣𝑓
𝑓 =
340𝑚/𝑠
340𝑚/𝑠+68𝑚/𝑠
760Hz = 633.33 Hz
Momento para Aplicar
1. Si se compara la frecuencia percibida por el receptor si el emisor se
acerca al mismo con una velocidad v1 y la frecuencia percibida por el
receptor cuando es él el que se acerca al emisor a la misma velocidad,
v1, se puede afirmar que es
a. Igual
b. menor
c. mayor
d. el doble
2. Ordene de menor a mayor los diferentes medios, según la propagación
del sonido en ellos, explique su respuesta
a. Aire caliente
b. Metal
c. Arena
d. Aire frio
3. El sonar de un barco emite señales que tardan 2 segundos desde que
se emiten hasta que rebotan en un grupo de peces y regresan al barco.
Si la velocidad del sonido en el agua es 5200 km/h, ¿a qué distancia se
encuentran los peces?
4. El oído humano no percibe todos los sonidos, solo los que tienen
frecuencias comprendidos entre 20Hz y 20000 Hz.
¿Cómo se denominan los sonidos con frecuencias superiores?
¿Qué aplicación tienen este tipo de sonidos?
¿En cuales longitudes de onda, el oído humano no percibe sonido?
5. Dos conductores viajan en tractomulas en la vía Bogotá Medellín, en
direcciones opuestas; el que viaja hacia Medellín va a 90 km/h y el que
viaja hacia Bogotá lo hace a 50 km/h. Cuando se encuentran en una
recta a 200 m uno de otro, tocan la bocina en forma simultánea con
frecuencia de 900Hz, ¿cuál es la frecuencia que percibe cada conductor
cuando escucha la bocina de la otra tractomula?
6. ¿Por qué cambian los sonidos en los instrumentos de cuerda cuando la
longitud de las cuerdas cambia, como en los violines y las guitarras?
7. Un alambre de 60cm de longitud se mantiene fijo en sus extremos, si es
excitado con una frecuencia de 70 Hz se forman una onda estacionaria
con 5 nodos, ¿cuál es la velocidad de propagación de la onda en el
alambre?
8. Para que rango de longitudes de onda el oído humano percibe sonidos
9. Describa brevemente el funcionamiento del oído
Bibliografía
Bautista Ballén Mauricio, Física II, Bogotá, Editorial Santillana, 2005.
https://www.google.com.co/search?q=intensidad+tono+y+timbre+fisica&tbm=is
ch&tbo=u&source=univ&sa=X&ei=-27RUr9A4jIsATN4ILoAQ&ved=0CFwQsAQ&biw=1024&bih=499