Ondas sonoras o longitudinales

Ondas sonoras y sonido

Las ondas sonoras son ondas mecánicas longitudinales: mecánicas porque necesitan un medio material para su propagación y longitudinales porque las partículas del medio actúan en la misma dirección en la que se propaga la onda. Ejemplo: Si hacemos el vacío en una campana de vidrio en la que hay un despertador sonando, a medida que va saliendo el aire el sonido se va apagando hasta que desaparece del todo.

Pueden propagarse en medios sólidos, líquidos y gaseosos.

La propagación de una onda sonora consiste en sucesivas compresiones y dilataciones del medio de propagación, producidas por un foco en movimiento vibratorio. Al paso de la onda el medio experimenta variaciones periódicas de presión. Ejemplo: Si tenemos una regla metálica e inmovilizo un extremo con un tornillo de mordaza. Haz oscila la regla. Al principio puede que no se observe ningún sonido pero si vas acortando la regla si. Ello es debido a que la regla compone la copa de aire que está en contacto con ella y hace que aumente la presión, mientras que la capa de aire que está en el otro lado se enrarece (disminuye su presión). El movimiento de vaivén de la regla hace que las compresiones y enrarecimientos del aire se sucedan de forma alternada en el tiempo y se propaguen en el medio. Son una onda mecánica longitudinal.

Llamamos sonido a la propagación de la vibración de un cuerpo elástico en un medio material. Requiere fuente emisora de ondas sonoras, un medio transmisor, y un receptor o detector de sonidos.

Diremos que una onda mecánica longitudinal es sonora cuando la percibimos como sonido a través de los oídos. Esto ocurre cuando la frecuencia de oscilación está entre 16 y 20.000 Hz (muchas personas comienzan a no oír a partir de 15.000 Hz).

Las frecuencias más bajas que las audibles se llaman infrasonidos, y a las ondas que las producen ondas infrasónicas. Las frecuencias más altas que las audibles se llaman ultrasonidos y las ondas que las producen ondas ultrasónicas.

Velocidad de propagación del sonido

La velocidad a la que se propaga el 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: Sensación asociada a la forma en la que recibe el sonido el ser humano. Los sonidos pueden clasificarse en fuertes o débiles, según su intensidad sea elevada o baja. El oído humano puede detectar sonidos cuando la I es de al menos 10^-12 W/m². Sonidos con intensidad igual o superior a 1 W/m² son audibles, pero provocan dolor en los oídos.

• Tono o altura de un sonido: indica si este es alto (agudo, muchas vibraciones por segundo) como el de un violín o bajo (grave, pocas vibraciones por segundo) como el de un tambor. Cuanto más baja sea la frecuencia más bajo será el tono y viceversa
• Timbre: permite distinguir entre dos sonidos en los que la intensidad y la frecuencia son iguales, pero que han sido emitidos por focos distintos. Normalmente, los sonidos no son puros, es decir, las ondas no son perfectamente sinusoidales sino que el resultado de varios movimientos periódicos superpuestos a la onda fundamental, que se denominan armónicos o sobretonos. Así, cada sonido procedente de un instrumento musical o persona es una onda compuesta y tiene unas características especificas que lo diferencian de las demás. El timbre depende de la forma de la onda

Nivel de intensidad sonora

Como el rango de intensidades del oído humano es muy amplio 10^-12 W/m², para la medida de la intensidad suele utilizarse una escala logarítmica que se llama "escala de nivel de intensidad".

Se define nivel de intensidad de una onda sonora como β = 10·log I/I₀. Se mide en decibelios dB, I intensidad de la onda sonora, I₀ nivel de referencia de la intensidad, umbral 10^-12 W/m²

Si I = 10^-12 W/m² ⟶ β = 0 dB umbral de audición.

Si I = 1 W/m² ⟶ β = 120 dB umbral del dolor.

Llamamos sensación sonora a un factor subjetivo que involucra los procesos fisiológicos y psicológicos que tienen lugar en el oído y en el cerebro. Es lo que nos lleva a clasificar los sonidos en débiles, fuertes desagradables … Depende de la intensidad y de la frecuencia. Por ejemplo, una señal de 1.000 Hz con nivel de intensidad de 40 dB provoca la misma sensación sonora que un sonido de 100 Hz con 62 dB.

Representación gráfica de la sensación sonora frente a la frecuencia

Contaminación acústica y calidad de vida

Los órganos internacionales en materia acústica recomiendan que el sonido ambiental no supere los 55 dB de día y 35 dB de noche. Se considera que hay contaminación sonora cuando el sonido supere los 70 dB durante prolongados intervalos de tiempo.

La exposición prolongada a niveles de alta sonoridad puede acarrear problemas auditivos (pérdida irreversible de la capacidad auditiva), irritabilidad, falta de concentración, estrés, fatiga, alteraciones del ritmo respiratorio, problemas digestivos …

El problema es mayor en áreas urbanas (densidad de tráfico elevada) o cerca de los aeropuertos, locales de ocio (discotecas, pubs …), centros de trabajo (industrias..). La contaminación acústica viene contemplada en las normativas de seguridad e higiene en el trabajo.

Medidas contra la contaminación acústica:

• Pasivas o paliativas: tratan de amortiguar la propagación del sonido o su impacto. Ej. Insonorización de locales o viviendas, muros de apantallamiento localizados en vías urbanas, barreras verdes, empleo de cascos antirruido

Por ejemplo la legislación española obliga a los locales de ocio a aislar su recinto de los locales colindantes por medio de materiales absorbentes para evitar la contaminación acústica que producen. Locales que tienen una I=100 dB transmiten al exterior 65 dB.

• Activas (preventivas): actúan contra los focos emisores del ruido. Silenciadores y filtros para los motores, reducción del tráfico en algunas zonas de los cascos urbanos
• Educativas: formación de los ciudadanos de actitud favorable al mantenimiento de un entorno sin contaminación sonora (fomento del transporte público)

Cierta fuente puntual emite ondas sonoras de 80 W de potencia.

a) Calcula la intensidad de las ondas a 3,5 m de la fuente.

b) ¿A qué distancia de la fuente el sonido es de 40 dB?

a)

I = 0,51 W/m²

b)

I = 10⁴·I₀ = 10⁴·10^-12 = 10^-8 w/m²

R =

Fenómenos ondulatorios del sonido

El sonido, como onda que es, presenta todas las cualidades de las ondas, reflexión, refracción …

Reflexión del sonido

Se producen dos fenómenos interesantes:

• Eco: Una persona es capaz de distinguir entre dos sonidos que le llegan con una diferencia de 0,15. Si consideramos Vs = 340 m/s. Podemos distinguir entre sonidos simultáneos de dos fuentes que estén a 34 m. Si nuestra propia voz se reflejase en una pared percibiremos dos sonidos diferentes (eco). Cuando la distancia mínima a la superficie reflectante fuese de 17 m, de modo que el sonido recorre los 34 m necesarios
• Reverberación: Si el tiempo que tarda en llegarnos el sonido reflejado es menor que 0,15 no percibimos eco, pero si un efecto como si el sonido reflejado se superposición y se alargara. Esto es la reverberación. Ejemplo: Hablan en una habitación sin amueblar

En los recintos cerrados, como salas de conciertos, teatros, cines la magnitud de la reverberación está determinado por su diseño y por los materiales absorbentes de sonido que tienen las paredes (corcho, cartones, moquetas). También las personas absorben el sonido, por tanto es diferente según el número de espectadores. Debe tenerse en cuenta la necesidad de reducir la reverberación pero no absorberla por completo el sonido, por no tener que elevar mucho el sonido de la fuente emisora.

Interferencias sonoras

Supongamos dos altavoces pequeños que actúan como focos emisores de sonido, que está en los extremos de una caja hueca. Los altavoces son iguales y emiten sonidos a la vez (en fase). La caja gira en torno a un eje vertical que gira por su centro. Tenemos un micrófono que puede detectar el sonido y un osciloscopio que nos muestra la onda resultante de la interferencia. Si la caja gira dará lugar a interferencias constructivas y destructivas. Por lo visto en el tema anterior los máximos estarán en:

x₁ - x₂ = n·λ

El primer máximo será x₁ - x₂ = λ. Habremos rotado θ.

Por el teorema del coseno:

a² = b² + c² - 2·b·c·cos Â

x₁² = a² + d² - 2·d·a·cos (90 + θ)

x₂² = a² + d² - 2·d·a·cos (90 - θ)

Dos altavoces que emite a la misma frecuencia están separados 1,4 m entre sí. A 3 m sobre la perpendicular trazada desde el punto medio entre los altavoces se encuentra un micrófono. Se hace girar el micrófono y se encuentra el 1ª máximo cuando el ángulo girado es de 15° ¿A qué frecuencia emiten los altavoces?

x₁ - x₂ = λ x₁ = 3² + (0,7)² -2·3·0,7·cos (105°) = 3,252 m

x₂ = 3² + (0,7)² - 2·3·0,7·cos (75°) = 2,898 m

f = 960,45 Hz

Los ultrasonidos

Son ondas de frecuencia superior a 20.000 Hz. No pueden ser detectados por el oído humano.

Para una misma amplitud un ultrasonido emite mucho más energía que un audible puesto que tiene más frecuencia.

Aplicaciones de los ultrasonidos

Sonar: Es un instrumento que utilizan los barcos para detectar la profundidad a la que se encuentra el fondo marino o algún objeto que esté debajo de la superficie del agua. Emite ultrasonidos que se reflejan en el fondo o en el obstáculo (irregularidades del fondo, submarinos, bancos de peces). Por el tiempo que tarda en captar el eco se puede determinar la distancia que separa el sonar (el barco) del obstáculo que lo produce. Se utiliza en estudios oceanográficos (fondo marino), barcos de pesca (bancos de peces), militar (detección de submarinos), estudio geológico del suelo (encontrar petróleo).

Radar: Similar al sonar pero utiliza ondas electromagnéticas (microondas). Ambos permiten determinar la posición de los objetos, su trayectoria y su velocidad. El radar tiene uso militar, en la navegación aérea y marítima y en el tráfico terrestre.

Ecografía: Consiste en registrar los ecos ultrasónicos producidos por los distintos órganos corporales. Se hace incidir los ultrasonidos en una zona concreta del cuerpo y a medida que penetran en él son reflejados en aquellos puntos en los que cambia la densidad del cuerpo (zona que separa dos órganos). Los ultrasonidos reflejados se recogen en un aparato electrónico que analiza la posición de los tejidos, visualizándolos en un monitor en forma de puntos de diferente brillantez. La imagen obtenida puede ser estática, o si se reproducen tomas sucesivas puede simular el movimiento del interior del cuerpo. Ejemplo: el seguimiento de los embarazos. Se pueden visualizar múltiples zonas internas sin producir ningún daño, lo que no ocurre con los rayos X.

La ecografía es útil en el estudio de la cavidad abdominal, el hígado, el bazo, el páncreas, los riñones, el útero, los vasos sanguíneos … Adquirió popularidad la ecografía del feto, que permitía conocer el sexo del futuro niño o niña, pero su interés fundamental radica en que con ellas se puede detectar precozmente enfermedades o anomalías del feto.

Litotricia: consiste en utilizar ultrasonidos de alta energía pero corta duración (ondas de choque) para fragmentar cálculos renales y biliares, evitando intervención quirúrgica. También se utiliza para acelerar la recuperación de lesiones traumáticas ya que aumentan la vascularización de la zona inflamada facilitando su curación.

Industria: Su elevada frecuencia permite que se unan pequeñas partículas. Los ultrasonidos se utilizan para precipitar partículas sólidas en humos y aerosoles, para separar la grasa en el agua, para reducir la espuma en el envasado de bebidas a alta velocidad. También permite ayudar a determinar si una pieza tiene defectos de fabricación (grietas internas, poros …)

En el mundo animal los murciélagos emiten y escuchan ultrasonidos. Su sistema de navegación es similar a un sonar que les permite volar en la oscuridad. También las ratas, delfines y langostas utilizan ultrasonidos para obtener información del medio y comunicarse. Elefantes, ballenas y algunas aves usan infrasonidos.

• Fuente:

Física de 2° de Bachillerato - Colegio Montpellier

Autor: Leandro Bautista. España.

Editor: Ricardo Santiago Netto (Administrador de Fisicanet)