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Tema 6. Otras formas de transmitirse la energía; el sonido. |
Si golpeas una campana, una copa de cristal u otro cuerpo sólido y elástico, se produce un fenómeno que reconocemos como sonido. En la naturaleza podemos oír multitud de sonidos.
Nosotros hemos aprendido a elaborarlo hasta lograr tres efectos excepcionales:
1.1.1. ¿Cómo se genera el sonido?El sonido es un fenómeno físico que nos resulta muy familiar, pero ¿cómo se produce? ¿Cuál es su naturaleza? Cuando golpeamos la piel de un tambor y después la tocamos, se aprecia un cosquilleo en los dedos: el tambor está vibrando. Podemos repetir la experiencia con un diapasón: sus ramas, al vibrar, emiten un sonido que dura el tiempo que las ramas están vibrando.
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![]() Figura 2. Ondas de sonido en el aire. Compresión y rarefacción. |
Observa en la figura anterior cómo, cuando la piel del tambor vibra, las partículas de aire se separan, disminuyendo la presión (el aire se enrarece) y, después, al empujarlas la membrana hacia el lado contrario, se comprimen, aumentando su presión. Las vibraciones de la membrana se propagan por el aire en forma de compresiones y enrarecimientos de sus partículas, a las que llamamos ondas sonoras, transmitiendo la energía que ha producido la vibración.
Definición: El sonido consiste en la propagación de la vibración de los cuerpos a través de un medio material (gaseoso, líquido o sólido).
1.2.1. Cómo se representa el sonidoAl representar las variaciones de presión, P, de una onda sonora en función de la distancia, x (e), obtenemos una gráfica como la de la figura 3. En ella tenemos varios conceptos:
f = 1 / T; ó T = 1/f
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En el S.I., λ. y A se miden en metros, m; f, en oscilaciones/segundo, unidad denominada hercio (Hz), y T, en segundos, s.
Definición: Un Hertzio es la frecuencia de un cuerpo que vibra con una oscilación en cada segundo.
El sonido precisa de un medio material para propagarse; decimos que es una onda mecánica, a diferencia de las que no lo necesitan y pueden propagarse en el vacío, como la luz, las ondas de radio o las que llegan a un teléfono móvil.
Las ondas se clasifican en función de cómo son sus direcciones de propagación de la onda y vibración de las partículas.
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El sonido se propaga sólo por medios materiales. Imagina un despertador dentro de una campana neumática en la que hemos hecho el vacío, como se muestra en la siguiente figura. |
Genera ondas longitudinales en un muelle. Toma un muelle largo, comprime algunas de sus espiras y suéltalas; verás que la onda de compresión se propaga en la misma dirección en que vibra el muelle. |
![]() Figura 6. El reloj no se oje, porque dentro de la campana hay vacio. |
![]() Figura 7. Onda longitudinal en un muelle. |
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La reflexión es uno de los fenómenos característicos de todos los movimientos ondulatorios; también del sonido.
La reflexión se produce cuando una onda sonora, que se propaga por un medio alcanza otro medio de distinta naturaleza, (por ejemplo aire y una pared de piedra). Entonces, la onda se refleja sobre ella como lo haría una pelota que siguiera el mismo camino.
Para estudiar la reflexión de las ondas, conviene definir dos conceptos geométricos:
Leyes de la reflexión de ondas:
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![]() Figura 8. Leyes de la reflexión. |
Nuestro oído puede diferenciar dos sonidos siempre que le lleguen separados por, al menos, 0,1 segundos (Una décima de segundo, a ese tiempo lo llamamos tiempo de persistencia acústica de nuestro oído).
El sonido viaja a una velocidad de 340 m/s en el aire; por tanto, en 0.1 s recorrerá:
Eco Si gritas frente a la pared de un acantilado situado a una distancia mayor de 17 m, el sonido hace el camino de ida y vuelta, escucharás tu propia voz devuelta al cabo de un tiempo por reflexión en la pared rocosa; se trata del eco. |
Reverberación Si gritamos frente a una pared situada a 17 m de nosotros, o menos, como la onda sonora recorrerá en el viaje de ida y vuelta 34 m, o menos, nuestro oído no podrá distinguir el sonido original del reflejado; en esto consiste la reverberación. |
![]() Figura 9. Eco a más de 17 m. |
![]() Figura 10. Reverberancia, 17 metros o menos. |
Actividades
No solo el aire puede transmitir las ondas sonoras; también el agua, y a mucha mayor velocidad.
Y más aún los metales que el agua. Los terremotos no son otra cosa que la transmisión de vibraciones en el interior del planeta.
Si establecemos una analogía con el m.r.u., en el que calculábamos la velocidad como el espacio recorrido en cada unidad de tiempo, te será fácil comprender que la velocidad de propagación de una onda cualquiera podemos calcularla según la expresión:
En la tabla se incluye la velocidad de propagación del sonido en diferentes medios.
Para hacer sonar cualquier instrumento musical, es necesario realizar un trabajo, como para hablar o gritar. Producir ondas sonoras requiere una energía.
Esta energía se transmite y distribuye por todo el medio de propagación. Si has presenciado unos fuegos artificiales, habrás sentido vibrar tu cuerpo por la energía que transporta el sonido por el aire
La onda sonora que produce un diapasón no contiene información, aparte de su propio tono; pero si añadimos a esta onda pura otras complejidades, como interrupciones, otros tonos, altibajos de intensidad, etc., de modo que sigan un determinado código, entonces el sonido se convertirá en un magnífico medio de transmitir información. Los animales utilizan códigos para comunicarse situaciones de peligro o para llamarse unos a otros. Nosotros hemos desarrollado códigos complicadísimos que forman el lenguaje.
La abundancia de sonidos que se pueden producir es extraordinaria, y nuestro oído es capaz de diferenciar una enorme variedad de ellos; podemos diferenciar el sonido de la voz de cada persona o distinguir entre distintos instrumentos musicales. Esto es así gracias a las cualidades sonoras.
Las cualidades del sonido son la Intensidad o sonoridad, el tono o altura y el timbre.
Actividades
1.7.1. Intensidad del sonidoLa intensidad del sonido depende de la energía con que vibra la fuente que lo genera. |
![]() Figura 11. Onda representativa de diferentes intensidades de sonidos. |
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1.7.2. El tono, o la frecuencia del sonidoEl tono de un sonido viene dado por su frecuencia. La frecuencia de un sonido se mide en oscilaciones que se producen cada segundo. Por ejemplo, el diapasón que emite la nota “la” vibra con una frecuencia de 440 Hz; esto es, sus láminas vibran 440 veces cada segundo, mientras que la nota “sol” tiene 784 Hz.
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![]() Figura 12. Gráficas de dos sonidos con tonos diferentes, más agudo el de 440 Hz y más grave el de 200 Hz . |
Timbre es la cualidad que nos permite diferenciar dos sonidos de la misma Intensidad y tono pero procedentes de instrumentos diferentes. Si dos instrumentos diferentes, como un piano y un clarinete, tocan la misma nota musical, puedes distinguir cuál es el sonido de cada uno. De la misma manera, puedes reconocer a las personas por su voz, aunque no las veas. Los diapasones emiten sonidos prácticamente puros (en el osciloscopio aparece una sola onda), pero cualquier otro instrumento musical produce simultáneamente una mezcla de muchos sonidos, a los que denominamos armónicos, que depende de su forma, de su tamaño y de los materiales con que se ha fabricado. Algo similar ocurre con la voz humana.
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Figura 13 . Timbre. Sonido diferente de una flauta y una trompeta. |
El oído transforma las vibraciones exteriores en impulsos nerviosos que envía al cerebro. Sus partes son:
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![]() Figura 14. Partes del oido. |
Nuestra sensación de sonido es la interpretación que el cerebro hace de las vibraciones del aire. |
Además, el oído humano es capaz de localizar la fuente de la que proviene el sonido; ello es debido a que cuando el sonido llega desde un lado o alcanza a uno de los oídos antes que al otro. Con esa pequeña diferencia de tiempo, el oído es capaz de localizar la zona de donde procede.
El oído humano joven puede apreciar los sonidos comprendidos, aproximadamente, entre 20 y 20000 Hz.
En las personas adultas se reduce a la gama de unos 100 a 10 000 Hz.
En general, para captar sonidos muy graves o muy agudos es preciso que sean muy intensos.
Este efecto es más acusado en las personas mayores.
Algunos animales, como el perro y el murciélago, son capaces de percibir sonidos por encima de los 20 kHz (20 000Hz), a los que llamamos ultrasonidos. Otros por debajo de los 20Hz (infrasonidos), como el Elefante.
Sonidos |
Graves |
Medios |
Agudos |
Ultrasonidos |
Frecuencia (Hz) |
20 |
200 |
2 000 |
20000 |
Actividades
En ocasiones, el ser humano copia a la naturaleza en algunos de sus inventos. Una de esas «ideas copiadas» es el micrófono, que funciona de modo semejante al oído: Una membrana metálica, análoga al tímpano, recoge las vibraciones del exterior y las transforma, mediante un pequeño electroimán (función de Coclea), en impulsos eléctricos que son transmitidos por unos cables (nervio auditivo) hasta un dispositivo que los amplifica y se envían a un altavoz (como el órgano fonador de los animales) o los graba. |
![]() Figura 15. Imitando a nuestro oido. Partes de un micrófono. |
El sonido se propaga en el agua mucho mejor y más rápidamente que en el aire, con una rapidez de 1600 m/s. El sonar es un aparato, semejante a un altavoz, que es capaz de transformar las ondas eléctricas en movimientos sonoros (sonidos) dentro del agua. Puede producir sonidos audibles por los animales marinos (a veces les causa graves problemas), o bien ultrasonidos, que se reflejan en los fondos generando un eco que es captado por un hidrófono (micrófono para el agua). 2.3.1. Utilización en medicina. Ecografía.El sonar ha resultado ser un instrumento cada vez más utilizado en medicina. Con un sonar ligeramente presionado sobre nuestra piel pueden hacerse vibrar nuestros fluidos y tejidos internos; esto es, producir ultrasonidos en el interior de nuestro cuerpo. Cada tejido y cada órgano transmite mejor o peor estos sonidos, y analizando los ecos producidos por las reflexiones que se producen en huesos, músculos, etc., mediante un ordenador adecuado, puede formarse una imagen de lo que hay en nuestro interior: una ecografía.
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![]() Figura 17. Hoy en dia se pueden optener imagenes reales en 2 y 3 dimensiones, con la ECOGRAFÍA. |
Los sonidos con intensidades de 120 decibelios o más pueden romper la membrana del tímpano y provocar sordera.
Las personas que trabajan en ambientes ruidosos deben protegerse los oídos. Las “discotecas” también pueden provocar daños en la membrana del tímpano.
Intensidades en dB de algunos sonidos habituales |
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0 |
Umbral de audición |
10 |
Respiración normal |
20 |
Conversación en voz baja. |
40 |
Conversación normal. |
60 |
Conversación en voz alta. |
100 |
Ruido de un tren. |
120 |
Avión despegando (umbral doloroso). |
En la escala decibélica, un sonido de 20 dB no tiene el doble de intensidad que otro de 10 dB, sino diez veces más (escala logarítmica), y uno de 30 dB es cien veces mayor que el de 10 dB.
El tiempo máximo permisible de exposición por jornada de trabajo en función del NSCE (Nivel Sonoro Continuo Equivalente) se muestra en la tabla:
Tiempo (h) |
8 |
4 |
2 |
1 |
1/2 |
1/4 |
NSCE (dB) |
90 |
93 |
96 |
99 |
102 |
105 |
Actividades
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Primera onda (la de la izquierda): A = 2 m. Es la altura de la onda y λ = 4 m, distancia desde la que comienza la onda x = 0 m, hasta que termina en x = 4 m. Segunda onda (la de la derecha): Periodo T = 2 s, tiempo desde que comienza la onda en t = 0 s, hasta que comienza la siguiente en t = 2 s. Frecuencia, f =1/T; f = 1/2 Hz; f = 0,5 Hz. |