SONIDO Y AUDICION
4.1 Vibraciones y Ondas
4.1.1 Oscilación de un péndulo
4.1.2 Descripción de una onda
4.1.3 Movimiento ondulatorio
4.1.4.Rapidez de una onda
4.1.5 Ondas transversales
4.1.6 Ondas longitudinales
4.1.7 Efecto Doppler
4.1.9 Ondas de choque
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VIBRACIONES Y ONDAS
Una vibración u oscilación es un vaivén en el tiempo. Un
vaivén tanto en el espacio como en el tiempo es una onda.
La luz y el sonido son vibraciones que se propagan en el
espacio en forma de ondas, las primeras son ondas
electromagnéticas y las segundas ondas mecánicas
OSCILACIÓN DE UN PÉNDULO
Si colgamos una piedra de un cordón tendremos un péndulo simple.
Galileo descubrió que el tiempo que tarda un péndulo en ir y venir en
distancias pequeñas sólo depende de la longitud del péndulo.
El tiempo de una oscilación de ida y vuelta, llamado período (T), no depende
de la masa del péndulo, ni del tamaño del arco en el cual oscila. Un péndulo
largo tiene un periodo más largo que un péndulo corto; esto es, oscila de ida y
vuelta con menos frecuencia que un péndulo corto. Entendiendo por frecuencia
(f) el número de oscilaciones que realiza en una unidad de tiempo.
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DESCRIPCIÓN DE UNA ONDA
Cuando se ata una cuerda en un extremo y el otro se sujeta con la mano,
manteniendo la cuerda tensa, en ella se pueden generar pulsos que viajen por la
cuerda hasta llegar al otro extremo y volver a la mano, con solo mover la mano
de arriba abajo. Si estos pulsos se generan a intervalos iguales de tiempo se
puede mantener la cuerda vibrando, o lo que es equivalente a decir que se ha
generado una onda en la cuerda.
La curva que adquiere la cuerda se llama sinusoide, es periódica y presenta
máximos y mínimos de igual amplitud.
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DESCRIPCIÓN DE UNA ONDA
La longitud de onda () es la distancia desde la cima de una cresta hasta la cima
de la siguiente cresta. También, longitud de onda es la distancia entre dos partes
idénticas sucesivas de la onda. Las longitudes de onda de las olas en una playa
se expresan en metros, las de las ondulaciones en un estanque se miden en
centímetros y las de la luz en milésimas de millonésimas de metro
(nanómetros).
Una oscilación completa de ida y vuelta es una vibración. Si se hace en un
segundo, la frecuencia es una vibración por segundo (1Hz). Si en un segundo
suceden dos vibraciones, la frecuencia es dos vibraciones por segundo (2Hz).
La unidad de frecuencia se llama Hertz (Hz), en honor de Heinrich Hertz, quien
demostró la existencia de las ondas de radio en 1886. Una vibración por
segundo es 1 Hertz; dos vibraciones por segundo son 2 Hertz, etc.
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MOVIMIENTO ONDULATORIO
A través del movimiento ondulatorio se puede transferir energía de una fuente
hacia un receptor, sin transportar materia entre los dos puntos, los casos más
comunes son: el sonido que llega a los oídos, la luz a los ojos y las señales
electromagnéticas a las radios y televisores.
El medio, que puede ser una cuerda o cualquier otra cosa, regresa a su estado
inicial después de haber pasado la perturbación. Lo que se propaga es la
perturbación, y no el medio mismo.
RAPIDEZ DE UNA ONDA
La rapidez se define como una distancia dividida entre un tiempo. En este caso,
la distancia es una longitud de onda y el tiempo es un período, por lo que la
rapidez de la onda es igual que longitud de onda entre el periodo, es decir:
v=/T
Como el periodo es igual al inverso de la frecuencia, se puede escribir:
v=f
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ONDAS TRANSVERSALES
Si el movimiento de las partículas
del medio es perpendicular a la
dirección de propagación de la
onda, se dice que la onda es
transversal. Ejemplos de esta
situación son: las ondas en las
cuerdas de los instrumentos
musicales, las ondas en la
superficie de los líquidos, la luz,
los rayos X, y en general todas las
ondas electromagnéticas.
ONDAS LONGITUDINALES
Si el movimiento de las partículas del
medio es paralelo a la dirección de
propagación de la onda, se dice que la
onda es longitudinal. Ejemplos de esta
situación
son:
el
sonido,
las
compresiones y descompresiones del aire
se realizan en la misma dirección en que
viaja la onda. Las ondas principales
(ondas P) en un terremoto, entre otras.
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EFECTO DOPPLER
Si la fuente que genera los pulsos en el agua se mueve, con una
rapidez menor que las ondas. El patrón de las ondas se
distorsiona y ya no está formada por círculos concéntricos. Un
observador en B vería que le llegan ondas más seguidas. Esto
se debe a que cada frente de onda sucesivo tiene menos
distancia por recorrer, y en consecuencia llega a B con más
frecuencia que si la fuente no se moviera acercándose a B.
Si la fuente que genera los pulsos en el agua se mueve, con una
rapidez menor que las ondas. El patrón de las ondas se
distorsiona y ya no está formada por círculos concéntricos. Un
observador en B vería que le llegan ondas más seguidas. Esto
se debe a que cada frente de onda sucesivo tiene menos
distancia por recorrer, y en consecuencia llega a B con más
frecuencia que si la fuente no se moviera acercándose a B.
http://www.walter-fendt.de/ph11s/dopplereff_s.htm
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ONDAS DE CHOQUE
Si la fuente que genera los pulsos en el agua se mueve, con una
rapidez mayor que las ondas. El patrón de las ondas se
distorsiona aún más y se forma una serie de círculos
concéntricos, traslapados unos a otros, donde la envolvente
exterior es un cono, tal como muestra la figura.
El cono envolvente es la superposición de los frentes de onda en el aire, por lo
que la compresión resultante es alta, este cono es llamado anda de choque, ya
que cuando alcanza a los observadores en tierra, ellos percibirán un violento
cambio de presión. Esta subida de presión viene seguida de una descompresión
equivalente a la compresión.
En la figura se ve que el observador B escucha el
estampido sónico. El observador C ya lo oyó y el
observador A lo oirá dentro de un momento. Puede ser
que el avión que generó esa onda de choque haya
atravesado la barrera del sonido bastante tiempo antes de
ser escuchado el estampido sónico
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4.2 Sonido
4.2.1 Origen del sonido
4.2.2 Naturaleza del sonido en el aire
4.2.3 Medios que transmiten el sonido
4.2.4 Rapidez del sonido en el aire
4.2.5 Reflexión del sonido
4.2.6 Refracción del sonido
4.2.7 Energía en las ondas sonoras
4.2.8 Vibraciones forzadas
4.2.9 Frecuencia natural
4.2.10 Resonancia
4.2.11 Interferencia
4.2.12 Pulsaciones
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ORIGEN DEL SONIDO
La mayor parte de los sonidos son ondas producidas por las vibraciones de
objetos materiales. En un piano, una flauta, la voz. El oído humano, de un joven,
por ejemplo, puede captar normalmente alturas que corresponden al intervalo de
frecuencias de entre unos 20 y 20kHz. A medida que maduramos, se contraen los
límites de este intervalo de audición; en especial en el extremo de alta
frecuencia. Las ondas sonoras cuyas frecuencias son menores que 20 Hz son
infrasónicas, y aquellas cuyas frecuencias son mayores que 20kHz se llaman
ultrasónicas. No podemos escuchar las ondas sonoras infrasónicas ni las
ultrasónicas.
NATURALEZA DEL SONIDO EN EL AIRE
Imagina las ondas sonoras (u ondas acústicas) en un tubo como muestra la
figura. Para simplificar sólo se indican las ondas que se propagan por el tubo.
Cuando la rama del diapasón que está junto a la boca del tubo llega al mismo,
entra una compresión en el tubo. Cuando la rama se aleja en dirección
contraria, a la compresión sigue un enrarecimiento. La frecuencia de la fuente
vibratoria y la de las ondas que produce son iguales.
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Haz una pausa y reflexiona sobre la física del sonido (o la acústica) mientras
escuches tu radio. El altoparlante, altavoz o bocina de tu radio es un cono de
papel que vibra al ritmo de una señal electrónica. Las moléculas de aire junto al
cono en vibración de la bocina se ponen a su vez en vibración. Este aire, a su vez
vibra contra las moléculas vecinas, que a su vez hacen lo mismo, y así
sucesivamente. El resultado es que del altoparlante emanan distribuciones
rítmicas de aire comprimido y enrarecido, llenando todo el recinto con
movimientos ondulatorios. El aire en vibración que resulta pone a vibrar los
tímpanos, que a su vez mandan cascadas de impulsos eléctricos rítmicos por el
canal del nervio codear o auditivo hasta el cerebro. Y así escuchas el sonido de la
música.
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MEDIOS QUE TRANSMITEN EL SONIDO
La mayor parte de los sonidos que escuchamos se transmite por el aire. Sin
embargo, cualquier sustancia elástica, sea sólida, líquida, gas o plasma, puede
transmitir el sonido. La elasticidad es la propiedad de un material que permite la
transmisión de la onda sonora. El sonido no se propaga también en el aire, como
lo hace en los sólidos y los líquidos.
MEDIO
TEMPERATURA (C)
VELOCIDAD (m/s)
Aire
0
331.7
Aire
15
340
0
317
Agua dulce
15
1435
Agua salada
15
1500
Acero
20
5130
Aluminio
0
5100
Amoniaco
0
415
Helio
0
965
Hidrógeno
0
1284
Nitrógeno
0
334
Oxígeno
0
316
134
494
Oxígeno
Vapor de agua
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RAPIDEZ DEL SONIDO EN EL AIRE
La rapidez del sonido depende de las condiciones del aire (viento), como la
temperatura y la humedad. No depende de la intensidad ni de la frecuencia del
sonido; todos los sonidos se propagan con la misma rapidez. La rapidez del
sonido en aire seco a 0ºC es, aproximadamente, de 331 metros por segundo, casi
1200 kilómetros por hora. Por cada grado de aumento de temperatura sobre 0ºC,
la rapidez del sonido en el aire aumenta 0.6 m/s.
La velocidad del sonido se puede obtener a partir de:
v
 RT
M
Donde R es la constante de los gases ideales, M es la masa molecular del gas
(R/M=287J/kgK para el aire), γ es el coeficiente adiabático (1,4 para el aire), y T
es la temperatura absoluta en Kelvin.
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REFLEXIÓN DEL SONIDO
A la reflexión del sonido se le llama eco. La fracción de
la energía que porta la onda sonora reflejada es grande
si la superficie es rígida y lisa, y es menor si la
superficie es suave e irregular. La energía acústica que
no porte la onda sonora reflejada la contiene la onda
"transmitida", es decir, absorbida por la superficie.
El sonido se refleja en una superficie lisa en la misma
forma en que lo hace la luz:
La dirección de propagación incidente, reflejada y la
normal están en el mismo plano.
El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión.
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REFRACCION DEL SONIDO
Las ondas sonoras se desvían cuando algunas partes de
sus frentes viajan a distintas rapideces, a esta desviación
del sonido se le llama refracción.
Las reflexiones y refracciones múltiples de las ondas
ultrasónicas se usan en una técnica innocua para "ver"
el interior del organismo sin usar los rayos X. Cuando
el sonido de alta frecuencia (el ultrasonido) entra al
organismo, es reflejado con más intensidad en el
exterior de los órganos que en su interior, y se obtiene
una imagen del contorno de los órganos.
Cuando el ultrasonido incide sobre un objeto en
movimiento, el sonido reflejado tiene una frecuencia un
n1
sen tˆ
poco distinta. Al usar este efecto Doppler, el médico

puede "ver" el corazón de un feto latiendo, desde las 11
n2
sen iˆ
semanas de gestación.
La ley que gobierna la refracción es la ley de Snell:
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ENERGÍA EN LAS ONDAS SONORAS
El movimiento ondulatorio de cualquier clase posee energía en diversos grados.
Por ejemplo, las ondas electromagnéticas que provienen del Sol nos traen
enormes cantidades de la energía necesaria para la vida en la Tierra. En
comparación, la energía en el sonido es extremadamente pequeña. Se debe a que
para producir el sonido sólo se requiere una cantidad pequeña de energía. Por
ejemplo, cuando 10000000 de personas hablan al mismo tiempo sólo producirían
la energía acústica necesaria para encender una linterna común.
VIBRACIONES FORZADAS
El mecanismo de una caja de música se monta como
una caja de resonancia. Sin la caja de resonancia, ese
sonido apenas es perceptible. Las cajas de resonancia
son importantes en todos los instrumentos musicales de
cuerda.
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FRECUENCIA NATURAL
Todo objeto hecho de un material elástico vibra cuando es perturbado con sus
frecuencias propias, que en conjunto producen su sonido característico. Se habla
entonces de la frecuencia natural de un objeto, que depende de factores como la
elasticidad y la forma del objeto. Naturalmente, las campanas y los diapasones
vibran con sus frecuencias características propias. .
Onda fundamental identificada
con
n = 1 color azul
Tercer armónico identificado con
n = 3 color violeta
Quinto armónico identificado con
n = 5 color amarillo
Onda suma de las tres ondas
n = 1+3+5 identificada
con el color rojo
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RESONANCIA
Cuando la frecuencia de las vibraciones forzadas en un objeto coinciden con la
frecuencia natural del mismo, se provoca un aumento dramático de la amplitud. A
este fenómeno se le llama resonancia.
Los efectos de la resonancia están alrededor de nosotros. La resonancia acentúa
no sólo el sonido de la música, sino el color de las hojas en el otoño, la operación
con rayos láser, y una vasta multitud de fenómenos que imparten belleza al mundo
que nos rodea.
Colapso del Puente de Tacoma Narrows
http://es.wikipedia.org/wiki/Puente_de_Tacoma_Narrows
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INTERFERENCIA
Las ondas sonoras, como cualquier otra onda, pueden
presentar interferencia. En todos los casos, cuando las
crestas de una onda se superponen con las crestas de otra,
se produce un aumento de amplitud (interferencia
constructiva), o bien, cuando la cresta de una onda se
traslapa con el valle de otra, se produce menor amplitud
(interferencia destructiva). En el caso del sonido la cresta
de una onda corresponde a una compresión, y el valle a un
enrarecimiento, La interferencia se produce en todas las
ondas, sean transversales o longitudinales.
Las condiciones para que se obtenga interferencia en
un punto del espacio es que las dos ondas emitidas
tengan la misma Amplitud, Frecuencia y Longitud
de onda. Pera deben llegar al punto desfasadas en
media longitud de onda.
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PULSACIONES
Cuando dos tonos de una frecuencia un poco distinta suenan al unísono, se oye
una fluctuación en la intensidad de los sonidos combinados; el sonido es intenso
y después débil, después intenso, después débil, etc. A esta variación periódica de
la intensidad del sonido se le llama pulsaciones o trémolo, y se debe a la
interferencia
http://www.meet-physics.net/David-Harrison/castellano/Waves/Beats/Beats.html
Cuando hay movimiento relativo, el eco tiene una frecuencia distinta por el
efecto Doppler, y se producen pulsaciones cuando se combinan el eco y el
sonido emitido.
El mismo principio se aplica en las pistolas de radar que usa la policía. Las
pulsaciones entre la señal que se manda y la que se refleja se usan para
determinar con qué rapidez se mueve el auto que reflejó la señal.
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4.3 Sonidos Musicales
4.3.1 Tono
4.3.2 Intensidad y sonoridad del sonido
4.3.3 Timbre
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TONO
El tono de un sonido se relaciona con su frecuencia. Las vibraciones rápidas (alta
frecuencia) de la fuente sonora producen una nota alta, mientras que las lentas
(bajas frecuencias) producen una nota baja. El tono de un sonido se refiere a su
posición en la escala musical. Cuando en un piano se loca el "la natural", un
martinete golpea dos o tres cuerdas, cada una de las cuales vibra 440 veces en un
segundo. El tono del "la natural" corresponde a 440 Hz.
http://www.xtec.cat/centres/a8019411/caixa/ondas.htm
El oído humano, de un joven, puede captar normalmente tonos que corresponden
al intervalo de frecuencias de entre unos 20 y 20kHz. A medida que maduramos,
se contraen los límites de este intervalo de audición, en especial en el extremo de
alta frecuencia.
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INTENSIDAD Y SONORIDAD DEL SONIDO
La intensidad del sonido depende de la amplitud de las variaciones de la presión
en la onda sonora. (también, como en todas las ondas, la intensidad es
directamente proporcional a la amplitud de la onda.) se mide en Watts/metro2. El
oído humano responde a intensidades que abarcan el enorme intervalo desde 1012 W/m2 (el umbral de la audición) hasta más de 1 W/m2 (el umbral del dolor).
Dado que el rango de intensidades que el oído humano puede detectar es bastante
amplio, es habitual utilizar una escala logarítmica. Por convenio, dicha escala
logarítmica se emplea como nivel de referencia el umbral de audición. La unidad
más empleada en la escala logarítmica es el decibelio..
I dB
 I 
 10 log  
 I0 
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Fuente del sonido
Intensidad
(W/m2)
Nivel de sonido
(dB)
Avión a reacción, a 30 m de distancia
102
140
1
120
Música popular, amplificada
10-1
115
Remachado
10-3
100
Tráfico intenso
10-5
70
Conversación en casa
10-6
60
Radio con bajo volumen en casa
10-8
40
Susurro
10-10
20
Murmullo de las hojas
10-11
10
Umbral de la audición
10-12
0
Sirena de ataque aéreo. cercana
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TIMBRE
El timbre de un tono está determinada por la presencia y la intensidad relativa de
los diversos armónicos. El sonido que produce cierta nota en el piano y el que
tiene la misma altura con un clarinete tiene distintos timbres, que el oído
reconoce porque sus parciales son distintos. Un par de tonos con la misma
intensidad y distintos armónicos generan distintos timbre para el mismo sonido
musical.
http://www.racine.ra.it/ungaretti/labscie/musica.htm#timbro
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EL OIDO HUMANO
El mecanismo de audición humana es
esencialmente
un
transductor
electroacústico altamente sensible que
responde a ondas sonoras de un
amplio alcance de frecuencias,
intensidades y formas de onda. Éste
transforma las fluctuaciones de
presión acústica en pulsos en el nervio
auditivo. Estos pulsos son llevados al
cerebro, el cual los interpreta e
identifica, y los convierte en
sensaciones: la percepción del sonido.
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