Acústica
La acústica es la rama de la física que estudia el sonido,
que es una onda mecánica que se propaga a través de la materia, bien sea en
estado gaseoso, líquido o sólido, porque el sonido no se propaga en el vacío.
A efectos prácticos la acústica estudia la producción,
transmisión, almacenamiento y percepción o reproducción del sonido.
Ondas Sonoras.-
La definición mas general del sonido es una onda
longitudinal en un medio, el sonido puede viajar por cualquier gas , liquido o
solido. Las ondas sonoras mas sencillas son las senoidales, las cuales tienen
la frecuencia, la amplitud y la longitud de onda completamente especificadas.El
oído humano es sensible a las ondas en el intervalo de frecuencias de 20 a
20000 Hz, llamada gama audible, pero también usamos el termino sonido para
ondas similares con frecuencias mayores( ultrasónicas ) y menores
(infrasónicas).
Percepción de Ondas Sonoras.-
Las características físicas de una onda sonora tienen una
relación directa con la percepción de ese sonido por un receptor. A una
frecuencia dada, cuanto mayor sea la amplitud de presión de una onda senoidal,
mayor sera la intensidad del sonido al cual se le suele llamar, asi que mayor
sera el volumen percibido. La relación entre amplitud de presión y volumen no
es sencilla, y varia de una persona a otra. Un factor importante es que el oído
no es igualmente sensible a todas las frecuencias de la gama audible
Ondas Sonoras Estacionarias y Modos Normales.-
Cuando ondas longitudinales(de sonido) se propagan en un
fluido dentro de un tubo con longitud finita, se reflejan en los extremos igual
que las ondas transversales en una cuerda. La superposición de las ondas que
viajan en direcciones opuestas forma también una onda estacionaria. Al igual
que las ondas estacionarias transversales en una cuerda , las ondas sonoras
estacionarias(modos normales) en un tubo pueden servir para crear ondas de
sonido en el aire circundante. Este el principio de operación de la voz humana
y de muchos instrumentos musicales, incluidos los de viento de madera y de
metal, y los órganos.
RESONANCIA ACÚSTICA.-
Consideremos un tubo con una boca abierta y la otra cerrada
cuya longitud podemos aumentar y disminuir. Si por la boca abierta entra una
onda sonora, de frecuencia determinada, podemos observar que el volumen del
sonido aumenta y disminuye a medida que variamos la longitud del tubo.
El motivo es el siguiente: La onda sonora que entra en el
tubo se refleja en la pared y cuando la onda que entra y la reflejada están en
fase el sonido se refuerza, se logra producir una onda estacionaria en el
interior del tubo, esto solo ocurre cuando la longitud del tubo es un múltiplo
impar de l/4. En esos casos se dice que el foco emisor del sonido y la columna
de aire del interior del tubo está en resonancia.
Recuerda que en las ondas estacionarias la separación entre
dos nodos o dos vientres es la mitad de la longitud de onda.
Si el tubo es cerrado se origina un vientre en el extremo
por donde penetra el aire y un nodo en el extremo cerrado. Como la distancia entre
un vientre y un nodo consecutivo es l /4.
La longitud L del tubo es en las figuras representadas es
L=l /4, L=3l /4, L=5l /4...
En general L=(2n+1)
l /4; con n=0, 1, 2, 3, ...
Considerando que l
=vs / f (velocidad del sonido
dividido por la frecuencia)
Las frecuencias de los distintos modos de vibración
responden a la fórmula
Otro ejemplo que se pone de manifiesto el fenómeno de
resonancia es el siguiente. Utilizando dos diapasones idénticos, y próximos el
uno al otro se observa que al hacer vibrar uno de ellos el otro comienza a
vibrar eso se debe a que al ser idénticos vibran con la misma frecuencia y por
tanto están en resonancia.
Los instrumentos de viento, por ejemplo las trompetas no
suenan de cualquier forma, para que al soplar emitan una nota se tiene que
cumplir que la vibración de los labios tengan una frecuencia capaz de producir
resonancia con el aire que hay en el interior del tubo.
Los tubos abiertos entran en resonancia con un sonido cuando
su longitud es un múltiplo de l/2.
Si un tubo es abierto el aire vibra con su máxima amplitud
en los extremos. En la figura se representan los tres primeros modos de
vibración
Como la distancia entre dos nodos o entre dos vientres es
media longitud de onda. Si la longitud del tubo es L, tenemos que
L=l /2, L=l , L=3l /2, ... en general L=nl /2, n=1, 2, 3...
es un número entero
Considerando que l
=vs / f (velocidad del sonido
dividido por la frecuencia)
Las frecuencias de los distintos modos de vibración
responden a la fórmula
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INTENSIDAD DEL SONIDO
La intensidad es la responsable de nuestra percepción del
volumen sonoro. El oído humano percibe sonidos desde una intensidad límite Io =
10-12 watt/m2, llamado umbral de audición.
A partir de la fórmula anterior se demuestra que la intensidad
de una onda sonora que se propaga a través de un tubo es:
I=1/2Dvwº2
Como la unidad de intensidad (watt/m2) no resulta práctica
para el caso del sonido, se ha adoptado una escala comprimida (logarítmica)
conocida como nivel de intensidad sonora, cuya unidad es el decibelio (dB).
El nivel de intensidad de un sonido, que se denota con la
letra B, se define de la siguiente manera:
Supongamos una fuente puntual de ondas situada en un medio
homogéneo. El movimiento ondulatorio se propaga en todas las direcciones en
forma isótropa. La energía fluye radialmente desde la fuente en todas las
direcciones del espacio. La sección S se transforma en una superficie esférica
de radio r cuyo centro se encuentra en la fuente. El área dicha superficie es:
4 p r2.
La energía producida no se acumula y fluye hacia el exterior
atravesando un volumen cada vez mayor. En la misma unidad de tiempo el número
de partículas a las que llega es cada vez mayor, a cada una le toca menos
energía, y los efectos de la onda se atenúan.
La intensidad del movimiento ondulatorio a una distancia r
de la fuente emisora será:
Según esta relación, para el caso de ondas esféricas la
intensidad de la onda varía en forma inversa al cuadrado de la distancia al
centro de radiación. En particular, si la distancia se duplica, la intensidad
del sonido disminuye a su cuarta parte ya que la energía del sonido debe
distribuirse en un área cuatro veces mayor.
Todos sabemos que si nos alejamos de algo que produce un
sonido constante percibimos que su volumen disminuye.
Se comprueba que para el caso de ondas planas la intensidad
de la onda no varía durante el proceso de propagación.
Como la intensidad de una onda es directamente proporcional
al cuadrado de la amplitud de oscilación y para el caso de una onda esférica
esta es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia al centro de
radiación se deduce que, para el caso de ondas esféricas, la amplitud de
oscilación es inversamente proporcional a la distancia al centro de radiación.
En la siguiente tabla puedes comparar distintos niveles de
intensidad sonora.
Según esta tabla, el oído humano percibe desde 0 dB (10-12 watt/m2), llamado umbral de audición, hasta 120 dB (1 watt/m2), llamado umbral de dolor. Estos dos umbrales varían según las personas (y con la edad).
Resulta pues que, dentro de los sonidos que podemos oír, el
sonido insoportable es un billón de veces más intenso que el casi inaudible.
Por esta razón, la unidad watt/m2 no es práctica.
El efecto Doppler
Quizás usted habrá
notado que, cuando un coche se acerca tocando el claxon, el tono parece bajar
al pasar el coche. Este fenómeno, descrito por primera vez por el científico
austriaco del siglo XIX Christian Doppler, se llama efecto Doppler. Cuando una
fuente de sonido y un receptor están en movimiento relativo, la frecuencia del
sonido oído por el receptor no es el mismo que la frecuencia de la fuente. Se
presenta un efecto similar en las ondas de luz y de radio.
APLICACIÓN DE LA ACÚSTICA
- La aplicación mas importante de las ondas sonoras
estacionarias es la producción de tonos musicales con instrumentos de viento.
Los tubos de órgano son uno de los ejemplos mas sencillos.
- En el campo médico se le llama a equipos de ultrasonido a
dispositivos tales como el doppler fetal, el cual utiliza ondas de ultrasonido
de entre 2 a 3 MHz para detectar la frecuencia cardíaca fetal dentro del
vientre materno. También son utilizados en la detección de tumores cerebrales
(ecoencefalografía) y en otras partes del cuerpo. Las imágenes por ultrasonido,
también denominadas exploración por ultrasonido o ecografía, suponen exponer
parte del cuerpo a ondas acústicas de alta frecuencia para producir imágenes
del interior del organismo.
Los exámenes por ultrasonido no utilizan radiación ionizante
(rayos x). Debido a que las
imágenes por ultrasonido se capturan en tiempo real, pueden
mostrar la estructura y el
movimiento de los órganos internos del cuerpo, como así
también la sangre que fluye por los
vasos sanguíneos.
- La resonancia magnética nuclear utiliza radiofrecuencias a
los átomos alineados de una muestra orgánica, y permite estudiar la composición
química o estructural de la muestra, dependiendo del estudio. Esta resonancia
también se utiliza en la investigación de ordenadores cuánticos o supercomputadoras. Sus aplicaciones mas
comunes están ligadas a la medicina, bioquímica, química orgánica, entre otras.
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