Acustica
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Acústica
Presentación PowerPoint de
Paul E. Tippens, Profesor de Física
Southern Polytechnic State University
![Page 2: Acustica](https://reader034.fdocuments.ec/reader034/viewer/2022042701/559cb35a1a28abf7048b460d/html5/thumbnails/2.jpg)
Objetivos: Después de completar este módulo deberá:
• Calcular la intensidad y los niveles de intensidad de sonidos y correlacionar con la distancia a una fuente.
• Aplicar el efecto Doppler para predecir cambios aparentes en frecuencia debidos a velocidades relativas de una fuente y un escucha.
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Definición de acústica
La acústica es la rama de la ciencia que trata con
los aspectos fisiológicos del sonido. Por ejemplo,
en un teatro o habitación, un ingeniero se preocupa
por cuán claramente se pueden escuchar o transmitir
los sonidos.
![Page 4: Acustica](https://reader034.fdocuments.ec/reader034/viewer/2022042701/559cb35a1a28abf7048b460d/html5/thumbnails/4.jpg)
Ondas sonoras audible
A veces es útil reducir la clasificación del sonido
a aquellos que son audibles (los que se pueden
escuchar). Se usan las siguientes definiciones:
• Sonido audible: Frecuencias de 20 a 20,000 Hz.
• Infrasónico: Frecuencias bajo el rango audible.
• Ultrasónico: Frecuencias arriba del rango audible.
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Comparación de efectos sensoriales con mediciones físicas
Efectos sensoriales Propiedad física
Sonoridad
Tono
Calidad
Intensidad
Frecuencia
Forma de
onda
Las propiedades físicas son mensurables y repetibles.
![Page 6: Acustica](https://reader034.fdocuments.ec/reader034/viewer/2022042701/559cb35a1a28abf7048b460d/html5/thumbnails/6.jpg)
Intensidad sonora (sonoridad)
La intensidad sonora es la potencia
transferida por una onda sonora por
unidad de área normal a la dirección de
propagación de la onda.
PI
A
Unidades: W/m2
![Page 7: Acustica](https://reader034.fdocuments.ec/reader034/viewer/2022042701/559cb35a1a28abf7048b460d/html5/thumbnails/7.jpg)
Fuente isotrópica de sonidoUna fuente isotrópica
propaga el sonido en ondas
esféricas crecientes, como
se muestra. La intensidad I
está dada por:
24
P PI
A r
La intensidad I diminuye con el cuadrado de la
distancia r desde la fuente isotrópica de sonido.
![Page 8: Acustica](https://reader034.fdocuments.ec/reader034/viewer/2022042701/559cb35a1a28abf7048b460d/html5/thumbnails/8.jpg)
Comparación de intensidades sonoras
La relación de cuadrado inverso significa que un sonido
que está el doble de lejos es un cuarto de intenso, y el que
está tres veces más lejos tiene un noveno de intensidad.
I1
I2
r1
r2
1 2
14
PI
r2 2
24
PI
r
2 2
1 1 2 2I r I rPotencia constante P
2 2
1 1 2 24 4P r I r I
![Page 9: Acustica](https://reader034.fdocuments.ec/reader034/viewer/2022042701/559cb35a1a28abf7048b460d/html5/thumbnails/9.jpg)
Ejemplo 1: Un claxon pita con potencia constante. Un niño a 8 m de distancia escucha un sonido de 0.600 W/m2 de intensidad. ¿Cuál es la intensidad que escucha su madre a 20 m de distancia? ¿Cuál es la potencia de la fuente?
Dado: I1 = 0.60 W/m2; r1 = 8 m, r2 = 20 m
22
2 2 1 1 11 1 2 2 2 12
2 2
or I r r
I r I r I Ir r
2
2
2
8 m0.60 W/m
20 mI I2 = 0.096 W/m2
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Ejemplo 1 (Cont.) ¿Cuál es la potencia de la fuente? Suponga propagación isotrópica.
Dado: I1 = 0.60 W/m2; r1 = 8 m
I2 = 0.0960 W/m2 ; r2 = 20 m
P = 7.54 W
2 2 2
1 1 12
1
or 4 4 (8 m) (0.600 W/m )4
PI P r I
r
El mismo resultado se encuentra de:2
2 24P r I
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Rango de intensidades
El umbral auditivo es el mínimo estándar de
intensidad para sonido audible. Su valor I0 es:
Umbral auditivo: I0 = 1 x 10-12 W/m2
El umbral de dolor es la intensidad máxima Ip que
el oído promedio puede registrar sin sentir dolor.
Umbral de dolor: Ip = 1 W/m2
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Nivel de intensidad (decibeles)
Debido al amplio rango de intensidades sonoras
(de 1 x 10-12 W/m2 a 1 W/m2), se define una
escala logarítmica como el nivel de intensidad en
decibeles:
Nivel de
intensidad0
10logI
Idecibeles (dB)
donde es el nivel de intensidad de un sonido cuya intensidad es I e I0 = 1 x 10-12 W/m2.
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Ejemplo 2: Encuentre el nivel de intensidad de un sonido cuya intensidad es 1 x 10-7 W/m2
.
-7 2
-12 2
0
1 x 10 W/m10log 10log
1 x 10 W/m
I
I
510log10 (10)(5)
Nivel de
intensidad:
= 50 dB
![Page 14: Acustica](https://reader034.fdocuments.ec/reader034/viewer/2022042701/559cb35a1a28abf7048b460d/html5/thumbnails/14.jpg)
Niveles de intensidad de sonidos comunes
Umbral de audición: 0 dB Umbral de dolor: 120 dB
20 dB 65 dBHojas o
murmullo
Conversación
normal
Subterráneo
100 dB
Motores jet
140-
160 dB
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Comparación de dos sonidos
Con frecuencia dos sonidos se comparan por niveles
de intensidad. Pero recuerde: los niveles de
intensidad son logarítmicos. ¡Un sonido que es 100
veces más intenso que otro sólo es 20 dB mayor!
20 dB, 1 x 10-10 W/m2Fuente
A
40 dB, 1 x 10-8 W/m2Fuente
B
IB = 100 IA
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Diferencia en niveles de intensidad
Considere dos sonidos con niveles de intensidad
1 y 2
2 1 2 12 1
0 0 0 0
10log 10log 10 log logI I I I
I I I I
1 21 2
0 0
10log ; 10logI I
I I
2 02 1
1 0
/10 log
/
I I
I I
22 1
1
10logI
I
![Page 17: Acustica](https://reader034.fdocuments.ec/reader034/viewer/2022042701/559cb35a1a28abf7048b460d/html5/thumbnails/17.jpg)
Ejemplo 3: ¿Cuánto más intenso es un sonido de 60 dB que uno de 30 dB?
22 1
1
10logI
I
32 2
1 1
I Ilog 3; 10 ;
I II2 = 1000 I1
Recuerde la definición: NxN x10 significa log10
3logy log10dB 30dB 601
2
1
2
I
I
I
I
![Page 18: Acustica](https://reader034.fdocuments.ec/reader034/viewer/2022042701/559cb35a1a28abf7048b460d/html5/thumbnails/18.jpg)
Interferencia y pulsaciones
Frecuencia de pulsaciones = f’ - f
f
f’
f f ’
+
=
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El efecto DopplerEl efecto Doppler se refiere al aparente cambio en
frecuencia de un sonido cuando hay movimiento
relativo de la fuente y el escucha.
vf
La persona derecha
escucha mayor f
debido a más corta
La persona izquierda
escucha menor f
debido a más larga
Fuente sonora se mueve con vs
El movimiento afecta la f0 aparente.
Observador
estacionario
Observador
estacionario
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Fórmula general para efecto Doppler
00 s
s
V vf f
V vDefinición de términos:
f0 = frecuencia observada
fs = frecuencia de fuente
V = velocidad del sonido
v0 = velocidad del observador
vs = velocidad de la fuente
Las rapideces se
calculan como
positivas para
acercamiento y
negativas para
alejamiento
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Ejemplo 4: Un niño en bicicleta se mueve al norte a 10 m/s. Tras el niño hay un camión que viaja al norte a 30 m/s. El claxon del camión pita a una frecuencia de 500 Hz. ¿Cuál es la frecuencia aparente que escucha el niño? Suponga que el sonido viaja a 340 m/s.
30 m/s 10 m/s
V = 340 m/s
fs = 500 Hz
El camión se aproxima; el niño escapa. Por tanto:
vs = +30 m/s v0 = -10 m/s
![Page 22: Acustica](https://reader034.fdocuments.ec/reader034/viewer/2022042701/559cb35a1a28abf7048b460d/html5/thumbnails/22.jpg)
Ejemplo 4 (Cont.): Aplique ecuación Doppler.
vs = 30 m/s v0 = -10 m/s
V = 340 m/s
fs = 500 Hz
f0 = 532 Hz
00
340 m/s ( 10 m/s)500 Hz
340 m/s - (30 m/s)s
s
V vf f
V v
0
330 m/s500 Hz
310 m/s)f
![Page 23: Acustica](https://reader034.fdocuments.ec/reader034/viewer/2022042701/559cb35a1a28abf7048b460d/html5/thumbnails/23.jpg)
Resumen de acústicaLa acústica es la rama de la ciencia que trata con
los aspectos fisiológicos del sonido. Por ejemplo, en
un teatro o habitación, un ingeniero se preocupa por
cuán claramente se pueden escuchar o transmitir los
sonidos.
Sonido audible: Frecuencias de 20 a 20,000 Hz.
Infrasónico: Frecuencias abajo del rango audible.
Ultrasónico: Frecuencias arriba del rango audible.
![Page 24: Acustica](https://reader034.fdocuments.ec/reader034/viewer/2022042701/559cb35a1a28abf7048b460d/html5/thumbnails/24.jpg)
Resumen (continuación)
Efectos sensoriales Propiedad física
Sonoridad
Tono
Calidad
Intensidad
Frecuencia
Forma de
onda
Propiedades físicas mensurables que determinan
los efectos sensibles de sonidos individuales
![Page 25: Acustica](https://reader034.fdocuments.ec/reader034/viewer/2022042701/559cb35a1a28abf7048b460d/html5/thumbnails/25.jpg)
Resumen (Cont.)
La intensidad sonora es la potencia transferida
por una onda sonora por unidad de área normal
a la dirección de propagación de la onda.
PI
A
Unidades: W/m2
![Page 26: Acustica](https://reader034.fdocuments.ec/reader034/viewer/2022042701/559cb35a1a28abf7048b460d/html5/thumbnails/26.jpg)
Resumen (Cont.)
La relación de cuadrado inverso significa que un
sonido que está el doble de lejos tiene un cuarto de
intensidad, y que uno que está tres veces más lejos
tiene un noveno de intensidad.
24
P PI
A r
2 2
1 1 2 2I r I r
![Page 27: Acustica](https://reader034.fdocuments.ec/reader034/viewer/2022042701/559cb35a1a28abf7048b460d/html5/thumbnails/27.jpg)
Resumen de fórmulas:
PI
A
22 1
1
10logI
I
Frecuencia de
pulsación = f’ - f0
0 s
s
V vf f
V vv = f
0
10logI
I
Umbral de audición: I0 = 1 x 10-12 W/m2
Umbral de dolor: Ip = 1 W/m2
![Page 28: Acustica](https://reader034.fdocuments.ec/reader034/viewer/2022042701/559cb35a1a28abf7048b460d/html5/thumbnails/28.jpg)
CONCLUSIÓN: Acústica