Sonido

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Características del sonido

El sonido puede viajar a través de cualquier tipo de materia, pero no a través de un vacío.

La Velocidad del sonido es diferente en materiales diferentes, en general, es más lento en Gases , más rápido en líquidos , y lo más rápido en sólidos .

La velocidad depende un poco de la Temperatura , especialmente para los gases.

Aire

HelioAire (0o)

HidrógenoAgua

agua de mar

hiero y metalvidrioaluminio

madera dura

cemento

Velocidad (m/s)

Velocidad del Sonido in diferentes materiales

(20oC y 1 atm)

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Características del sonido Volumen : en relación con la Intensidad de la onda de sonido (como aumenta el volumen, la amplitud de las ondas aumenta)

Tono: En relación con la Frecuencia .

Rango audible : Alrededor de 20Hz a 20.000Hz; el límite superior disminuye con la edad.

Ultrasonido : Por encima de 20.000Hz; véa la cámara de ultrasonido abajo

Infrasonido: Por debajo de 20Hz

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Intensidad de diferentes sonidos

Fuente del Sonido

Avión de reacción a 30mUmbral de dolor

Concierto de rockSirena a 30m

Hablando a 50cm

Interior del auto a 90km/h

Calle con Trafico

Un Radio

susurrosEl crujido de la hojas

Umbral del oído

Nivel del Sonido (dB)

Intensidad (W/m2)

Intensidad de sonido: Decibelios

La Intensidad de una onda es la energía transportada por unidad de Tiempo a través de una unidad de area.

El oído humano puede detectar sonidos con una intensidad tan bajo como de 10-12 W/m2 y tan alto como de 1 W/m 2.

El volumen percibido, sin embargo, no es proporcional a la intensidad.

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Intensidad de sonido: Decibelios Un aumento en el nivel del sonido por 3dB, que duplica la intensidad, es un pequeño cambio en el sonido. En áreas abiertas, la Intensidad del sonido disminuye con la distancia:

Sin embargo, en espacios cerrados esto se complica por las reflexiones , y si el sonido viaja a través del aire las frecuencias mayores son preferencialmente absorbidas .

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El oído y su respuestas; sonoridad

CráneoYunque

Martillo

Tímpano

Estribo Círculos semicircular

Nervio Auditivo (al cerebro)

Cóclea

Tubo Eustichian

Ventana Redonda

Ventana Oval

Lóbulo externa

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El oído y su respuesta; sonoridad

Oído externo : Las ondas sonoras viajan a través del canal del oído al tímpano, que vibra en respuesta

Oído medio : martillo , yunque , y estribo transfieren las vibraciones al oído interno

Oído interno : la cóclea transforma la energía de vibración a energía eléctrica y envía señales al cerebro

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El oído y su respuesta; sonoridad La sensibilidad del oído varía de acuerdo con la frecuencia .

Estas curvas traducen la intensidad al nivel del sonido en diferentes frecuencias.

Frecuencia (Hz)

Inte

nsid

ad e

n de

cibe

les

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Las Fuentes de sonido: Cuerdas vibrantes y columnas de aire

Instrumentos musicales producen sonidos en diferentes formas - vibración de cuerdas , vibración de membranas , vibración de metal o madera , vibración de columnas de aire.

La vibración puede ser iniciada por la acción de punteo, soplar, o tocar. Las vibraciones se transmiten por el aire y luego a nuestros oídos.

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Las fuentes de sonido: cuerdas vibrantes y columnas de aire

Las cuerdas de una guitarra pueden acortados por los dedos, aumentando el tono fundamental.

El tono de una cuerda con longitud dada puede ser alterado mediante el uso de una cuerda con diferente densidad.

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Las fuentes de sonido: Cuerdas vibrantes y columnas de aire

Un piano utiliza ambos métodos para cubrir su rango de más de siete-octavas- las cuerdas bajas (al inferior) son más largas y más gruesas que las cuerdas altas.

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Instrumentos de viento crean sonido a través de ondas estacionarias en una columna de aire.

Las fuentes de sonido: Cuerdas vibrantes y columnas de aire

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Las fuentes de sonido: Cuerdas vibrantes y columnas de aire

Tubo abierto en los extremos

primer armónico = fundamental

armónico 2

armónico 3 Sobretonos

Desplazamiento del aire Variación de presión en el aire

Nodo antinodo

Nodo Nodo antinodo

(movimiento de moléculas de aire)

Un tubo abierto en ambos extremos (mayoría de los instrumentos de viento) tiene nodos de presión , y por lo tanto antinodos de desplazamiento, en los extremos.

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Variación de presión en el aire

Nodo antinodo

Fundamental o primer armónico

Primer sobretono o segundo armónico

Segundo sobretono o tercer armónico

Nodo

Un tubo abierto tiene la misma estructura armónica como una cuerda.

Las fuentes de sonido: Cuerdas vibrantes y columnas de aire

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l1 = 2L; ln= 2L/n 2L, L, 2L/3, L/2 ,.....

v = lf

fn= nf1; n = 1, 2, 3, ... f1, 2f1, 3f1, ...

Las fuentes de sonido: tubos abiertos

L L

l1

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1 Una onda de sonora resuena en un tubo de 2m de longitud con los dos extremos abiertos. ¿Cuál es la longitud de onda de la frecuencia de resonancia mas baja del tubo?

A 1mB 1,5mC 2mD 4mE 8m

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2 Una onda de sonora resuena en un tubo de 2m de longitud con los dos extremos abiertos. ¿Cuál es el frecuencia de resonancia mas bajo del tubo si la velocidad del sonido en el aire es 340m/s?

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Las fuentes de sonido: Cuerdas vibrantes y columnas de aire

primer armónico = fundamental

armónico 2

armónico 3 Sobretonos

Desplazamiento del aire Variación de presión en el aire Tubo Cerrado en un Extremo

Un tubo cerrado en un extremo (órgano de tubos) tiene un nodo de desplazamiento (y antinodo de presión) en el extremo cerrado.

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Las fuentes de sonido: tubos cerrados

l1 = 4L; ln= 4L/n n = 1, 3, 5, ... 4L, 4L/3, 4L/5, ...

v = lf

fn= nf 1;n = 1, 3, 5, ... f 1, 3f1, 5f1, ...

L

l1

L LL

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3 Una onda de sonora resuena en un tubo de 2 m de longitud con un extremo abierto. ¿Cuál es la longitud de onda de la frecuencia de resonancia más bajo del tubo?

A 1mB 1,5mC 2mD 4mE 8m

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4 Una onda de sonido resuena en un tubo de 2m de longitud con un extremo abierto. ¿Cuál es la frecuencia de resonancia mas baja del tubo si la velocidad del sonido en el aire es 340 m/s?

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5 Una onda de sonido resuena en un tubo de 2m de longitud con un extremo abierto. ¿Cuál es la siguiente frecuencia de resonancia mas baja del tubo si la velocidad del sonido en el aire es 340 m/s?

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Calidad de sonido y ruido; superposición

Entonces ¿por qué una trompeta suena diferente en comparación a una flauta? La respuesta se encuentra en los sobretonos - cuáles su presencia, y fuerza hacen una gran diferencia.

La siguiente gráfica muestra espectros de frecuencia de un clarinete , un piano , y un violín . Las diferencias en la fuerza de armónicos son evidentes.

Clarinete Violín Piano

Am

plitu

d re

lativ

a

Frecuencia Frecuencia Frecuencia

Am

plitu

d re

lativ

a

Am

plitu

d re

lativ

a

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Resolución de problemas: Tubos abiertos y cerrados

1. Tenga en cuenta si el tubo está abierto o cerrado.

2. Determina l1, 2L para tubos abiertos, 4L para tubos cerrados.

3. Usa v para determinar f1.

4. Para tubos abiertos, los armónicos son múltiples de f1.

5. Para tubos cerrados, los armónicos son múltiples impares de f1.

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Interferencias; Principio de superposición

Estas diagramas muestran la suma de dos ondas. En (a) se suman de manera constructiva , en (b) se suman destructivamente, Y en (c) se suman parcialmente destructiva .

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l

interferencia

Si dos fuentes emiten la misma longitud de onda de sonido, y viajan la misma distancia al oyente, ellos se sumaran; interferencia constructiva.

Oyente

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l

interferencia

Si dos fuentes emiten la misma longitud de onda de sonido, y la longitud del camino para el oyente tiene una diferencia por 1/2l, se interfieren destructivamente; si las amplitudes son iguales se cancelaran y el sonido no se oirá.

l/2Oyente

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l

interferencia

Cualquier múltiple impar de 1/2l resulta en una interferencia destructiva.

3l/2 Oyente

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l

interferencia

Si dos fuentes emiten la misma longitud de onda de sonido, y la longitud del camino para el oyente es diferente por l, se interfieren constructivamente; el sonido combinado será más fuerte.

lOyente

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l

interferencia

Si dos fuentes emiten la misma longitud de onda de sonido, y la longitud del camino para el oyente es diferente por l, se interfieren constructivamente, el sonido combinado será más fuerte. Esto es el caso para todos los múltiples enteros de l.

lOyente

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La interferencia de las ondas sonoras

Las ondas de sonido interfieren en la misma manera que otras ondas en el espacio.

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La interferencia de las ondas sonoras

Interferencia constructiva ocurre cuando dos crestas se encuentran y interferencia destructiva ocurre cuando una cresta y un valle se encuentran.

Esto significa que cuando un oyente se ubica donde interferencia constructiva ocurre, habrá un punto fuerte .

Y cuando un oyente se encuentra donde la interferencia destructiva ocurre, habrá un sonido ligero o ninguna.

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La interferencia de las ondas sonoras

Se puede ver que las interferencias alternan entre puntos fuertes y puntos sin sonidos.

L

dpunto fuerte

punto fuerte

punto fuerte

punto fuerte

punto fuerte

θ 1 θ 2

no hay sonido

no hay sonido

no hay sonido

no hay sonido

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La interferencia de las ondas sonoras

Un patrón de interferencia constructiva es dado por: dsin# = m#

Un patrón de interferencia destructiva es dado por:

d sin# = (m + ½)#

Donde m se llama el orden de las franjas de interferencia.

L

dpunto fuerte

punto fuerte

punto fuerte

punto fuerte

punto fuerte

θ 1 θ 2

no hay sonido

no hay sonido

no hay sonido

no hay sonido

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6 Dos altavoces separados por una distancia de 2m son colocados a una distancia de 5m desde la pared. Los altavoces generan un sonido con una frecuencia de 1500Hz.

¿Cuál es la longitud de onda de la onda de sonido?

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7 Dos altavoces separados por una distancia de 2m son colocados a una distancia de 5m desde la pared. Los altavoces generan un sonido con una frecuencia de 1500Hz.

¿Cuál es el desplazamiento angular entre el máximo central y el máximo del primer orden?

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8 Dos altavoces separados por una distancia de 2m son colocados a una distancia de 5m desde la pared. Los altavoces generan un sonido con una frecuencia de 1500Hz.

¿Cuál es la distancia entre el máximo central y el primer lugar donde un oyente no detecta sonido?

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La interferencia de las ondas sonoras; Batimiento

Periodo de Batimiento

Las ondas también pueden interferir en tiempo , causando un fenómeno conocido como batimiento. Los batimientos son lentos "sobres" alrededor de dos ondas que están relativamente cerca en frecuencia.

En general, la frecuencia del batimiento es la Diferencia en frecuencias de dos ondas.

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9 Dos diapasones producen dos frecuencias de 500Hz y 450Hz. ¿Cuál es la frecuencia del batimiento?

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Efecto Doppler

En reposo

En movimiento

El Efecto Doppler se produce cuando una fuente de sonido está movimiento con respecto a un observador .

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Efecto Doppler

Como se puede ver en la imagen anterior, una fuente en movimiento hacia un observador tiene una frecuencia mayor y una longitud más corta de onda; lo opuesto es cierto cuando una fuente se mueve a lo lejos de un observador.

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Efecto Doppler

Si el observador se está moviendo con respecto a la fuente, las cosas son un poco diferentes. La Longitud de onda sigue siendo el mismo, pero la Velocidad de la onda es diferente para el observador.

Sin embargo, el efecto es el mismo. La frecuencia observada aumenta a medida que van hacia una fuente de sonido, y disminuye si te alejas de una.

Fuente

Vfuente

Observador

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Efecto Doppler

Para una fuente en movimiento, la frecuencia que el oyente escucha es dada por:

Para una fuente en movimiento hacia un observador en reposo.

O:

Para una fuente que se aleja de un observador en reposo.

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Efecto Doppler

Para un observador en movimiento, la frecuencia que el observador escucha está dada por:

para un observador que se mueve hacia una fuente fija.

O:

para un observador que se mueve lejos de una fuente fija.

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Efecto Doppler Podemos simplificar estas ecuaciones y escribir una ecuación general para una fuente en movimiento, un observador en movimiento, o una fuente y observador en movimiento:

Los signos superiores aplican si la fuente y/o el observador se mueven uno hacia el otro; los signos de bajo se aplican si se mueven separándose.

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Efecto Doppler

Podemos simplificar estas ecuaciones y escribir una ecuación general para una fuente en movimiento, un observador en movimiento, o una fuente y observador en movimiento:

Es fácil de recordar cuales signos se utilizan si recuerdas que si el observador y la fuente se están moviendo hacia uno al otro la frecuencia parece aumentar. Y si se están alejando se parece a desminuir.

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10 Una sirena de un policía emite un sonido de frecuencia 1600 Hz. ¿Qué frecuencia escuchas si el coche de policía se mueve hacia ti con una velocidad de 30 m/s?

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11 Una sirena de un policía emite un sonido de frecuencia 1600 Hz. ¿Qué frecuencia escuchas si el coche de policía se mueve lejos de ti con una velocidad de 30 m/s?

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Las ondas de choque y la Explosión Sonica

Si una fuente está en movimiento más rápido que la Velocidad de la onda en un medio, las ondas no pueden alcanzar la fuente y una onda de choque se forma. El ángulo del cono es:

onda de choque

onda

de

choq

ue

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Las ondas de choque y la explosión sonica

Las ondas de choque son análogos a las olas de proa producido por un barco que va más rápido que la velocidad de la onda en el agua.

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Las ondas de choque y la explosión sonica

Aviones superando la velocidad del sonido en el aire producen dos explosiones sónicas, uno en el frente y uno en la cola .

Explosión Sonica (cola)

Explosión Sonica (frente)

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Resumen (1 de 2)

· El sonido es una onda longitudinal en un medio.

· El tono del sonido depende de la frecuencia.

· El volumen del sonido depende de la intensidad y también de la sensibilidad del oído.

· Las cuerdas de los instrumentos de cuerda producen un tono fundamental cuya longitud de onda es el doble del longitud de la cuerda; también hay varios armónicos presentes.

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Resumen (2 de 2)

· Los instrumentos de viento tienen una columna de aire vibrante cuando se juegan. Si el tubo está abierto, el fundamental es el doble de su longitud, si está cerrado el fundamental es cuatro veces la longitud del tubo.

· Las ondas de sonido presentan interferencias, si dos sonidos son de diferente frecuencias ligeramente producen batimiento.

· El efecto Doppler es el cambio en la frecuencia de un sonido debido al movimiento de la fuente o del observador.

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