Fundamentos de acústica fisiológica: ondas mecánicas

SONIDOS

Integrantes: Rojas Cuzcano Marisol Cordero Peña Judith

ONDAS

La magnitud física cuya perturbación se propaga en el medio se expresa como una función tanto de la posición como del tiempo   . Matemáticamente se dice que dicha función es una onda si verifica la ecuación de ondas:

Una onda es una perturbación que se propaga desde el punto en que se produjo hacia el medio que rodea ese punto.

Elementos de la ondaCresta: La cresta es el punto de máxima elongación o máxima amplitud de onda; es decir, el punto de la onda más separado de su posición de reposo.

Período (T): El periodo es el tiempo que tarda la onda en ir de un punto de máxima amplitud al siguiente.

Amplitud (A): La amplitud es la distancia vertical entre una cresta y el punto medio de la onda. Nótese que pueden existir ondas cuya amplitud sea variable, es decir, crezca o decrezca con el paso del tiempo.

Frecuencia (f): Número de veces que es repetida dicha vibración por unidad de tiempo.

Valle: Es el punto más bajo de una onda.

Longitud de onda (λ): Es la distancia que hay entre el mismo punto de dos ondulaciones consecutivas, o la distancia entre dos crestas consecutivas.

Nodo: es el punto donde la onda cruza la línea de equilibrio.

Elongación (): es la distancia que hay, en forma perpendicular, entre un punto de la onda y la línea de equilibrio.

Ciclo: es una oscilación, o viaje completo de ida y vuelta.

• Velocidad de propagación ( ): es la velocidad a la que se propaga el 𝜐movimiento ondulatorio. Su valor es el cociente de la longitud de onda y su período.

CLASIFICACIÓN

En función del medio de propagación

Mecánicas

Electromagnéticas

En función de su propagación

vectorial

Longitudinales

Transversales

Escalar

En función de su frente de onda

Unidimensionales

Bidimensionales o superficiales

Ondas tridimensionales o

esféricas

DISPERSIÓNSe denomina dispersión al fenómeno de separación de las ondas de

distinta frecuencia al atravesar un material. Todos los medios materiales son más o menos dispersivos, y la dispersión afecta a todas las ondas

INTERFERENCIAEs un fenómeno en el que dos o más ondas se superponen para formar una onda resultante de mayor o menor amplitud. El efecto de interferencia puede ser observado en cualquier tipo de ondas, como luz, radio, sonido, ondas en la superficie del agua, etc.Puede producir aleatoriamente aumento, disminución o neutralización del movimiento.

En la superposición de ondas con la misma frecuencia el resultado depende de la diferencia de fase . Si sumamos dos ondas y , la onda resultante tendrá la misma frecuencia y amplitud 2A. Este tipo de interferencias da lugar a patrones de interferencia, ya que dependiendo de la fase, la interferencia será destructiva (las ondas se encuentran desfasadas 180 grados o radianes) o constructiva (desfase de 0 grados/radianes).

DIFRACCIÓN

Es un fenómeno característico de las ondas que se basa en la desviación de estas al encontrar un obstáculo o al atravesar una rendija. La difracción ocurre en todo tipo de ondas, desde ondas sonoras, ondas en la superficie de un fluido y ondas electromagnéticas como la luz visible y las ondas de radio. También sucede cuando un grupo de ondas de tamaño finito se propaga; por ejemplo, por causa de la difracción, el haz colimado de ondas de luz de un láser debe finalmente divergir en un rayo más amplio a una cierta distancia del emisor.

REFLEXIÓNEs el cambio de dirección de una onda, que al estar en contacto con la superficie de separación entre dos medios cambiantes, regresa al punto donde se originó. Ejemplos comunes son la reflexión de la luz, el sonido y las ondas en el agua.

1a. ley: El rayo incidente, el rayo reflejado y la normal, se encuentran en un mismo plano.

2a. ley: El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión.

Reflexión del sonidoCuando una onda sonora golpea una superficie plana es reflejada de manera coherente asumiendo que el tamaño de la superficie reflectiva es lo suficientemente larga con relación a la longitud de la onda que incide. Tómese en cuenta que las ondas del sonido audible tienen un amplio rango de frecuencias (de 20 Hz hasta 20000 Hz), al igual que la longitud de onda (que pude variar de 20 mm hasta 17 m). Como resultado, se obtiene que la naturaleza en general, así como el comportamiento del fenómeno de reflexión varía de acuerdo con la estructura y la textura de las superficies de reflexión; por ejemplo, una superficie porosa tiende a absorber grandes cantidades de energía, mientras que una superficie áspera (donde áspero es relativo a la longitud de onda) reflejará las ondas en todas direcciones dispersando la energía de la onda, en lugar de reflejar el sonido en forma coherente. Esto nos lleva al campo de la Acústica arquitectónica, porque la naturaleza de estas reflexiones son críticas para la sensación del espacio en un auditorio.

REFRACCIÓNEs el cambio de dirección que experimenta una onda al pasar de un medio material a otro. Solo se produce si la onda incide oblicuamente sobre la superficie de separación de los dos medios y si estos tienen índices de refracción distintos. La refracción se origina en el cambio de velocidad de propagación de la onda señalada.

SUPERPOSICIÓN

En un medio puede haber mas de una onda al mismo tiempo y en el mismo punto. Esta propiedad de las ondas las distingue claramente de los objetos materiales.

Principio de superposición: si en cualquier instante existen dos o mas ondas simultanea mente en un punto, el desplazamiento del punto es la suma de los desplazamientos que hubiera tenido el punto con cada onda por separado. Los desplazamientos hacia un lado de la posición de equilibrio se toman como positivos y los desplazamientos hacia el otro lado se toman como negativos.

ONDAS SINUSOIDALESSe trata de una señal análoga, puesto que sus valores oscilan en una rama de opciones prácticamente infinita, así pues, podemos ver en la imagen que la onda describe una curva continua. De hecho, esta onda es la gráfica de la función matemática seno, que posee los siguientes atributos característicos:En un triángulo rectángulo, el seno de un ángulo agudo a, que se designa por sen a, es igual a la longitud del cateto opuesto al ángulo dividida por la longitud de la hipotenusa.

El seno de un ángulo cualquiera se asigna mediante la circunferencia goniométrica. Es la ordenada del punto en que el segundo lado del ángulo la corta: La función y = sen x describe la variación del seno de ángulos medidos en radianes. Es continua y periódica de periodo 2π (Recuérdese que en radianes, π representa 180°). Se denomina función sinusoidal.

ONDAS ESTACIONARIASSon ondas producidas en un medio limitado, como, por ejemplo, una cuerda elástica no muy larga y fija en al menos uno de sus dos extremos. Para generar en dicha cuerda una onda estacionaria, se puede atar por un extremo a una pared y hacer vibrar al otro con una pequeña amplitud. Se obtienen pulsos transversales que viajan hasta la pared, donde se reflejan y vuelven. La cuerda es recorrida por dos ondas de sentido opuesto y se producen interferencias que, en principio, dan lugar a unas oscilaciones bastante desordenadas.

Una propiedad destacada de estas ondas estacionarias es que su longitud de onda (y, consecuentemente, su frecuencia) no puede adoptar cualquier valor arbitrario, sino sólo unos determinados valores que se relacionan con la longitud de la cuerda, mediante las siguientes expresiones:

l1 = 2L, l2 = 2L/2, l3 = 2L/3, l4 = 2L/4,... ln = 2nL/4(siendo n = 1, 2, 3,..)

Teniendo en cuenta que c = l/T = ln, las frecuencias correspondientes son:

n1 = c/2L n2 = 2c/2L n3 = 3c/2L n4 = 4c/2L,.. nn = nc/2L(siendo n = 1, 2, 3,..)

SONORIDAD, TONO Y TIMBRELa sonoridad está relacionada con la intensidad del sonido. La intensidad de un sonido viene determinada por la amplitud del movimiento oscilatorio, subjetivamente, la intensidad de un sonido corresponde a nuestra percepción del mismo como más o menos fuerte. Cuando elevamos el volumen de la cadena de música o del televisor, lo que hacemos es aumentar la intensidad del sonido.

SONIDO Y EMISIÓN

El tono está relacionado con la frecuencia. El tono de un sonido depende únicamente de su frecuencia, es decir, del número de oscilaciones por segundo. La altura de un sonido corresponde a nuestra percepción del mismo como más grave o más agudo. Cuando mayor sea la frecuencia, más agudo será el sonido. Esto puede comprobarse, por ejemplo, comparando el sonido obtenido al acercar un trozo de cartulina a una sierra de disco: cuando mayor sea la velocidad de rotación del disco más alto será el sonido producido.El timbre está relacionado con la forma o la gráfica de la onda. El timbre es la cualidad del sonido que nos permite distinguir entre dos sonidos de la misma intensidad y altura. Podemos así distinguir si una nota ha sido tocada por una trompeta o un violín. Esto se debe a que todo sonido musical es un sonido complejo que puede ser considerado como una superposición de sonidos simples.

Estructura del oído

Oído externoEs la parte más externa del oído en ella se encuentran el pabellón auditivo y el conducto auditivo externo y tiene como función captar el sonido y llevarlo a la parte media e interna. Está formado por el pabellón de la oreja que aumenta la frecuencia y localiza la fuente sonora y, por el conducto auditivo externo transmite la onda hacia la membrana timpánica.

Oído medioEs una cavidad casi cuadrada, ubicada en el interior de la porción petrosa (peñasco) del hueso temporal. Es una de las tres partes del oído (siendo las otras dos: el oído externo y el oído interno), y se encuentra en la parte superior del cerebelo, entre las masas encefálicas y el tímpano.

Oído internoEl oído interno o laberinto se encuentra dentro del hueso temporal. El oído interno es una cavidad hueca en el hueso temporal del cráneo, que incluye en el canal de la cóclea y del canal vestibular en donde se produce la transducción de la energía a sonido. Puede dividirse morfológicamente en laberinto óseo y laberinto membranoso.

EL SONIDOEl sonido es la percepción de nuestro cerebro (C) de las vibraciones mecánicas que producen los cuerpos (A) y que llegan a nuestro oído a través de un medio (B).

El sonido en el vacío no puede producirse puesto que no existen moléculas que puedan transmitir la vibración hasta nuestros oídos.

Cualidades del sonidoIntensidadEs la cantidad de sonido que emite un objeto al vibrar. Cuanto más fuerte es el sonido, más amplitud tiene la onda. La intensidad sonora que hay en un lugar determinado se mide en decibelios (dB).Esta relacionada directamente con la magnitud física “Intensidad de la onda”.

Tono

Esta relacionada directamente con la magnitud física “frecuencia”. Los sonidos graves son los de frecuencia baja y los sonidos altos son los de gran frecuencia.

TimbreCualidad que nos permite distinguir el sonido producido por instrumentos diferentes. La onda resultante tiene una forma diferente. Esto ocurre porque la onda que produce cada instrumento es la suma de la onda del tono principal (la que determina la altura del sonido) y otras ondas más pequeñas generadas por ésta, que se denominan armónicos. El resultado final es una onda formada por varias ondas.

Una onda longitudinal es una onda en la que el movimiento de oscilación de las partículas del medio es paralelo a la dirección de propagación de la onda. Las ondas longitudinales reciben también el nombre de ondas de presión u ondas de compresión.

Ondas mecánicas longitudinales

Las ondas longitudinales se pueden propagar en medios fluidos como el aire y el agua.

Para que se produzca una onda mecánica son necesarias las siguientes condiciones:• Una fuente de perturbación.• Un medio a través del cual se propague la perturbación.• Un mecanismo por medio del cual las partículas del medio interactúen entre

sí para intercambiar energía.

Las ondas mecánicas cuentan con las siguientes características:• La onda se propaga desde la fuente en todas las direcciones en que le sea

posible.• Dos ondas pueden entrecruzarse en el mismo punto del medio sin

modificarse una a la otra. Esta propiedad es interferencia• La velocidad de la onda es una propiedad dependiente únicamente de las

características físicas del medio, salvo en ondas a flexión en la que son también función de la frecuencia.

La velocidad del sonidoLa velocidad a la que se propaga un sonido por un medio dependen de lo cercanas que estén las partículas que lo forman entre sí. Por eso el sonido viaja más rápido por un líquido, como el agua, que por un gas , como el aire, y mucho más rápido por un sólido, como los metales.