domingo, 26 de mayo de 2013

sonido


                                                            EL SONIDO        


El sonido, en física, es cualquier fenómeno  que involucre la propagación en forma de ondas elastica (sean audibles o no), generalmente a través de un fluido (u otro medio elástico) que esté generando el movimiento vibratorio de un cuerpo.
El sonido en Música es una onda sonora. El sonido humanamente audible consiste en ondas sonoras que producen oscilación  de la presión de las ondas que se producen, que son convertidas en ondas mecánicas en el oído humano y percibidas por el cerebro. La propagación del sonido es similar en los fluidos, donde el sonido toma la forma de fluctuaciones de presión. En los cuerpos sólidos la propagación del sonido involucra variaciones del estado tensional del medio. El sonido es un fenómeno vibratorio transmitido en forma de ondas. Para que se genere un sonido es necesario que vibre alguna fuente. Las vibraciones pueden ser transmitidas a través de diversos medios elásticos, entre los más comunes se encuentran el aire y el agua. La fonética acústica concentra su interés especialmente en los sonidos del habla: cómo se generan, cómo se perciben, y cómo se pueden describir gráfica y/o cuantitativa-mente.

CUALIDADES DEL SONIDO

Un aspecto importante que debemos conocer para sensibilizar nuestros oídos a la escucha activa es la identificación de las cualidades sonoras.

Podemos distinguir cuatro cualidades:   
  La altura o tono. Está determinado por la frecuencia de la onda. Medimos esta característica en ciclos por segundos o Hercios (Hz). Para que podamos percibir los humanos un sonido, éste debe estar comprendido en la franja de 20 y 20.000 Hz. Por debajo tenemos los infrasonidos y por encima los ultrasonidos.
La intensidad. Nos permite distinguir si el sonido es fuerte o débil. Está determinado por la cantidad de energía de la onda. Los sonidos que percibimos deben superar el umbral auditivo (0 dB) y no llegar al umbral de dolor (140 dB). Esta cualidad la medimos con el sonómetro y los resultados se expresan en decibeles (dB).   
La duración. Esta cualidad está relacionada con el tiempo de vibración del objeto. Por ejemplo, podemos escuchar sonidos largos, cortos, muy cortos, etc..

El timbre. Es la cualidad que permite distinguir la fuente sonora. Cada material vibra de una forma diferente provocando ondas sonoras complejas que lo identifican. Por ejemplo, no suena lo mismo un clarinete que un piano aunque interpreten la misma melodía.


propagación del sonido 

La propagación del sonido ,en física, está sujeta a algunos condicionales. Así la transmisión de sonido requiere la existencia de un medio material donde la vibración de las moléculas es percibida como una onda sonora. En la propagación en medios compresibles como el aire, la propagación implica que en algunas zonas las moléculas de aire, al vibrar se juntan (zonas de compresión) y en otras zonas se alejan (zonas de rarefacción), esta alteración de distancias entre las moléculas de aire es lo que produce el sonido. En fluidos altamente incompresibles como los líquidos las distancias se ven muy poco afectadas pero se manifiesta en forma de ondas de presión. La velocidad de propagación de las ondas sonoras en un medio depende de la distancia promedio entre las partículas de dicho medio, por tanto, es en general mayor en los sólidos que en los líquidos y en estos, a su vez, que en los gases. En el vacío no puede propagarse el sonido, nótese que por tanto las explosiones realmente son audibles en el espacio exterior.

Las ondas sonoras no se producen cuando un cuerpo vibra rápidamente. La frecuencia es el número de vibraciones u oscilaciones completas que efectúan por segundo. Los sonidos producidos son audibles por un ser humano promedio si la frecuencia de oscilación está comprendida entre 20 Hz y 20 000 HZ. Por encima de esta última frecuencia se tiene un ultrasonido audible por los seres humanos, aunque algunos animales pueden oír ultrasonidos inaudibles por los seres humanos. La intensidad de un sonido está relacionada con el cuadrado de la amplitud de presión de la onda sonora. Un sonido grave corresponde a onda sonora con frecuencia baja mientras que los sonidos agudos se corresponden con frecuencias más altas.


VELOCIDAD DEL SONIDO 

La velocidad del sonido es la dinámica de propagación de las ondas sonoras . En la atmósfera terrestre es de 343 m/s (a 20 °C de temperatura, con 50% de humedad y a nivel del mar). La velocidad del sonido varía en función del medio en el que se trasmite. Dado que la velocidad del sonido varía según el medio, se utiliza el número Mach = 1 para indicarla. Así un cuerpo que se mueve en el aire a Mach 2 avanza a dos veces la velocidad del sonido en esas condiciones, independientemente de la presión del aire o su temperatura.
La velocidad o dinámica de propagación de la onda sonora depende de las características del medio en el que se realiza dicha propagación y no de las características de la onda o de la fuerza que la genera. Su propagación en un medio puede servir para estudiar algunas propiedades de dicho medio de transmisión.


MEDIOS DE PROPAGACIÓN

 La velocidad del sonido varía dependiendo del medio a través del cual viajen las ondas sonoras.

La definición termodinámica de la velocidad del sonido, para cualquier medio, es a²=(dp/dρ)s es decir la derivada parcial de la presión con respecto de la densidad a entropía constante.
La velocidad del sonido varía también ante los cambios de temperatura del medio. Esto se debe a que un aumento de la temperatura se traduce en un aumento de la frecuencia con que se producen las interacciones entre las partículas que transportan la vibración, y este aumento de actividad hace aumentar la velocidad.
Por ejemplo, sobre una superficie nevada el sonido es capaz de desplazarse atravesando grandes distancias. Esto es posible gracias a las refracciones producidas bajo la nieve, que no es un medio uniforme. Cada capa de nieve tiene una temperatura diferente. Las más profundas, donde no llega el sol, están más frías que las superficiales. En estas capas más frías próximas al suelo, el sonido se propaga con menor velocidad.

LA VOZ HUMANA 

La voz humana  se produce por la vibración de las cuerdas vocales, lo cual genera una onda sonora que es combinación de varias frecuencias y sus correspondientes armónico. La cavidad buco-nasal sirve para crear ondas cuaciestacionarias  por lo que ciertas frecuencias denominadas formantes Cada segmento de sonido del habla viene caracterizado por un cierto espectro de frecuencia distribución de la energía sonora en las diferentes frecuencias. El oído humano es capaz de identificar diferentes formantes de dicho sonido y percibir cada sonido con formantes diferentes como cualitativamente diferentes, eso es lo que permite por ejemplo distinguir dos vocales. Típicamente el primer formante, el de frecuencia más baja está relacionada con la abertura de la vocal que en última instancia está relacionada con la frecuencia de las ondas estacionarias que vibran verticalmente en la cavidad. El segundo formante está relacionado con la vibración en la dirección horizontal y está relacionado con si la vocal es anterior, central o posterior.

RESONANCIA 

Es el fenómeno que se produce cuando los cuerpos vibran con la misma frecuencia, uno de los cuales se puso a vibrar al recibir las frecuencias del otro. Para entender el fenómeno de la resonancia existe un ejemplo muy sencillo, Supóngase que se tiene un tubo con agua y muy cerca de él (sin entrar en contacto) tenemos un diapasón, si golpeamos el diapasón con un metal, mientras echan agua en el tubo, cuando el agua alcance determinada altura el sonido será más fuerte; esto se debe a que la columna de agua contenida en el tubo se pone a vibrar con la misma frecuencia que la que tiene el diapasón, lo que evidencia por qué las frecuencias se refuerzan y en consecuencia aumenta la intensidad del sonido. Un ejemplo es el efecto de afinar las cuerdas de la guitarra, puesto que al afinar, lo que se hace es igualar las frecuencias, es decir poner en resonancia el sonido de las cuerdas



FUENTE DE SONIDO 

El sonido es un tipo de ondas mecánicas longitudinales producidas por variaciones de presión del medio. Estas variaciones de presión (captadas por el oído humano) producen en el cerebro la percepción del sonido.
Existen en la naturaleza sonidos generados por diferentes fuentes de sonido y sus características de frecuencia (altura), intensidad (fuerza), forma de la onda (timbre) y envolvente (modulación) los hacen diferentes e inconfundibles, por ejemplo, el suave correr del agua por un grifo tiene las mismas características en frecuencia, timbre y envolvente.
De los requisitos apuntados, el de la envolvente es el más significativo, puesto que es "la variación de la intensidad durante un tiempo, generalmente el inicial, considerado", el ejemplo de la diferencia de envolventes es la clara percepción que tenemos cuando algún instrumento de cuerda raspada (violin) son ejecutados "normalmente" con el arco frotando las cuerdas o cuando son pulsados (pizzicato); mientras que en el primer caso el sonido tiene aproximadamente la misma intensidad durante toda su ejecución, en el segundo caso el sonido parte con una intensidad máxima (la cuerda tensa soltada por el músico) atenuándose rápidamente con el transcurso del tiempo y de una manera exponencial, de manera que la oscilación siguiente a la anterior sigue una ley de variación descendente.

 EFECTO DOPPLER


El efecto Doppler, llamado así por el austriaco Cristiané Andreas Doppler, es el aparente cambio de frecuencia de una onda producida por el movimiento relativo de la fuente respecto a su observador. Doppler propuso este efecto en 1842 en su tratado Beber das faringe Light der Doppelsterne und einige andere Gestirne des Himmels (Sobre el color de la luz en estrellas binarias y otros astros).

si el objeto se aleja, su luz se desplaza a longitudes de onda más largas, desplazándose hacia el rojo. Si el objeto se acerca, su luz presenta una longitud de onda más corta, desplazándose hacia el azul. Esta desviación hacia el rojo o el azul es muy leve incluso para velocidades elevadas, como las velocidades relativas entre estrellas o entre galaxias, y el ojo humano no puede captarlo, solamente medirlo indirectamente utilizando instrumentos de precisión como espectro metro. Si el objeto emisor se moviera a fracciones significativas de la velocidad de las luz , sí sería apreciable de forma directa la variación de longitud de onda.



OBSERVADOR ACERCÁNDOSE A UNA FUENTE 


Imaginemos que un observador O se mueve con una velocidad  v_{o} \, que tiene una dirección y sentido hacia una fuente de sonido S que se encuentra en reposo. El medio es aire y también se encuentra en reposo. La fuente emite un sonido de velocidad V, frecuencia '''f''' \, y longitud de onda  \lambda \,. Por lo tanto, la velocidad de las ondas respecto del observador no será v \,, sino la siguiente:

ECUACIÓN

\ v' = v + v_{o}


OBSERVADOR ALEJÁNDOSE DE UNA FUENTE 


Analicemos el caso contrario: cuando el observador se aleja de la fuente, la velocidad será  v' = v - v_{o} \,  y de manera superior usando el teorema de Pitágoras análoga podemos deducir que

 ECUACIÓN 

f' = f \cdot \bigg( 1 - \frac{v_{o} }{v}\bigg)



fuente acercándose al observador 

En este caso la frecuencia aparente percibida por el observador será mayor que la frecuencia real emitida por la fuente, lo que genera que el observador perciba un sonido más agudo.
Por tanto, la longitud de onda percibida para una fuente que se mueve con una velocidad  v_{s}\,  será:

 ECUACIÓN 

\mathcal \lambda ' = \lambda - \Delta \lambda
Como  \lambda = \frac{v}{f}  podemos deducir que:
f' = \frac{v}{\lambda '}= \frac{v}{\lambda - \frac{v_{s} }{f}} = \frac{v}{\frac{v}{f} - \frac{v_{s} }{f}} = f \cdot \bigg(\frac{v}{v - v_{s} }\bigg)

Fuente alejándose  del observador 

Haciendo un razonamiento análogo para el caso contrario: fuente alejándose; podemos concluir que la frecuencia percibida por un observador en reposo con una fuente en movimiento será:

ECUACION

 f' = f \cdot \Bigg( \frac{1}{1 \pm \frac{v_{s}}{v}} \Bigg)
Cuando la fuente se acerque al observador se pondrá un signo (-) en el denominador, y cuando la fuente se aleje se reemplazará por (+).
Al terminar de leer lo anteriormente expuesto surge la siguiente pregunta: ¿Qué pasará si la fuente y el observador se mueven al mismo tiempo?. En este caso particular se aplica la siguiente fórmula, que no es más que una combinación de las dos:

ECUACIÓN
f' = f \cdot \bigg( \frac{v \pm v_{o}}{v \mp v_{s}} \bigg)
Los signos  \pm  y  \mp  deben ser aplicados de la siguiente manera: si el numerador es una suma, el denominador debe ser una resta y viceversa.
Si la fuente de sonido se aleja del observador el denominador es positivo, pero si se acerca es negativo.
Si el observador se aleja de la fuente el numerador es negativo, pero si se aproxima es positivo. Se puede dar el caso de numerador y denominador sean una suma, y también de numerador y denominador sean una resta.


CUERDAS SONORAS




Las cuerdas sonoras son medios elásticos que al ser excitados correctamente producirán un sonido.
las cuerdas presentan las siguientes características según el gráfico.
A= Husos
N= Nodos
L= Longitud de la cuerda
n= Numero de armónico.

Las cuerdas presentan frecuencias distintas dependiendo del numero de armónico al que deseemos calcular la frecuencia.


Formula general: 


 Fn=  n · v
------------------
2L
Donde:

Fn= Frecuencia n
n= numero de armonico
v= constante del sonido (340 m/s2)


TUBOS SONOROS
La formación de ondas estacionarias con el sonido propagándose en el aire, tiene lugar también en espacios confinados , limitados, como son los tubos sonoros (tubos de órgano) las cajas de resonancia de los instrumentos musicales ( guitarras, piano... ). Como en toda onda estacionaria, esta situación sólo tiene lugar para determinadas frecuencias consecuencia de las condiciones impuestas a los límites de estos espacios cerrados de aire.
Vamos a considerar la formación de una onda sonora estacionaria en el caso de un tubo sonoro de una determinada longitud ( que llamaremos L), que está abierto por un extremo y cerrado por el otro. Este último hecho nos condiciona que, las partículas del aire puedan vibrar intensamente en la embocadura ( puedan ser un ANTINODO o VIENTRE) y, las partículas del aire del fondo del tubo no puedan vibrar ( por tanto pueden constituir un NODO). Esto sólo ocurre para determinadas frecuencias que, refuerzan el sonido al formarse en el tubo una ONDA ESTACIONARIA SONORA.
En la fotografía que mostramos a continuación, un grupo de científicos están probando la formación de ondas estacionarias en vasos más o menos llenos de agua ( más o menos profundos , con distintas L) y el sonido de una determinada frecuencia que emite un diapasón:


MOVIMIENTO ARMÓNICO SIMPLE

El movimiento armónico simple (m.a.s.), también denominado movimiento vibratorio 
armónico simple (m.v.a.s.), es un moviemiento periodico, oscilatorio y vibratorio 
en ausencia de fricción, producido por la acción de una fuerza recuperadora 
que es directamente proporcional a la posición pero en sentido opuesto. Y que 
queda descrito en función del tiempo por una función senoidal (seno o coseno). 
Si la descripción de un movimiento requiriese más de una función armónica,
 en general sería un movimiento armónico, pero no un m.a.s.
En el caso de que la trayectoria sea rectilínea, la partícula que realiza
 un m.a.s. oscila alejándose y acercándose de un punto, situado en el centro 
de su trayectoria, de tal manera que suposición en función del tiempo con respecto
 a ese punto es una sinusoide . En este movimiento, la fuerza que actúa sobre la 
partícula es proporcional a su desplazamiento respecto a dicho punto y dirigida hacia
 éste.




ECUACIÓN

\frac{d^2x}{dt^2} = a(t) = -\omega^2x



LABORATORIOS


CARICATURA
































































Publicado por en

3 comentarios:

  1. Unknown30 de mayo de 2013, 6:07

    no aparece lo relacionado con cuerdas y tubos sonoros, ecuaciones para calcular la frecuencia de armónicos de cuerdas y tubos

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  2. Unknown30 de mayo de 2013, 6:15

    en el video de efecto doppler no se encuentran las ecuaciones de cada ocasion

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  3. Unknown30 de mayo de 2013, 6:16

    en la pagina de entretenimiento no aparece la caricatura correspondiente al segundo periodo

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