jueves, 28 de julio de 2011

ACÚSTICA


UNIDAD  3   TALLER 3-1
ACÚSTICA


  • Desde el punto de vista físico, el sonido es una perturbación mecánica que se propaga en forma de onda a través de un medio elástico a una velocidad característica de ese medio

  • Desde el punto de vista de un receptor humano podemos definir el sonido como el fenómeno físico que provoca una sensación auditiva en el oyente.
ORIGEN DEL SONIDO




  • El sonido tiene su origen en las vibraciones mecánicas de la materia, tanto en estado sólido como líquido o gaseoso, que se propagan en forma de ondas de presión sonoras en todas las direcciones.
  • El proceso de generación de una onda sonora, por lo general, tiene su origen en un sólido en vibración que arrastra las partículas de aire en contacto con el mismo, produciendo de forma alternativa depresiones y sobre presiones (compresiones) que se van transmitiendo a las capas de aire adyacentes, dando lugar a una onda de presión que se propaga con movimiento ondulatorio en todas las direcciones alejándose del foco.

VELOCIDAD DEL SONIDO

Es la velocidad a la que se propagan las ondas sonoras en un medio elástico y depende de las características de dicho medio.

VELOCIDAD DEL SONIDO EN LOS GASES

A partir de las características del medio, por ejemplo para un gas puede demostrarse que la velocidad de propagación de una onda de presión (sonora) está dada por la ecuación:

v = \sqrt{\frac {\gamma{R}{T}}{M}}

Siendo γ el coeficiente de dilatación adiabática, R la constante universal de los gases, T la temperatura en kelvin y M la masa molar del gas. Los valores típicos para la atmósfera estándar a nivel del mar son los siguientes:

γ = 1,4

R = 8,314 J/mol·K = 8.314 kg·m2/mol·K·s2

T = 293,15 K (20 °C)

M = 0,029 kg/mol para el aire


VELOCIDAD DEL SONIDO EN LOS SÓLIDOS
En sólidos la velocidad del sonido está dada por:
v_s = \sqrt{\frac{E}{\rho}}
donde E es el módulo de Young y ρ es la densidad. De esta manera se puede calcular la velocidad del sonido para el acero, que es aproximadamente de 5.148 m/s.


La velocidad del sonido en el agua es de interés para realizar mapas del fondo del océano. En agua salada, el sonido viaja a aproximadamente 1.500 m/s y en agua dulce a 1.435 m/s. Estas velocidades varían principalmente según la presión, temperatura y salinidad.
La velocidad del sonido (v) es igual a la raíz cuadrada del Módulo de compresibilidad (K) entre densidad (ρ).
v = \sqrt{\frac{K}{\rho}}



















VELOCIDAD DEL SONIDO EN EL AIRE


Experimentalmente se ha encontrado que la velocidad de propagación del sonido en el aire varia 0.6m/s por cada grado Celsius de temperatura; por lo tanto por lo tanto se puede calcular la velocidad del sonido en el aire en función de la temperatura utilizando la expresión:


V = V0 + 0.6( m/s * °C) * t


Donde V0 es la velocidad del sonido en el aire a 0°C (331.7m/s).








PROBLEMAS




  1. El oído humano percibe sonidos cuyas frecuencias están comprendidas entre 20 y 20000 hertz . Calcular la longitud de onda de los sonidos extremos, si el sonido se propaga en el aire con la velocidad de 330 ms-1.

Al ser l = v/n, las longitudes de onda correspondientes a los sonidos extremos que percibe el oído humano serán, respectivamente:

2.    Un foco sonoro colocado bajo el agua tiene una frecuencia de 750 hertz y produce ondas de 2 m. ¿Con qué velocidad se propaga el sonido en el agua?

La velocidad de propagación viene dada por la ecuación:


3.  Se ha comprobado que cierto pájaro tropical vuela en cuevas totalmente oscuras. Para sortear los  obstáculos utiliza el sonido, pero la frecuencia más elevada que puede emitir y detectar es de 8000 Hz. Evaluar el tamaño de los objetos más pequeños que puede detectar.
Suponiendo que la velocidad del sonido es 340 ms-1, la longitud de la onda sería:    







ACÚSTICA    UNIDAD 3    TALLER No  3 - 1




BIBLIOGRAFÍA

1.    www.fisicaalberto2011.blogspot.com  Blog. Podrá encontrar fundamento teórico y práctico, talleres, cuestionarios, videos y direcciones de  páginas interactivas
2.    Física Investiguemos 11°. Edictorial Voluntad
3.    http://www.aves.edu.co/edusignos/recursos/5/onda.swf   Pág. Interativa. Ejercicios resueltos sobre cualidades  y naturaleza del sonido
5.    http://www.educando.edu.do/sitios/archivos/sinfonica/02_sonido.swf   El ruido y el sonido-apuntes cortos e importantes
Sonido y las ondas sonoras










FENÓMENOS ONDULATORIOS  ACÚSTICOS
UNIDAD 3  TALLER  No  3 - 2


REFLEXIÓN

 Cuando la onda sonora choca contra un obstáculo, la onda cambia de dirección de propagación















Reflexion: Regreso de las ondas o rebote (en la acustica es el eco)



















 
REFRACCIÓN
Cuando la onda sonora cambia de medio de propagación y se produce una variación en la velocidad de propagación de la onda
















 
DIFRACCIÓN
Cuando la onda sonora bordea un obstáculo o pasa  a través de una abertura se produce un cambio en la curvatura de la onda.













PRINCIPIO DE INTERFERENCIA
Cuando en un punto del espacio se encuentran dos o más ondas sonoras, en dicho punto la amplitud de la onda es igual a la suma algebraica de las amplitudes de las ondas incidentes.













Una aplicación:
la cancelación del ruido.





La interferencia destructiva puede ser muy útil. Es muy importante que el piloto de un avión oiga lo que sucede a su alrededor, pero el ruido del motor representa un problema. Por eso, los pilotos pueden usar unos auriculares especiales conectados a un micrófono que registra directamente el sonido del motor. Un sistema en los auriculares crea una onda inversa a la que llega a través del micrófono. Esta onda es emitida, de forma que neutraliza la primera. En los automóviles se está experimentando con un sistema similar.











RECUERDA QUE...

  • Sonido es todo movimiento de tipo ondulatorio que se propaga a través de un medio, ya sea sólido, líquido o gaseoso,
  • El sonido se trasmite por medio de ondas sonoras,
  • En el vacío (donde no aire) no se propaga el sonido, en el agua muy débilmente y en los sólidos depende de la composición de los mismos
  • La velocidad de propagación del sonido en un medio gaseoso (aire9 depende de la temperatura,
  • La voz humana se produce en la laringe cuando el aire que sale de los pulmones hace vibrar  las cuerdas vocales,
  • El tono es el que permite diferenciar un sonido grave de uno agudo y  la intensidad hace que un sonido sea débil o fuerte,
  • El timbre nos permite distinguir un sonido de otro. 
  • La acústica es la rama de la física que estudia el sonido, sus propiedades, sus usos y fenómenos.
  • El sonido es  un movimiento ondulatorio de tipo mecánico, que se propaga a través del aire en forma de ondas longitudinales
  • El sonido necesita un medio material para propagarse, siendo en los sólidos donde avanza con mayor velocidad.
  • En los líquidos y en los gases la  velocidad del sonido disminuye gradualmente,
  • El sonido en el vacío no se propaga. Es decir entre más denso sea el material, más rápidamente avanza las ondas sonoras,
  • Las ondas sonoras están comprendidas entre 20 a 20.000 vib/s (Hz),
  • La vibración es la causa de todos los sonidos y el aire sirve como medio para su propagación,
  • Las ondas sonoras son producidas al hacer vibrar la materia
  • SONIDO: Son ondas producidas por determinados movimientos vibratorios periódicos (regulares), de frecuencia definida y proveniencia fácil de establecer.
  • RUIDO: Son ondas producidas por movimientos vibratorios aperiódicos (irregulares), de frecuencia imprecisa y proveniencia incierta.

  • El oído normal percibe frecuencias comprendidas entre 20 y 20.000 Hz., aproximadamente. Sin embargo esta percepción de frecuencias no es lineal ya que está relacionada también con la intensidad y la duración.
  • Las frecuencias que están bajo los 20 Hz. se denominan infrasonidos y aquellas que están sobre los 20.000 Hz. se denominan ultrasonidos. El oído humano no está capacitado para escuchar estas frecuencias. Sin embargo, determinados animales sí pueden escucharlas, tal como el perro (silbato silencioso) y el murciélago (radar natural). El estudio y desarrollo de los ultrasonidos es muy útil para diversas disciplinas: la medicina, los aparatos de guerra, la geografía, etc.

  • En música la frecuencia genera la altura o tono (mayor o menor gravedad) de los sonidos y es directamente proporcional a los mismos.

  • El aparato que mide las frecuencias se denomina frecuencímetro
  • El tono del sonido depende de la frecuencia.
  • A frecuencias bajas corresponden sonidos graves.
A frecuencias altas corresponden sonidos agudos.


ACÚSTICA   UNIDAD  3  TALLER  No  3 - 2
 
FENÓMENOS  ONDULATORIOS ACÚSTICOS


Indica y argumente si cada una de las siguiente  afirmaciones son verdaderas (V) o falsas(F).



1. El sonido se origina por la vibración de un objeto

2. El sonido, al igual que la luz, también se puede propagar en el vacío

3. Con el sonido se propaga energía, pero no materia

4. La velocidad del sonido es constante

5. Cuando el sonido viaja del aire al agua, la frecuencia permanece constante

6. Cuando el sonido viaja del aire al agua, la velocidad permanece constante

7. Cuando el sonido viaja del aire al agua, la longitud de onda permanece constante

8. La frecuencia de vibración del tímpano es la misma que la frecuencia del sonido que llega al oído

9. Dos ondas sonoras pueden llegar a anularse mutuamente

10.Si se deja caer al suelo objetos distintos, se produce sonidos diferentes

11.El sonido se propaga en todos los medios: sólidos, líquidos y gaseosos

12. El sonido se propaga en el vacío

13. La voz humana se produce en la laringe cuando el aire que sale de los pulmones hace vibrar  las cuerdas vocales

14.El tono es el que permite diferenciar un sonido grave de uno agudo y  la intensidad hace que un sonido sea débil o fuerte

15.El timbre nos permite distinguir un sonido de otro. 

16.La acústica es la rama de la física que estudia el sonido, sus propiedades, sus usos y fenómenos.

17.El sonido es  un movimiento ondulatorio de tipo mecánico, que se propaga a través del aire en forma de ondas electromagnéticas

18. El sonido necesita un medio material para propagarse, siendo en los gases donde avanza con mayor velocidad.

19. En los líquidos y en los gases la  velocidad del sonido disminuye gradualmente

20. El sonido en el vacío no se propaga. Es decir entre más denso sea el material, más rápidamente avanza las ondas sonoras

21.Las ondas sonoras están comprendidas entre 20 a 20.000 vib/s (Hz)

22.La vibración es la causa de todos los sonidos y el aire sirve como medio para su propagación

23.Las ondas sonoras son producidas al hacer vibrar la energía

24.El sonido: son ondas producidas por determinados movimientos vibratorios periódicos (regulares), de frecuencia definida y proveniencia fácil de establecer.

25.El raído: Son ondas producidas por movimientos vibratorios aperiódicos (irregulares), de frecuencia imprecisa y proveniencia incierta.

26.El oído normal percibe frecuencias  mayores a  20.000 Hz.; aproximadamente. Sin embargo esta percepción de frecuencias no es lineal ya que está relacionada también con la intensidad y la duración.

27.Las frecuencias que están bajo los 20 Hz. se denominan infrasonidos y aquellas que están sobre los 20.000 Hz. se denominan ultrasonidos. El oído humano no está capacitado para escuchar estas frecuencias. Sin embargo, determinados animales sí pueden escucharlas, tal como el perro (silbato silencioso) y el murciélago (radar natural). El estudio y desarrollo de los ultrasonidos es muy útil para diversas disciplinas: la medicina, los aparatos de guerra, la geografía, etc.

28.El aparato que mide las frecuencias se denomina frecuencímetro

29.  El tono del sonido depende de la frecuencia.

30.  A frecuencias bajas corresponden sonidos graves.

31.  A frecuencias altas corresponden sonidos agudos.



EL SONIDO Y SUS CUALIDADES
 Completa el siguiente crucigrama





















Horizontal 

3. Cuando un sonido rebota en un obstáculo y regresa a la fuente de sonido
6. La duración del sonido depende de la ........ onda
7. Sonidos por encima de los 200000 Hz
8. La intensidad mínima se denomina unmbral de................
10. La intensidad máxima se denomina umbral del ....................
12. Cualidad del sonido que sirve para diferenciar los sonidos fuertes de los suaves
15. Cualidad del sonido que sirve para diferenciar las voces y los instrumentos
16. Cualidad del sonido que sirve para diferenciar los sonidos largos de los cortos
17. Nombre que reciben las ondas vibratorias irregulares y aperiódicas

Vertical -

1. La altura del sonido depende de la ...................... de onda
2. Unidad de medida de la altura
4. Nombre que se le da a los sonidos que están por debajo de los 20 Hz
5. Membrana muy fina que conecta el oído externo con el oído medio
8. Tipo de contaminación producida por el exceso de ruido
9. Unidad de medida utilizada para expresar la intensidad del sonido
11. La intensidad del sonido depende de la ............. de onda
13. Cualidad del sonido que sirve para diferenciar los sonidos agudos y graves
14. Sensación auditiva producida por la vibración de un objeto y que produce ondas regulares y periódicas




CONSTRUCCIÓN DE CONCEPTOS
Busca en la sopa de letras las palabras que corresponden a las siguientes definiciones



















a.       Número de vibraciones por segundo
b.      Onda que se propaga en dirección paralela a la dirección en la que vibran las partículas
c.       Distancia máxima que se alejan las partículas con respecto a su posición de equilibrio
d.      Fenómeno que experimentan las ondas cuando chocan con una barrera
e.      Fenómeno que experimentan las ondas cuando bordean un obstáculo
f.        Forma de transmisión de energía a través de un medio
g.       Tiempo empleado en realizare una vibración
h.      Movimiento de vaivén  de los objetos con respecto a una posición de equilibrio
i.        Fenómeno que experimentan las ondas cuando cambian de medio de propagación
j.        Distancia recorrida por una onda durante un período
k.       Fenómeno que experimentan las ondas cuando se encuentran en un punto con otras ondas  de la misma naturaleza
l.        Onda que se propaga en dirección perpendicular a la dirección  en la cual vibran las partículas
m.    Onda que requiere de un medio material de propagación




DIRECCIONES INTERACTIVAS DE ONDAS

http://concurso.cnice.mec.es/cnice2005/56_ondas/ondas.swf




 ACÚSTICA  EFECTO DOPPLER
 UNIDAD  3   TALLER No  3-3


El efecto Doppler, llamado así por el austríaco Christian Andreas Doppler, es el aparente cambio de frecuencia de una onda producido por el movimiento relativo entre la fuente, el emisor y/o el medio. Doppler propuso este efecto en 1842



Cuando un observador que escucha se mueve acercándose a alejándose  de una fuente sonora que puede estar en reposo o en movimiento, la frecuencia del sonido que se percibe es diferente  que cuando  se encuentran en reposo. Por ejemplo, la frecuencia del sonido que emite una locomotora cuando se acerca al observador, es mayor que cuando se aleja.

Existe una relación entre la frecuencia emitida por una fuente y la percibida por el receptor, cuando uno se mueve con respecto al otro sobre la línea recta que los une. Tengamos en cuenta la siguiente relación para el análisis:









  1.   CUANDO EL OBSERVADOR SE MUEVE CON RELACIÓN AL MEDIO Y LA FUENTE PERMAMANECE EN REPOSO



Si  el observador  se encuentra en reposo, percibe un sonido cuya frecuencia es f. Si se mueve hacia la fuente va al encuentro de las ondas y percibirá una frecuencia de:














Si el observador se aleja de la fuente, la frecuencia percibida por el observador disminuye; porque Al alejarse el observador la cantidad de frentes de onda que lo alcanzan en la unidad de tiempo es menor y utilizamos la ecuación.




2.  CUANDO LA FUENTE SE MUEVE CON RELACIÓN AL MEDIO Y EL OBSERVADOR PERMANECE EN REPOSO

Si la fuente se acerca al observador se produce un acortamiento de la longitud de onda y la frecuencia percibida por el observador será de.


 
 




Si la fuente se aleja su longitud de onda sufre un alargamiento  y por lo tanto, la frecuencia percibida por el observador será de


3.  CUANDO  EL OBSERVADOR Y LA FUENTE SE MUEVEN SIMULTÁNEAMENTE CON RESPECTO AL MEDIO
 Si el observador y la fuente se dirigen uno hacia el otro, además de percibir una frecuencia adicional, la longitud de onda emitida varía, y por lo tanto la frecuencia percibida por el observador viene dada por:



Si el observador  y la fuente  se mueven alejándose uno del otro, la frecuencia percibida por el observador será:





                                   

EFECTO DOPPLER EN CONTEXTO

  1. Una ambulancia se acerca a un acantilado y se aleja de un observador con velocidad de  20 m/sEl conductor hace funcionar la sirena que emite un sonido de 350 Hz


1.  ¡Cuál es la frecuencia percibida por el observador del sonido
      que proviene directamente de la ambulancia?

2. Cuál es la frecuencia percibida por el observador del sonido     reflejado reflejado en el acantilado?

Solución
1.Como la ambulancia se aleja del observador, la frecuencia percibida será menor y la calculamos con la expresión:

V=20m/s   Vo = 0 m/s

2. La frecuencia percibida del sonido reflejado será mayor que la frecuencia emitida porque la ambulancia se acerca al acantilado.


2.   Un observador  y un foco sonoro de  frecuencia 1000 ciclos /seg. , se acercan entre sí, con una velocidad de  170  m/s cada uno. ¿Cuál es la frecuencia percibida por el observador?


3. Un observador se mueve a una velocidad de 42 m/s hacia   un trompetista en reposo. El trompetista está tocando (emitiendo) la nota La (440 Hz). ¿Qué frecuencia percibirá el observador, sabiendo que

  \ v_{sonido} \, = 340 m/s

Solución

Si el observador se acerca hacia la fuente, implica que la velocidad con que percibirá cada frente de onda será mayor, por lo tanto la frecuencia aparente será mayor a la real (en reposo). Para que esto ocurra debemos aplicar el signo (+) en la ecuación.
 f' = f \cdot \bigg( 1 \pm \frac{v_{o} }{v} \bigg)
 f' = 440 Hz \cdot \bigg( 1 + \frac{42 m/s }{340 m/s} \bigg)  f' = 494,353Hz
En este caso particular, el trompetista emite la nota La a 440 Hz; sin embargo, el observador percibe una nota que vibra a una frecuencia de 494,353 Hz, que es la frecuencia perteneciente a la nota Si. Musicalmente hablando, el observador percibe el sonido con un tono más agudo del que se emite realmente.
  
4.  Una fuente sonora se mueve a una velocidad de 120 m/s y emite un sonido con una frecuencia de 300 Hz, un observador que está en reposo experimenta una variación de la frecuencia cuando se acerca y posteriormente cuando se aleja la fuente sonora. ¿En qué momento la frecuencia es menor?

La velocidad del observador es Vo = 0, puesto que está en reposo y la del aire Vm = 0, puesto que se supone que no sopla viento.

Cuando se acerca la fuente sonora:

f' = [V / (V-Vs)]. f = [330 /(330–120)].300 ≈ 470 Hz.

Cuando se aleja la fuente sonora:

f' = [V / (V+Vs)]. f = [330 /(330+120)].300 ≈ 220 Hz.

Evidentemente la frecuencia es menor cuando se aleja la fuente sonora.

5. Una ambulancia se mueve con una velocidad de 80 m/s y su sirena emite una frecuencia de 100 Hz, de igual manera en sentido contrario viene un carro a 60 m/s. Calcule la frecuencia cuando los dos autos se están acercando ¿Es mayor o menor?, Calcule la frecuencia cuando se alejan ¿Es mayor o es menor?

Cuando la ambulancia y el automóvil se acercan la relación entre las frecuencias es

f' = [(V+Vo) / (V–Vs)]. f = [(330+60) / (330–80)].100 ≈ 156 Hz.

Cuando la ambulancia y el automóvil se alejan la relación entre las frecuencias es

f' = [(V–Vo) / (V+Vs)]. f = [(330–60) / (330+80)].100 ≈ 65 Hz.


6.  Un motociclista pasa frente a una casa donde hay una fiesta, la frecuencia de la música que escuchan es de 670 Hz, si el motociclista se mueve a 57 m/s ¿Cuándo será mayor la frecuencia?, ¿Cuándo será menor? Comprúebalo utilizando las ecuaciones de efecto Doppler.

La fuente sonora está en reposo, por tanto Vs= 0, y Vm = 0.

Cuando el motociclista se acerca a la casa la relación entre las frecuencias es:

f' = = [(V+Vo) / V]. f = (330+57) / 330 ≈ 786 Hz.

Cuando el motociclista se aleja de la casa la relación entre las frecuencias es:

f' = = [(V–Vo) / V]. f = (330–57) / 330 ≈ 554,2 Hz
.





ACÚSTICA    UNIDAD  3   TALLER   No  3 - 3      EFECTO  DOPPLER







Contesta las siguientes preguntas:

a. Cuando te sitúas en una avenida y escuchas a los carros pasar, en qué momento se siente más agudo el sonido del motor: ¿cuándo el carro se acerca o cuando se aleja?
b.Si la fuente y el observador se encuentran en reposo, varía la frecuencia que percibe el observador cuando el sonido se refleja.
c. Indica en qué casos fo es mayor que f:

1. La fuente en reposo y el observador se aleja.
2. La fuente en reposo y el observador se acerca.

3.  El observador en reposo y la fuente se acerca.
4.  El observador en reposo y la fuente se aleja.
5.  El observador y la fuente se alejan mutuamente.
6.  El observador y la fuente se acercan mutuamente.


7.   Resuelve los siguientes problemas:

a. ¿Con qué velocidad deberá moverse hacia una fuente en reposo un observador para percibir una frecuencia el triple de la emitida por la fuente? (Resp.  680 m/seg.)

b. Una fuente sonora que emite un sonido de 380 s–1 se acerca con una velocidad de 25 m/s hacia un observador que se encuentra en reposo.  ¿Cuál es la frecuencia detectada por el observador? (Resp. 410.15 Hz)

c.Un autobús viaja con una velocidad de 16.6 m/s, y su corneta emite un sonido cuya frecuencia es de 270 s–1.  Si una persona camina en el mismo sentido a una velocidad de 3 m/s, ¿qué frecuencia percibe la persona? (Resp.  281.35 Hz)


d.Una persona percibe que la frecuencia del sonido emitido por un tren es 350s–1 cuando se acerca el tren y de 315 s–1 cuando se aleja.  ¿Cuál es la velocidad del tren?  (Resp. 17.89 m/seg.)

8.  El sonido es:
     A     Una onda longitudinal
     B     Una onda transversal
     C     Una onda electromagnética
     D     una onda de frecuencia  inferior a 20 s-1

9.  la velocidad de propagación del sonido depende de:
      A      Su frecuencia
      B      Su longitud de onda
      C      El medio de propagación
       D     ninguna de las anteriores

10 El observador se acerca a una fuente sonora que se encuentra en reposo. Podemos asegurar que:

A  El observador percibe el sonido con una frecuencia adicional .

B  El observador percibe el sonido con un acortamiento en la longitud de onda
C La frecuencia del sonido percibido es igual que si el observador estuviera en reposo y la fuente     Acercándose  hacia éste

D La frecuencia percibida es la misma que si el observador y la fuente estuvieran en reposo.




RESPUESTAS




a.    Cuando se acerca
b.    No varía
c.     1.   fo  < f
         2.   fo > f
         3.   fo > f
         4.   fo > f
         5.    fo < f
         6.    fo > f
 7.    a.     v  =  680 m/s
         b.     fo=  410.15 Hz
         c.     fo =  281.35 Hz
         d.     v  =   17.88 m/s

 8.    a.
9.     c
10    a

















































































 


VIDEOS 








SONIDO ONDAS SONORAS






















ONDA SONORA- MOV. ONDULATORIO









El Mundo de Beakman - El Sonido






















SONIDO RESUMEN BÁSICO












































 DIRECCIONES INTERACTIVAS


http://www.aves.edu.co/edusignos/recursos/5/onda.swf 
 GENEALIDADES – FENOMENOS ONDULATORIOS- CUESTIONARIO
















 

   

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