VELOCIDAD DEL SONIDO

La velocidad del sonido

 Es la velocidad de propagación de las ondas sonoras. En la atmósfera terrestre es de 343 m/s (a 20 °C de temperatura). La velocidad del sonido varía en función del medio en el que se trasmite.

La velocidad 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

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.

En general, la velocidad del sonido es mayor en los sólidos que en los líquidos y en los líquidos es mayor que en los gases. Esto se debe al mayor grado de cohesión que tienen los enlaces atómicos o moleculares conforme más sólida es la materia

• La velocidad del sonido en el aire (a una temperatura de 20 °C) es de 343 m/s. Si deseamos obtener la equivalencia en kilómetros por hora podemos determinarla mediante la siguiente conversión física:

Velocidad del sonido en el aire en km/h = (343 m / 1 s) · (3600 s / 1 h) · (1 km / 1000 m) = 1.234,8 km/h

• En el aire, a 0 °C, el sonido viaja a una velocidad de 331,5 m/s y si sube en 1 °C la temperatura, la velocidad del sonido aumenta en 0,6 m/s.
• En el agua (a 25 °C) es de 1.493 m/s.
• En la madera es de 3.900 m/s.
• En el hormigón es de 4.000 m/s.
• En el acero es de 5.100 m/s.
• En el aluminio es de 6.400 m/s.

Velocidad del sonido en los gases

En los gases la ecuación de la velocidad del sonido es la siguiente:

Siendo γ el coeficiente de dilatación adiabática, R la constante universal de los gases, T la temperatura en kelvin aguas arriba de la perturbación 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 = 29 g/mol para el aire.

Velocidad del sonido en los sólidos

En sólidos la velocidad del sonido está dada por:

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.

Velocidad del sonido en los líquidos

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).

 

UMBRAL DEL DOLOR

El límite del nivel de presión sonora se sitúa generalmente alrededor de 130 dB, coincidiendo con el umbral del dolor (molestias en el oído). La pérdida de audición de manera súbita, por daños mecánicos (en el oído medio) se produce a niveles muchos mayores. La exposición suficientemente prolongada a niveles superiores a 130 dB produce pérdida de audición permanente y otros daños

Percepción del dolor: La recepción del estímulo doloroso a la corteza cerebral determina la conciencia del individuo del estimulo que causó el dolor. La respuesta al dolor es heterogénea, porque difiere el “umbral” de las personas que lo sufren. El “umbral” para la percepción del dolor es la “intensidad mínima de un estimulo capaz de reconocida como dolor”.

     A nadie nos gusta, pero el dolor es necesario para garantizar nuestra supervivencia: es una señal de alerta de nuestro organismo que nos avisa de que algo no funciona correctamente. Pero no para todos es igual.
     Una persona recibe un golpe y aúlla de dolor; otra, sin embargo, apenas siente nada. Para algunos, el dolor de cabeza es un trance intolerable; otros, en cambio, aguantan hasta que se desmayan. ¿Es que unos son más sufridos y fuertes que otros? La diferencia está en el umbral o la tolerancia que tenemos los seres humanos frente al dolor. Los estudios realizados con diferentes tipos de razas humanas, por ejemplo, indican que casi todo el mundo tiene, más o menos, el mismo umbral… pero con algunos matices

Conviene destacar, que no siempre los individuos tienen el mismo nivel del “umbral” al dolor, pues el mismo está condicionado por los estados emocionales, los psicosociales (familia, trabajo, entorno), la cultura, la religión y hasta el factor racial (en ciertas razas existe más tolerancia al dolor). Paradójicamente, ciertas terapias para el dolor, se basan en estrategias de la medicina alternativa, donde se utilizan agujas que se insertan en la piel, generando estímulos dolorosos, que el paciente tolera, para llegar al objetivo del tratamiento su patología dolorosa.

UMBRAL DE AUDICIÓN

El umbral de audición define la mínima presión requerida para excitar el oído.El Umbral de Audición, para la media de los humanos, se fija en 20 µPa (20micro pascales = 0.000002 pascales), para frecuencias entre 2KHz y 4KHz.

Por encima y por debajo de estas frecuencias, la presión requerida para excitar el oído es mayor. Esto significa que nuestro oído no responde igual a todas las frecuencias (tiene una respuesta en frecuencia desigual).

Un tono puro, a la frecuencia de 125 Hz y con 15 dB de nivel, sería prácticamente inaudible, mientras que si aumentamos la frecuencia, hasta 500 Hz, sin variar el nivel de presión, se obtendría un tono claramente audible.

Las líneas discontinuas marcan los niveles de presión necesarios a cada frecuencia, para que el oído detecte (subjetivamente) la misma sonoridad en todas. Esto quiere decir que si reproducimos un tono de 31.5 Hz a 100 dB (NPS), luego otro de 63 Hz a 90 dB y otro de 125 Hz a 80 dB, el oyente dirá que todos sonaban al mismo volumen.

En 2 Khz. el umbral de audición se fija en 0 dB y a 4 Khz es incluso menor de 0 dB, ya que a 3600 Hz se encuentra la frecuencia de resonancia del oído humano.

Por debajo de 2000 Hz y según se va bajando en frecuencia, el oído se vuelve menos sensible. Los umbrales de audición para frecuencias menores de 2 Khz son: 5 dB a 1 Khz, 7 dB a 500 Hz, 11 dB a 250 Hz, 21 dB a 125 Hz, 35 dB a 63 Hz, 55 dB a 31 Hz. Estos son dB de nivel de presión.

Por encima de los 4 Khz, el oído es menos sensible, pero no tanto como en bajas frecuencias. Sin embargo, se producen fluctuaciones a frecuencias cercanas, debido a las perturbaciones que produce la cabeza del oyente en el campo sonoro. Los umbrales de audición son: 15 dB a 8 Khz y 20 dB a 16 Khz.

Todos los receptores de sonido, tienen un comportamiento que varía con la frecuencia. En el caso del oído humano, sucede lo mismo, ya que se trata el receptor más complicado y eficiente que existe.

PULSACIONES

Las pulsaciones se producen cuando dos ondas armónicas de frecuencias similares se superponen. La resultante de esta superposición es una onda cuya amplitud varía, alcanzando valores máximos y mínimos de vibración, lo que se percibe como fluctuaciones alternadas de la intensidad del sonido.

Las pulsaciones se producen por el desfase continuo de ambas ondas a medida que transcurre el tiempo.

La superposición de ondas de frecuencias ƒ1 y ƒ2 muy cercanas entre sí produce un fenómeno particular denominado pulsación (o batido).

En esos casos nuestro sistema auditivo no es capaz de percibir separadamente las dos frecuencias presentes, sino que se percibe una frecuencia única promedio (ƒ1 + ƒ2) / 2, pero que cambia en amplitud a una frecuencia de ƒ2 - ƒ1 .

Es decir, si superponemos dos ondas senoidales de 300 Hz y 304 Hz, nuestro sistema auditivo percibirá un único sonido cuya altura corresponde a una onda de 302 Hz y cuya amplitud varía con una frecuencia de 4 Hz (es decir, cuatro veces por segundo).

Las pulsaciones se perciben para diferencias en las frecuencias de hasta aproximadamente 15-20 Hz. Diferencias mayores de 15-20 Hz le dan al sonido percibido un carácter áspero, mientras que si la diferencia aumenta comienzan nuevamente a percibirse las dos ondas simultánea y separadamente.

EFECTO DOPPLER

EFECTO DOPPLER

Al efecto Doppler se le puso este nombre en honor a, Christian Doppler, que fue quien dio origen a la idea en 1842. El pensaba que las ondas de sonido podrían acercarse entre sí, si la fuente del sonido se movía en dirección al receptor. Así mismo, pesó que las ondas se alejarían, si la fuente del sonido se alejaba del receptor.

Piensa en las ondas de sonido como pulsaciones que se emiten a intervalos regulares. Imagina que cada vez que caminas, emites una pulsación. Cada pulsación frente a ti representa un paso más que te acerca, mientras que, si estuvieses parado sin moverte, cada pulsación detrás de ti representaría un paso que te aleja. En otras palabras, la frecuencia de las pulsaciones frente a ti es mayor de lo normal y, la frecuencia de las pulsaciones detrás de ti es menor de lo normal.

El efecto Doppler no sólo se aplica a los sonidos. Funciona con todo tipo de ondas. 

El efecto Doppler establece el cambio de frecuencia de un sonido de acuerdo al movimiento relativo entre la fuente de sonido y el observador. Este movimiento puede ser de la fuente, del observador o de los dos. Diríamos que el efecto doppler asume la frecuencia de la fuente como una constante pero lo escuchado depende de las velocidades de la fuente y el observador.

El efecto doppler se trata del cambio aparente en la frecuencia de una onda emitida por una fuente de movimiento. El efecto doppler aplica tanto para las ondas mecánicas como para las ondas electromagnéticas.

TONO

El tono es la propiedad de los sonidos que los caracteriza como más agudos o más graves.La magnitud física que está asociada al tono es la frecuencia. Los sonidos percibidos como graves corresponden a frecuencias bajas, mientras que los agudos son debidos a frecuencias altas.

Un tono puro corresponde a una onda senoidal, es decir, una función del tipo f(t) = A sen(2 π f t), donde A es la amplitud, t es el tiempo y f la frecuencia. En el mundo real no existen tonos puros, pero cualquier onda periódica se puede expresar como suma de tonos puros de distintas frecuencias. Existiría una frecuencia fundamental y varias frecuencias múltiplos de la fundamental, llamados armónicos. Las frecuencias de estos armónicos son un múltiplo entero de la principal.

DECIBELES

Definición:

Decibelio es la unidad relativa empleada en acústica y telecomunicaciones para expresar la relación entre dos magnitudes, acústicas o eléctricas, o entre la magnitud que se estudia y una magnitud de referencia.

El decibelio, cuyo símbolo es dB, es una unidad logarítmica. Es un submúltiplo del belio, de símbolo B, que es el logaritmo de la relación entre la magnitud de interés y la de referencia, pero no se utiliza por ser demasiado grande en la práctica, y por eso se utiliza el decibelio, la décima parte de un belio. El belio recibió este nombre en honor de Alexander Graham Bell.

Un belio equivale a 10 decibelios y representa un aumento de potencia de 10 veces sobre la magnitud de referencia. Cero belios es el valor de la magnitud de referencia. Así, dos belios representan un aumento de cien veces en la potencia, 3 belios equivalen a un aumento de mil veces y así sucesivamente.

Aplicaciones:

El decibelio es la unidad de medida utilizada para el nivel de potencia y el nivel de intensidad del sonido.

Se utiliza una escala logarítmica porque la sensibilidad que presenta el oído humano a las variaciones de intensidad sonora sigue una escala aproximadamente logarítmica, no lineal. Por ello el belio (B) y su submúltiplo el decibelio (dB), resultan adecuados para valorar la percepción de los sonidos por un oyente. Se define como la comparación o relación entre dos sonidos porque en los estudios sobre acústica fisiológica se vio que un oyente, al que se le hace escuchar un solo sonido, no puede dar una indicación fiable de su intensidad, mientras que, si se le hace escuchar dos sonidos diferentes, es capaz de distinguir la diferencia de intensidad.

Como el decibelio es una unidad relativa, para las aplicaciones acústicas, se ha tomado como convención, un umbral de audición de 0 dB equivalente a un sonido con una presión de 20 micro pascales, algo así como un aumento de la presión atmosférica normal de 1/5.000.000.000. Aun así, el verdadero umbral de audición varía entre distintas personas y dentro de la misma persona, para distintas frecuencias. Se considera el umbral del dolor para el humano a partir de los 140 dB. Esta suele ser, aproximadamente, la medida máxima considerada en aplicaciones de acústica.

Normalmente una diferencia de 3 decibelios, que representa el doble de señal, es la mínima diferencia apreciable por un oído humano sano. Una diferencia de 3 decibelios es aparentemente el doble de señal aunque la diferencia de sonoridad sea de diez veces.

Para el cálculo de la sensación recibida por un oyente, a partir de las unidades físicas medibles de una fuente sonora, se define el nivel de potencia, LW, en decibelios, y para ello se relaciona la potencia de la fuente del sonido a estudiar con la potencia de otra fuente cuyo sonido esté en el umbral de audición, por la fórmula siguiente:

 

W₁ es la potencia a estudiar, en vatios (variable), W₀ es el valor de referencia, igual a 10 ^{− 12} vatios y log₁₀ es el logaritmo en base 10 de la relación entre estas dos potencias. Si W1 es mayor que la potencia de referencia W0 de una antena ideal isotrópica el valor en decibelios es positivo. Y si W1 es menor que la referencia W0 el resultado es negativo. También observar que un aumento de 10 veces de la potencia W1 con respecto a la referencia significa un aumento de 10 dB. Y que al aumentar al doble la potencia W1 con respecto a W0 significa un aumento de 3 dB.

GANANCIA DE POTENCIA EN DECIBELES

La ganancia de Potencia G de un amplificador es la razón entre la potencia de salida y la potencia de entrada.

G = P2 / P 1