Unidad III – Sonido _ _

_ _ 59 Física II para Ing. en Prevención de Riesgos - Sem. I - 2010 - JMTB

Unidad III - Sonido

3 Sonido

Te haz preguntado ¿qué es el sonido?

Sonido: (en física) es cualquier fenómeno que involucre la propagación en forma de

ondas elásticas (sean audibles o no), generalmente a través de un fluido (u otro medio

elástico) que esté generando el movimiento vibratorio de un cuerpo.

3.1 Mecanismo de percepción del sonido en humanos

El sonido humanamente audible consiste en ondas sonoras consistentes en

oscilaciones de la presión del aire, que son convertidas en ondas mecánicas en el oído

humano y percibidas por el cerebro.

Una vibración es una oscilación respecto a una posición en equilibrio. Por ejemplo,

cuando haces sonar una campana, esta vibra. Estas vibraciones se desplazan por un espacio

y para esto requieren de un determinado tiempo.

Las ondas sonoras, que se transmiten como ondas de presión a trabes del aire, hacen

vibrar al tímpano, el cual esta unido a la cóclea (conocido comúnmente como el caracol), el

cual excita las células sensoriales que respondo con impulsos eléctricos a los estímulos de

movimiento. Estos estímulos son distintos para las distintas frecuencias que puede escuchar

nuestro oído.

Unidad III – Sonido _ _

_ _ 60 Física II para Ing. en Prevención de Riesgos - Sem. I - 2010 - JMTB

Un oído sano y joven es sensible a las frecuencias comprendidas entre los 20 Hz y

los 20 kHz. No obstante, este margen varia según cada persona y se altera con la edad

(llamamos presbiacusia a la pérdida de audición con la edad).

Fuera del espectro audible:

• Por encima estarían los ultrasonidos (Ondas

acústicas de frecuencias superiores a los 20 kHz).

• Por debajo, los (Ondas acústicas inferiores a los

20 Hz).

El espectro audible podemos subdividirlo en función de los tonos:

o Tonos graves (frecuencias bajas, correspondientes a las 4 primeras octavas,

esto es, desde los 16 Hz a los 256 Hz).

o Tonos medios (frecuencias medias, correspondientes a las octavas quinta,

sexta y séptima, esto es, de 256 Hz a 2 kHz).

o Tonos agudos (frecuencias altas, correspondientes a las tres últimas octavas,

esto es, de 2 kHz hasta poco más de 16 kHz).

En Occidente, dividimos el espectro audible en 11 secciones que denominamos

octavas.

La propagación del sonido involucra transporte de energía sin transporte de materia,

en forma de ondas mecánicas que se propagan a través de la materia sólida, líquida o

gaseosa.

Como las vibraciones se producen en la misma dirección en la que se propaga el

sonido, se trata de una onda longitudinal.

Unidad III – Sonido _ _

_ _ 61 Física II para Ing. en Prevención de Riesgos - Sem. I - 2010 - JMTB

La unidad de medida utilizada para el nivel de potencia y el nivel de intensidad del

sonido es el decibel [dB]

3.2 Decibel

Decibel: 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 decibel, cuyo símbolo es dB, es una unidad logarítmica.

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 decibel (dB), resultan adecuados para valorar la

percepción de los sonidos por un oyente.

Y, se define como una comparación o

relación entre dos sonidos porque en los estudios

sobre acústica fisiológica.

Ojo:

Se sabe 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.

Unidad III – Sonido _ _

_ _ 62 Física II para Ing. en Prevención de Riesgos - Sem. I - 2010 - JMTB

3.3 Nivel de potencia del sonido

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 WL , en decibeles, 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 siguiente fórmula:

En donde:

o W1 es la potencia a estudiar, en watts

o W0 es el valor de referencia, igual a 1210 watts

o log10 es el logaritmo en base 10 de la relación entre estas dos potencias.

Ojo:

Este valor de referencia (W0) se aproxima al umbral de audición en el aire

(intensidad mínima de sonido capaz de sentir el oído humano).

Datos útiles:

o Normalmente una diferencia de 3 decibeles, que representa el doble de señal, es la

mínima diferencia apreciable por un oído humano sano, esto quiere decir, que para

que nuestro oído detecte diferencia entre un ruido y otro, es necesario que este sea

por lo menos 3 dB mas que el anterior, esto implica tener que duplicar la potencia

del sonido para poder obtener el aumento de 3 dB.

Unidad III – Sonido _ _

_ _ 63 Física II para Ing. en Prevención de Riesgos - Sem. I - 2010 - JMTB

A continuación se presentan los valores típicos de algunos sonidos en decibeles:

Unidad III – Sonido _ _

_ _ 64 Física II para Ing. en Prevención de Riesgos - Sem. I - 2010 - JMTB

Las famosas vuvuzelas en

el Mundial de Sudáfrica 2010,

pueden producir sonidos de hasta

127 decibeles…

…que equivalen al ruido

producido por un avión

despegando… por 90 minutos.

3.4 Nivel de presión del sonido

Las ondas de sonido producen un aumento de presión en el aire, luego otra manera

de medir físicamente el sonido es en unidades de presión (pascales).

Y puede definirse el Nivel de presión, PL , que también se mide en decibeles:

En donde:

o P1 es la presión del sonido a estudiar

o P0 es el valor de referencia, igual a 5102 x Pa.

Este valor de referencia se aproxima al umbral de audición en el aire.

Unidad III – Sonido _ _

_ _ 65 Física II para Ing. en Prevención de Riesgos - Sem. I - 2010 - JMTB

3.5 Normativa del sonido

Existen numerosa normativa en la cual están detallados los máximos permisibles en

distintos ambientes, ya sea laborales o no, y los tiempos máximos permitidos para dicha

exposición.

A continuación se presenta un par de ellas:

o El D.S. Nº146/97 del Minsegpres que fija límites máximos permisibles de emisión

de ruidos para fuentes fijas.

o El D.S. Nº129/2003 del Mintrastel que fija límites máximos permisibles de emisión

de ruidos para fuentes móviles (buses de locomoción colectiva).

3.6 Propagación del sonido

El sonido es una vibración, como tal, se puede dar en cualquier medio material,

sólido, líquido o gaseoso como el aire. En cada medio, se propaga a una velocidad

diferente, principalmente en función de la densidad. Cuanto más denso sea el medio, mayor

será la velocidad de propagación del sonido. En el vacío, el sonido no se propaga, al no

existir partículas que puedan vibrar.

En el aire se propaga en forma esférica, este fenómeno se llama divergencia

esférica (véase la figura que viene a continuación), que es el nivel de presión disminuye

conforme el sonido se propaga. Cuando el frente de onda es esférico, en la mayoría de los

casos, el nivel de presión cae 6 dB por cada vez que se duplica la distancia. Estas se llaman

pérdidas por divergencia esférica.

Unidad III – Sonido _ _

_ _ 66 Física II para Ing. en Prevención de Riesgos - Sem. I - 2010 - JMTB

3.7 Velocidad del sonido

La velocidad del sonido es la velocidad de propagación de las ondas sonoras. En la

atmósfera terrestre es de 340 m/s (a 20°C de temperatura). La velocidad del sonido varía en

función del medio en el que se trasmite.

La velocidad del sonido depende de:

o la compresibilidad (1/K) del medio

o la densidad es un factor importante en la velocidad de propagación

Unidad III – Sonido _ _

_ _ 67 Física II para Ing. en Prevención de Riesgos - Sem. I - 2010 - JMTB

3.8 Efecto Doppler

Es el cambio en la frecuencia de una onda producido por el movimiento de la fuente

respecto a su observador.

… en otras palabras, el efecto Doppler existe si:

la velocidad a la que se mueve el objeto que emite las ondas es comparable a la

velocidad de propagación de esas ondas.

La velocidad de una patrulla (50 km/h) puede parecer insignificante respecto a la

velocidad del sonido al nivel del mar (unos 1.235 km/h), sin embargo se trata de

aproximadamente un 4% de la velocidad del sonido, fracción suficientemente grande como

para provocar que se aprecie claramente el cambio del sonido de la sirena desde un tono

más agudo a uno más grave, justo en el momento en que el vehículo pasa al lado del

observador.

Imaginemos lo siguiente:

o un observador O

o una fuente de sonido S

o la fuente de sonido S es a una frecuencia f

o el observador O escucha a una frecuencia f’

o la fuente de sonido S posee una velocidad Vs

o el observador O posee una velocidad Vo

Unidad III – Sonido _ _

_ _ 68 Física II para Ing. en Prevención de Riesgos - Sem. I - 2010 - JMTB

En el primer caso (arriba a la izquierda) el observador se esta acercando a la fuente

de sonido, la cual se encuentra detenida. Para el segundo caso (arriba a la derecha) el

observador se esta alejando de la fuente de sonido, la cual esta detenida. El tercer caso

(abajo a la izquierda) es cuando el observador esta detenido y la fuente de sonido se acerca.

Y el último caso (abajo a la derecha) ocurre cuando el observador esta detenido y la fuente

de sonido se aleja.

¿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:

Los signos y deben ser aplicados de la siguiente manera:

si el numerador es una suma, el denominador debe ser una resta y viceversa

Unidad III – Sonido _ _

_ _ 69 Física II para Ing. en Prevención de Riesgos - Sem. I - 2010 - JMTB

Ejercicio 1

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 velocidad del sonido es 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).

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.

Unidad III – Sonido _ _

_ _ 70 Física II para Ing. en Prevención de Riesgos - Sem. I - 2010 - JMTB

3.9 Aplicaciones del efecto Doppler

o Sirenas

o Astronomía (luz)

o Radares

o Imaginología (medicina)

o Medición de flujos

o Perfiles de velocidad (líquidos)

o Acústica submarina (sonares)

o Audio (efectos)

o Medición de vibraciones