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Unidad 5 : Biofísica de la percepción de
Señales Acústicas y Luminosas
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Principales temas de la Unidad 5
Ondas. . Fenómenos ondulatorios Sonido Biofísica de la audición. Ultrasonido Luz. Espectro electromagnético Propiedades ondulatorias de la luz. Laser . Aplicaciones odontológicas de la luz
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¿Por qué estudiar Ondas?
La vida cotidiana y la actividad cientìfica-tecnològica, se desarrolla mediante ondas.
• movimiento de olas del mar; progreso de círculos concéntricos en el agua estancada y perturbada con una piedra;
• movimientos sísmicos; • movimientos de vai ven de las
hierbas provocados por la brisa y el viento;
• propagación del sonido; • propagación de la luz, etc.
• movimientos cíclicos del músculo cardíaco;
• movimientos cíclicos al comer; • comunicaciones inalámbricas;
comunicaciones por cables; • usos médicos del láser • usos médicos de los rayos X • traducción de señales
acústicas y luminosas en energía eléctrica y electrónica, etc.
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Una onda es una perturbación de una propiedad física que viaja a través de un medio material o del
vacío transportando energía y cantidad de movimiento de un punto a otro. Si la onda avanza en un medio material, las
partículas del medio sólo oscilan en su lugar.
La onda desplaza energía, no materia.
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Avance de una onda y oscilaciones de partículas del medio
Las oscilaciones son un tipo de movimiento. Cuando avanza una onda por un medio material, las partículas oscilan con respecto a su posición de equilibrio o reposo. No hay movimiento neto de partículas.
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¿Qué tipos de movimiento conocemos?
Según la trayectoria de la partícula en movimiento: • Movimiento Rectilíneo
• Movimiento Curvilíneo
• Movimiento oscilatorio o vibratorio
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¿Cuándo un cuerpo o una partícula se mueve con movimiento oscilatorio o vibratorio?
Cuando el cuerpo se mueve en línea recta respecto de una posición de equilibrio. Ejemplos: el péndulo simple, un resorte horizontal o vertical, las partículas de una cuerda a medida que es alcanzada por una perturbación.
Si tarda el mismo tiempo en una oscilación completa y se aleja la misma distancia máxima de la posición de equilibrio, se llama: Movimiento Oscilatorio Armónico (MOA ) o Movimiento Armónico Simple (MAS).
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Magnitudes del MOA (MAS)
Elongación (x o y): posición del cuerpo a cada instante, respecto de la posición de equilibrio. Amplitud (A): posición de máxima elongación Período (T): tiempo que tarda el cuerpo en hacer una oscilación completa. Frecuencia (f): número de vibraciones en la unidad de tiempo
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Resumen de magnitudes y unidades del MOA
Magnitud Símbolo Unidad en S.I.
Elongación x ; y m
Amplitud A m
Período T s
Frecuencia f 1/s = Hz (hertz)
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Gráfico del MOA en función del tiempo
Graficando las sucesivas posiciones que la partícula toma a cada instante en cada oscilación completa, en función del tiempo, se obtiene una gráfica senoidal.
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¿Qué relación tiene una onda con el MOA?
perturbación
oscilación de partículas
(MOA)
progreso de oscilación =
ONDA
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Clasificación de ondas
Según la dirección de propagación y de oscilación
1. Transversales
2. Longitudinales
Según la dimensión de propagación
1. Unidimensionales
2. Bidimensionales o superficiales
3. Tridimensionales o esféricas
Según el medio de propagación
1. Mecánicas
2. Electromagnéticas
Según su periodicidad
1. Periódicas
2. No periódicas o aperiódicas
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Onda transversal
Tipos de ondas
Dirección de la onda
Dirección de oscilación de partículas del medio
Ej.: ondas EM; onda en el agua; onda en una cuerda
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Onda longitudinal
Tipos de ondas
Dirección de oscilación de partículas del medio
Dirección de la onda
Ej. Ondas sonoras; onda en un muelle o resorte
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Tipos de ondas
Onda Unidimensional Onda Bidimensional
Onda Tridimensional
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Onda periódica: reitera su forma en intervalos sucesivos de
tiempo. Ej. Tonos como las vocales
Toda onda periódica se puede transformar en una onda senoidal (teorema de Fourier)
Onda aperiódica: no repite su forma a través del tiempo. Ej. Los ruidos, tales como los consonánticos.
Tipos de Onda
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Armónica o senoidal: Onda periódica generada por
un MAS (movimiento armónico simple) que responde a una función senoidal. Posee un período (T) constante.
Tipos de onda
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Ondas simples: son las asociadas a ondas
senoidales. Ej. El sonido obtenido con un
diapasón.
Ondas complejas: son las que resultan de la combinación o superposición de ondas de frecuencias y amplitudes variadas. Ej.: la
mayoría de los ruidos de la Naturaleza
Tipos de Ondas
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1º Necesita de una perturbación (sacar del
equilibrio). Por ej. Una gota que cae sobre un espejo de agua; vibración de cuerdas vocales….
¿Cómo se genera una onda?
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¿Cómo se genera una onda?
2º Necesita de un medio para «viajar» o propagarse: material elástico si es onda mecánica (OM); medio material o vacío, si es onda electromagnética (EM).
Onda Mecánica
Onda Electro Magnética
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• Dirección de propagación
• Longitud de onda
• Altura o amplitud
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Dirección de propagación: línea que sigue la
propagación de energía de una onda unidimensional. Si es bidimensional, sigue un área. Si es tridimensional, se propaga en un espacio.
Dirección de una onda
![Page 23: Unidad 5 : Biofísica de la percepción de Señales Acústicas](https://reader034.vdocuments.co/reader034/viewer/2022042322/625d14573e7e924c131f0bf9/html5/thumbnails/23.jpg)
Longitud de onda. Altura
Longitud de onda (𝛌): distancia entre dos crestas o dos valles sucesivos de una onda. Se mide en (m).
Altura o amplitud: distancia máxima desde el eje de equilibrio a una cresta o a un valle. Se mide en (m).
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• Período
• Frecuencia
• Rapidez
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Período de una onda senoidal (T): tiempo que
demora en propagarse un ciclo completo de la onda. Se mide en (s)
Frecuencia (f): número de ciclos que se propaga en la unidad de tiempo. Se mide en (s -1 ) o hertz (Hz)
Período. Frecuencia
Relación entre T y f:
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Rapidez de una onda
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Ejemplo
![Page 28: Unidad 5 : Biofísica de la percepción de Señales Acústicas](https://reader034.vdocuments.co/reader034/viewer/2022042322/625d14573e7e924c131f0bf9/html5/thumbnails/28.jpg)
¿Qué es el sonido?
Es una onda mecánica, longitudinal, que sólo se propaga por medios materiales y que
es percibida por el oído humano a frecuencias entre 20 Hz y 20 kHz
![Page 29: Unidad 5 : Biofísica de la percepción de Señales Acústicas](https://reader034.vdocuments.co/reader034/viewer/2022042322/625d14573e7e924c131f0bf9/html5/thumbnails/29.jpg)
Propiedades del sonido
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Intensidad del sonido. Se mide a través de la
Intensidad sonora: energía que se propaga por unidad de área transversal y unidad de tiempo.
I = 2 . π2 .f2 .δ. v. A Donde f es la frecuencia en s-1
δ es la densidad del medio en Kg/m3
v es la velocidad de la onda en m/s a es la amplitud máxima en m La intensidad I se mide en W/m2
Propiedades del sonido
![Page 31: Unidad 5 : Biofísica de la percepción de Señales Acústicas](https://reader034.vdocuments.co/reader034/viewer/2022042322/625d14573e7e924c131f0bf9/html5/thumbnails/31.jpg)
Propiedades del sonido
Principales factores modificantes de I: • f (frecuencia) • A (amplitud) • Distancia a la fuente: ley del
inverso al cuadrado si la propagación es en todas direcciones.
I proporcional a 1/r 2
• Características del medio
La posición de la manos disminuye la dispersión lateral de la onda conservando la I en una dirección.
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Nivel de Intensidad. Medida relativa de la
intensidad sonora, que se calcula como:
Nivel de Intensidad β = 10 log I / I o
donde I Io = 10-12 W/m2 es la intensidad de referencia.
Se mide en decibel (db)
Escala decibèlica
Propiedades del sonido
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Propiedades del sonido
![Page 34: Unidad 5 : Biofísica de la percepción de Señales Acústicas](https://reader034.vdocuments.co/reader034/viewer/2022042322/625d14573e7e924c131f0bf9/html5/thumbnails/34.jpg)
Tono o altura. Propiedad psicofísica que permite
diferenciar el sonido grave del agudo. Propiedad dependiente de la frecuencia (f) de la onda sonora.
Propiedades psicofísicas del sonido
![Page 35: Unidad 5 : Biofísica de la percepción de Señales Acústicas](https://reader034.vdocuments.co/reader034/viewer/2022042322/625d14573e7e924c131f0bf9/html5/thumbnails/35.jpg)
Timbre o calidad sonora. Propiedad psicofísica que
permite diferenciar dos fuentes sonoras aunque emitan en la misma frecuencia e intensidad. Objetivamente, depende de la «forma» de la onda.
Ej. Permite diferenciar una soprano de una contralto cuando cantan la misma nota musical.
Propiedades psicofísicas del sonido
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Reflexión
Refracción
Difracción
Resonancia
Interferencia
Efecto Doppler
Fenómenos ondulatorios
![Page 37: Unidad 5 : Biofísica de la percepción de Señales Acústicas](https://reader034.vdocuments.co/reader034/viewer/2022042322/625d14573e7e924c131f0bf9/html5/thumbnails/37.jpg)
Reflexión del sonido
La reflexión reiterada produce «reverberación» y deformación del sonido.
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Reflexión de una onda en un tubo
Una onda sonora que viaja por un fluido confinado en un tubo con un extremo cerrado, se refleja y superpone, generando una onda estacionaria
![Page 39: Unidad 5 : Biofísica de la percepción de Señales Acústicas](https://reader034.vdocuments.co/reader034/viewer/2022042322/625d14573e7e924c131f0bf9/html5/thumbnails/39.jpg)
Refracción del sonido
La onda sonora se refracta cuando el medio de propagación cambia. Ej. Cambios de temperatura en el aire: cambia la dirección y rapidez de la onda porque cambia la densidad del medio
![Page 40: Unidad 5 : Biofísica de la percepción de Señales Acústicas](https://reader034.vdocuments.co/reader034/viewer/2022042322/625d14573e7e924c131f0bf9/html5/thumbnails/40.jpg)
Tenemos dos diapasones (A y B). Damos un golpe a un brazo
del A y la vibración (vibración natural) se transmite por la superficie de apoyo. El sonido se hace más intenso. La mesa ha sido forzada a vibrar (vibración forzada). Cuando la vibración llega hasta el diapasón B comenzará a vibrar. Si es de material idéntico al A y vibran con igual frecuencia y están en RESONANCIA (vibración por resonancia)
Resonancia
![Page 41: Unidad 5 : Biofísica de la percepción de Señales Acústicas](https://reader034.vdocuments.co/reader034/viewer/2022042322/625d14573e7e924c131f0bf9/html5/thumbnails/41.jpg)
Superposición de ondas sonoras o Interferencia
Onda sonora 1 en fase con la 2. Onda resultante de mayor A
Onda sonora 1 desfasada y en oposición con la 2
![Page 42: Unidad 5 : Biofísica de la percepción de Señales Acústicas](https://reader034.vdocuments.co/reader034/viewer/2022042322/625d14573e7e924c131f0bf9/html5/thumbnails/42.jpg)
Superposición de ondas sonoras o Interferencia
Onda 01 y onda reflejada 10. Vibra con frecuencia fundamental. Se refleja sucesivamente y produce una onda superpuesta constructiva (máxima A o antinodo) y destructiva (nodo o punto sin vibración). La onda resultante se llama estacionaria. Ej ondas sonoras en instrumentos musicales de cuerda y de viento
![Page 43: Unidad 5 : Biofísica de la percepción de Señales Acústicas](https://reader034.vdocuments.co/reader034/viewer/2022042322/625d14573e7e924c131f0bf9/html5/thumbnails/43.jpg)
Superposición de ondas sonoras o Interferencia
![Page 44: Unidad 5 : Biofísica de la percepción de Señales Acústicas](https://reader034.vdocuments.co/reader034/viewer/2022042322/625d14573e7e924c131f0bf9/html5/thumbnails/44.jpg)
Difracción del sonido
Si una onda sonora pasa por una abertura u orificio de tamaño igual o cercano a su 𝛌, la abertura se transforma en una fuente de ondas de menor I. (principio de Huygens)
![Page 45: Unidad 5 : Biofísica de la percepción de Señales Acústicas](https://reader034.vdocuments.co/reader034/viewer/2022042322/625d14573e7e924c131f0bf9/html5/thumbnails/45.jpg)
Ejemplo de las «ventajas» de la difracción sonora