Características del Sonido

 

 

 

Actividad de Aprendizaje:

Ilustra los aspectos más relevantes del sonido en sólidos, líquidos y gases.

 

 

El movimiento ondulatorio sonoro, también conocido como sonido, es un conjunto de ondas longitudinales generadas en un medio elástico que puede ser sólido, líquido o gaseoso; medio en el que se propagan. Las ondas se generan al comprimir y liberar los medios mencionados, produciendo ondas fundamentales o compuestas de frecuencia mayor o igual a 20 Hz y  menor o igual a 20 kHz.                 ( 20 Hz £  f  £  20 kHz). Se denominan sonoras o audibles porque las puede percibir el oído humano.

 

 

 

Velocidad de las Ondas Sonoras:

 

Las ondas sonoras poseen entre otras características velocidad, la que se ha comprobado es función de la elasticidad del medio y su densidad, resultando mayor en los sólidos que en los líquidos y mayor en estos últimos que en los gases. Las ondas sonoras no se transmiten en el vacío, debido a la carencia en este espacio  de medio elástico. Se ha comprobado que la velocidad del sonido en el acero es 5000 m/s; mientras que en el agua es de 1450 m/s y en el aire 331 m/s en condiciones normales de temperatura  y presión atmosférica (273K y 101300 Pa).

 

 

A continuación, aparece un conjunto de ecuaciones para calcular la velocidad del sonido  en medios diferentes.

 

 

Para sólidos:

Donde “v_s “ es la velocidad o rapidez de la onda en un sólido, en m/s ; “Y”, el módulo de Young,  en Pa y “r”, la densidad del sólido, en kg /m³ .          

 

 

 

Para líquidos:

 

 

Para gases:

 

 

Donde “g” es una constante que se indica en la razón siguiente:

 

 

Esta constante vale aproximadamente 1.67 para gases monoatómicos y 1.4 para el aire y gases biatómicos; p es la presión del gas en Pa; y r la densidad del gas , en kg /m³ .

 

Estos modelos se pueden deducir aplicando el teorema de la conservación de la cantidad de movimiento, tal como se hizo para la velocidad de una onda transversal en una cuerda.

 

 

 

 

Ondas Sonoras en la Atmosfera:

 

Cuando hablamos, es la atmósfera la que nos sirve de medio para la transmisión de nuestras palabras; se puede demostrar que al presionar una membrana en la atmósfera y hacerla vibrar, el gas de que está compuesta la atmósfera presenta un conjunto de compresiones de partículas y rarefacciones de las mismas, moviéndose en vaivén, que hacen que se transmitan,  a lo largo de líneas radiales, ondas longitudinales.

 

 

Como ondas de frecuencia o frecuencias constantes, el sonido se propaga con rapidez constante dentro de un medio más o menos homogéneo de temperatura y presión constantes, como en la atmósfera de cierto lugar en la Tierra. Así, se ha medido que a temperatura de 273 K ( 0° C ) , el sonido en la atmósfera tiene una rapidez de 331 m/s, por lo que un tono de un 1 kHz tendrá una longitud de onda de 0.331m ( 33.1 cm ). Si la temperatura de la atmósfera de ese lugar aumenta, se ha comprobado que la rapidez del sonido aumenta 0.6 m/s por cada Kelvin de aumento en la temperatura; así, para 20K de aumento en la temperatura, la rapidez es de 343 m/s, esto se puede calcular de la manera siguiente:

 

La ecuación aplicada se representa como sigue:

 

 

En la que “v_273K “ es la rapidez a 273 K (0 °C) igual a 331m/s y 0.6m/s K es la constante de la variación de la rapidez con la temperatura desde 273 K . Es común manejar 1K = 1 °C por lo que la ecuación sintetizada queda:

 

También se ha comprobado que el aumento de la rapidez de un sonido responde directamente a la variación de la temperatura absoluta del medio, esto es expresado en la ecuación siguiente:

 

 

En la que v₁ y v₂ son las rapideces de la onda a las temperaturas absolutas T₁ y T₂ respectivamente.

 

Hagamos un ejercicio con el fin de practicar con las dos ecuaciones.

 

Un tono de 400Hz se transmite a las 6 de la mañana para anunciar el inicio de actividades en una fábrica. Calcule el tiempo en que escucha el tono un obrero que vive a un kilómetro de la fábrica, si la temperatura es de 278 K y cuantas longitudes de onda ha emitido la fuente antes de que el obrero la escuche.

 

Desarrollo:

 

Para contestar la pregunta primera, se calcula la rapidez de propagación de la onda de la manera siguiente:

 

Despejando v₁

 

Sustituyendo datos.

 

También se puede calcular con:

 

 

Como el movimiento de la onda es rectilíneo uniforme,

 

 

Para la segunda pregunta, conocemos el tamaño de la longitud de onda usando la ecuación siguiente:

 

 

 

Para que el sonido alcance el oído del obrero, la fuente ha emitido tantas longitudes de onda como la división entre la distancia de separación y la longitud de la onda, por lo que:

 

 

 

 

Frecuencia y Tono:

 

Los sonidos tienen frecuencia y tono.

      

Un sonido puede tener una sola frecuencia, digamos 1000 Hz, semejante a la que se escucha en el auricular de un teléfono cuando se descuelga o a la que emite un diapasón al perturbarlo. También puede estar formado de un conjunto de frecuencias mezcladas, como las que se emiten cuando hablamos.

 

La frecuencia es una característica objetiva del sonido, lo que significa que se puede medir, se simboliza con una f y su unidad es el Hertz, abreviado Hz.

 

 

A la frecuencia corresponde una característica subjetiva (no medible) del sonido llamada tono. El tono por clasificación puede se agudo o grave. Agudo es el de una frecuencia alta, digamos 10 000 Hz; y grave si es el de una frecuencia baja, digamos 300 Hz. El tono por ser una característica subjetiva no posee una división definida entre los sonidos graves y los agudos; es decir, si a dos personas se les pide distingan el tono de un sonido, posiblemente una diga que se trata de un sonido agudo y la otra de uno grave; aunque pudieran coincidir.

 

Como ya dijimos, las frecuencias audibles van de 20 a 20 000 Hz.

 

 

Figura 84. El tono de un sonido depende de su frecuencia.

 

 

 

Ve con atención el video siguiente: