C U R S O: FÍSICA COMÚN

MATERIAL: FC-03

ONDAS II

Parlantes

Elisha Gray (Barnesville, 1835 - Newtonville, 1901) Inventor estadounidense, célebre porsus reivindicaciones sobre la invención del teléfono y por idear diversos aparatos decomunicación eléctrica, ideó un sencillo altavoz para hacer audible la transmisión de la voz.Es una de las personas que se le atribuye la invención de los altavoces o parlantes.En 1867 registró su primera patente de un aparato perfeccionado de telegrafía, al quesiguieron después unos setenta inventos más; el más famoso fue el telégrafo armónico omusical, basado en las vibraciones de los impulsos electromagnéticos.El 14 de febrero de 1876 presentó en la Oficina de Patentes un nuevo aparato, el teléfono,que transmitía la voz humana a través del hilo telegráfico, pero lo hizo dos horas despuésque Alexander G. Bell hiciera lo propio con otro aparato muy parecido; Gray reclamóentonces la paternidad del invento, y según algunos después de unos oscurosacontecimientos le fue adjudicada a Bell.

Hay distintos tipos de parlantes, por ejemplo de bobina móvil, parlantes dinámicos, demembrana móvil, etc. Un parlante es un transductor electro-mecánico-acústico, lostransductores transforman un tipo de energía en otro. El parlante hace un papel similar aldel micrófono, solo que a diferencia de este, el parlante realiza la operación inversa, ya que,transforma señales eléctricas en ondas de presión y densidad sonora, es decir generaperturbaciones mecánicas. En la primera parte convierte las ondas eléctricas en energíamecánica y en la segunda etapa convierte la energía mecánica en energía acústica. Laspartes principales que componen un parlante de bobina móvil son un imán con forma derosquilla, un diafragma y una bobina, que está unida al diafragma. Debido al campomagnético que se genera la bobina se mueve lo que hace que el diafragma se mueva. Elmovimiento del diafragma es el que provoca zonas de compresión y rarefacción en lasmoléculas del aire.

2

El Sonido

El sonido es una onda mecánica longitudinal que se produce por la vibración de un medioelástico que puede ser sólido, líquido o gaseoso y se transmite por variaciones de presión delmedio.

Características del sonido

i) Tono o altura

Es la característica que permite distinguir cuando un sonido es más agudo o más grave queotro. Depende principalmente de la frecuencia de la onda sonora, correspondiendo a lossonidos agudos frecuencias altas y a los sonidos graves frecuencias bajas.

Es conocido que el sistema auditivo humano típico puede apreciar como sonido,vibraciones con frecuencias entre 20 Hz (umbral inferior) y 20.000 Hz (umbral superior),intervalo que se conoce como rango audible. Vibraciones con frecuencias bajo 20 Hz sellaman infrasonido y sobre 20.000 Hz ultrasonido, ninguna de las cuales es audible por eloído humano.

ii) Timbre o calidad

Es la característica que permite diferenciar dos o más sonidos de igual altura e intensidademitidos por fuentes sonoras distintas.

iii) Intensidad

Es la característica que permite distinguir cuando un sonido es fuerte o débil. Dependefundamentalmente de la amplitud de la onda, correspondiendo a sonidos fuertes, ondas degran amplitud y a sonidos débiles, ondas de menor amplitud. Para medir la intensidad delsonido se utiliza un instrumento llamado sonómetro. La unidad de medida del nivel deintensidad, es el decibel (dB)

Infrasonido Sonido Ultrasonido

Menores de 20 Hz 20-20.000 Hz Mayores a 20.000 Hz

dB Fuente de Sonido0 Silencio absoluto30 Canto de un pájaro pequeño50 Conversación normal90 Alguien gritando cerca100 Obras de carretera con maquinaria pesada120 Cerca de un escenario de un concierto de rock

140

Exposición permanente a un ruido de este nivel producirádaños en el tímpano. Estando a 50 m de un avión comercial apunto de despegar; en este nivel el sonido causará dolor yposibles náuseas.

3

Rapidez de propagación

La rapidez de propagación de una onda sonora depende del medio a través del cual se

propaga y de dos factores importantes: la temperatura del medio y la densidad del medio.

Cualquier variación de estos factores hará variar la velocidad de propagación. La siguiente

tabla nos muestra algunos valores de velocidad del sonido en distintos medios y a

distinta temperatura.

Nota: La rapidez de propagación de la onda sonora es independiente de la frecuencia y de la

longitud de onda, en un medio homogéneo y a temperatura constante esta velocidad es

también constante.

Medio Velocidad

Hidrógeno 1286 m/s

Oxigeno (a 0°C) 317 m/s

Helio (a 0°C) 972 m/s

Aire seco (a 0°C) 331 m/s

Aire seco (a 20°C) 340 m/s

Agua (a 25°C) 1493 m/s

Agua (a 15°C) 1450 m/s

Agua (a 8°C) 1435 m/s

Alcohol metílico (a 25°C) 1493 m/s

Agua de mar (a 25°C) 1553 m/s

Aluminio (a 25°C) 5100 m/s

Cobre (a 25°C) 3560 m/s

Hierro y acero (a 2(°C) 5130 m/s

Plomo (a 25°C) 1322 m/s

Hule vulcanizado (a 25°C) 54 km/s

4

Fenómenos que ocurren en el sonido

El sonido por ser una onda se puede reflejar, refractar, difractar y además cumple con elprincipio de superposición.

Reflexión

La reverberación es un fenómeno derivado de la reflexión del sonido consistente enuna ligera prolongación del sonido una vez que se ha extinguido el original, debido a lasondas reflejadas. Estas ondas reflejadas sufrirán un retardo no superior a 100 milisegundos(0,1 s), que es el valor de la persistencia acústica, tiempo que corresponde a una distanciarecorrida de 34 metros a la velocidad de 340 m/s (el camino de ida y vuelta a una paredsituada a 17 metros de distancia). Cuando el retardo es mayor ya no hablamos dereverberación, sino de eco. La reverberación se puede corregir sin cambiar la geometría dela sala colocando materiales tanto en las paredes como en el suelo o techo que absorbanla mayor parte del sonido.

El eco es otro fenómeno relacionado con la reflexión del sonido. La señal acústica original seha extinguido, pero aún devuelve sonido en forma de onda reflejada.

Se produce eco cuando la onda sonora se refleja perpendicularmente en una pared. Paraque se produzca eco, la superficie reflectante debe estar separada del foco sonoro unadeterminada distancia: 17 m o más para sonidos musicales, lo que se debe a la persistenciaacústica. El oído puede distinguir separadamente sensaciones que estén por encima deltiempo de persistencia acústica, que es 0,1 s para sonidos musicales. Por tanto, si el oídocapta un sonido directo y, después de los tiempos de persistencia especificados, capta elsonido reflejado, se apreciará el efecto del eco.

Refracción

Ocurre cuando una onda sonora cambia de medio. La refracción del sonido a veces no esfácil de distinguir, pues como el sonido que sale de una fuente sonora se dirige en todaslas direcciones, en forma tridimensional, será difícil percibir la desviación que ocurre alentrar a otro medio. Sin embargo, si se pudiera aislar una onda sonora se verificaría estapropiedad.

Difracción

Al pasar por una abertura (una ventana abierta, por ejemplo), el sonido hace que laabertura se comporte como una fuente sonora. Por ello, alguien que este fuera del recintodonde se produce el sonido podría creer que éste proviene de esa abertura.Algo similar ocurre cuando el sonido, en su trayectoria se encuentra con un borde (de unapared, por ejemplo). Ahí el frente de ondas sufrirá una deformación, de tal forma que eseborde se comporta como una fuente de ondas sonoras.

5

Interferencia

Recordemos que la superposición de ondas se conoce como interferencia. Si lainterferencia se produce en fase, las ondas se interferirán de forma constructiva.

En la interferencia constructiva de ondas sonoras, percibiremos un sonido de mayorvolumen. Esto ocurre porque la amplitud del sonido aumenta y, en consecuencia, en la zonadonde se produce esta interferencia la onda sonora transportará una mayor cantidad deenergía. Si la interferencia es destructiva, se generan zonas de silencio, es decir, zonasdonde no se escucha sonido alguno.

Efecto Doppler

Cuando un auto de la policía pasa a gran velocidad junto a nosotros tocando la sirena,percibimos que el tono del sonido cambia; a medida que el auto se acerca se aprecia untono más agudo, y se percibe más grave a medida que se aleja.Este fenómeno se conoce como efecto Doppler, en honor al físico austriaco Christian J.Doppler.

Para comprender este fenómeno consideremos un auto policial en movimiento con sussirenas emitiendo sonido. El vehículo tiende a alcanzar las ondas sonoras que se propagandelante de ella y a alejarse de las que se propagan detrás. Esto da por resultado que, paraun observador estático, aparentemente las ondas se compriman delante y se expandandetrás de la fuente en movimiento.

Tal como lo muestra la figura 1, para José que está delante del auto le llegarán másperturbaciones de onda por segundo por lo que aprecia una frecuencia mayor que laproducida por la fuente de sonido. En cambio, Anita que está parada detrás delvehículo le llegarán menos perturbaciones por segundo y percibirá una frecuencia menor.

fig. 1

vAnita José

RP 007

6

Cuando el receptor (R) y la fuente emisora (E) se mueven simultáneamente (a lo largo deuna misma recta), la frecuencia que detectará el receptor depende, naturalmente, de lasvelocidades de ambos y está dada por:

Observe que los signos “+” en el numerador y “–” en el denominador corresponden a unaumento de frecuencia (aproximación entre la fuente y el receptor). Por otra parte, los signos“-” en el numerador y “+” en el denominador corresponden a una disminución de lafrecuencia (alejamiento entre la fuente y el receptor).Las ecuaciones anteriores, aunque hayan sido deducidas para ondas mecánicas, puedenaplicarse también a las ondas luminosas, si las velocidades del emisor y el receptor sonmucho menores que la velocidad de la luz en el vacío. Cuando esto no ocurre, las ecuacionesse alteran debido a efectos relativistas.

Frecuencia Natural

Se llama frecuencia natural al sonido característico de un objeto cuando vibra. La frecuencianatural depende de factores tales como la elasticidad y la forma del objeto. Dos objetosdiferentes, por lo general, emiten sonidos distintos cuando vibran.

Resonancia

Se denomina vibración forzada a la vibración inducida sobre un cuerpo por otro queesta vibrando. Cuando la frecuencia de las vibraciones forzadas que se generan en unobjeto coincide con la frecuencia del mismo se produce un aumento notable en elvolumen del sonido que emiten. Este fenómeno se denomina resonancia.Los ejemplos más notables de la resonancia son:

- Si una cantante mantiene una nota de cierta frecuencia, puede llegar a inducirvibraciones en un vaso hasta que se rompa.

- Los soldados rompen el paso para atravesar un puente, ya que el paso de la marcharegular puede hacer vibrar un puente y causar su destrucción El viento (1940) hizo oscilarel puente Tacoma Narrows de Washington poniéndolo en movimiento y rompiéndolo.

Pulsaciones

Otro caso de interferencia ocurre cuando dos tonos de frecuencia ligeramente distintas suenanal mismo tiempo. La sonoridad de los sonidos combinados fluctúa; primero se eleva, luegodesciende, luego se eleva, luego vuelve a descender, y así sucesivamente. Estas variacionesperiódicas de la sonoridad del sonido se conocen como pulsaciones o batido.

donde

fR es la frecuencia del receptor.fE es la frecuencia del emisor.VE velocidad del emisor.VR velocidad del receptor.VS velocidad de la onda.

fR = fE · S R

S E

V VV V

7

El sistema auditivo humano

El sistema auditivo humano es un delicado y complejo mecanismo que permite la recepcióndel sonido. Está formado por tres partes principales: el oído externo, el oído medio y eloído interno.El oído externo está constituido por el pabellón auditivo u oreja, el conducto auditivo yla membrana conocida como tímpano. La oreja, por su forma y dimensiones, facilita larecepción del sonido.El oído medio es un conducto estrecho y lleno de aire que por un lado limita con el tímpano ypor el otro con la ventana oval y la ventana redonda que permiten la comunicación con el oídoexterno. Se comunica con la nariz y la garganta a través de la trompa de Eustaquio. Ensu interior se encuentran cuatro huesos pequeños y móviles (el martillo, el yunque, ellenticular y el estribo) cuya función es conectar acústicamente la ventana oval.El oído interno o laberinto es una cavidad llena de líquido viscoso y contiene los órganos dela audición y del equilibrio. Está constituido por 3 cavidades: el vestíbulo, los tres canalessemicirculares y el caracol.

Usos del sonido en medicina

En medicina, los ultrasonidos se emplean como herramienta de diagnóstico, para destruirtejido enfermo y para reparar tejidos dañados. Las ondas ultrasónicas se han empleado paratratar afecciones como bursitis, diferentes tipos de artritis reumática, gota o lesionesmusculares, y también para destruir cálculos renales. Como herramienta de diagnóstico, losultrasonidos son frecuentemente más reveladores que los rayos X, que no son tan útilespara detectar las sutiles diferencias de densidad que aparecen en ciertas formas de cáncer;también se emplean con mucha frecuencia para producir imágenes del feto durante elembarazo. Cuando las ondas ultrasónicas atraviesan un tejido, se ven más o menosreflejadas según la densidad y elasticidad del tejido. Con un bisturí ultrasónico, un cirujanopuede realizar una incisión más fina que con un escalpelo convencional. Este tipo de técnicasse ha empleado para operaciones delicadas en el cerebro y el oído.

Yunque

Lenticular

EstriboCanales semicirculares

Nervioauditivo

Cóclea(caracol)

Trompa deEustaquio

Ventana redonda

VentanaovalCartílagos de la oreja

Conductoauditivoexterno

Pabellón auricular

Cartílagos de la orejaMartillo

Tímpano

OÍDO EXTERNO OÍDOMEDIO

OÍDO INTERNO

fig. 2

8

GLOSARIO

Eco: fenómeno que se produce por reflexión del sonido. El eco consiste en volver a escucharel sonido que se ha emitido, para ello se deben dar ciertas condiciones.

Efecto Doppler: Consiste en percibir una frecuencia distinta de la que emite la fuente. Estehecho se produce por el movimiento relativo entre la fuente y el que escucha. Este efectotambién ocurre con la luz. En medicina es usado para medir la rapidez de la sangre.

Infrasonido: Los sonidos de frecuencias menores a 20 Hz son conocidos como infrasonidos.

Intensidad: cuanto mayor es la intensidad más fuerte es el sonido y viceversa. Laintensidad del sonido es proporcional con la amplitud de la onda, al cuadrado.

Oído: Escuchamos gracias a que las perturbaciones mecánicas entran en la oreja y viajanpor el conducto auditivo externo. Luego llegan al oído medio chocando al tímpano el que asu vez pone en movimiento tres huesitos, (martillo, yunque, estribo). Gracias a esto laperturbación es amplificada lo que se comunica a la cóclea, ubicada en el oído interno.Dentro de la cóclea hay un fluido el cual es perturbado, al moverse el fluido mueve a su veza unos pelitos (células ciliares) que convierten esta perturbación en señales nerviosas, lascuales viajan por el nervio auditivo llegando finalmente al cerebro.

Pulsación o Batido: Este fenómeno se produce cuando se superponen sonidos defrecuencias muy parecidas. Claramente se percibe como el sonido sube y baja de intensidad.

Resonancia: Los cuerpos poseen una frecuencia natural de vibración. Cuando un cuerpo espuesto a vibrar en su frecuencia natural se dice que entró en resonancia. Este fenómeno secaracteriza porque el cuerpo vibra con máxima amplitud.

Supersónico: Son los sonidos que viajan a velocidades mayores que la del sonido.

Timbre: propiedad del sonido que permite diferenciar entre distintas fuentes sonoras alemitir por ejemplo sonidos de igual frecuencia fundamental.

Tono o Altura de un sonido: se relaciona con la frecuencia de la onda. Tono agudo es dealta frecuencia y el tono grave es el de baja frecuencia.

Ultrasonido: Se les denomina así a los sonidos de frecuencias superiores a 20.000 Hz.

9

EJEMPLOS

1. Las ondas de sonido, a veces no son percibidas por las personas debido a la frecuenciaque tienen. En general, un joven no es posible que perciba sonidos cuya frecuencia esde

I) 2 HzII) 17.000 Hz

III) 30.000 Hz

Es (son) correcta(s)

A) solo I.B) solo II.C) solo III.D) solo I y II.E) solo I y III.

2. Una mujer que viaja en un auto emite un fuerte y agudo sonido, un hombre parado enla estación del metro emite un sonido grave y por último, un niño que viaja en subicicleta grita y luego calla. Respecto a la rapidez de los sonidos emitidos por lamujer (vm), por el hombre (vh) y por el niño (vn) se cumple que

A) vm < vh < vn

B) vm > vh > vn

C) vh < vn < vm

D) vm = vh = vn

E) vm = vn > vh

3. Se está propagando un sonido en un medio con rapidez v y longitud de onda λ, al pasara otro medio su longitud de onda se triplica, entonces debiera esperarse que

A) su frecuencia se triplique.B) su rapidez se triplique.C) su frecuencia disminuya a la tercera parte.D) su rapidez disminuya a la tercera parte.E) su frecuencia y su rapidez no varíen.

4. Un sonido de 8 Hz cuya longitud de onda es de 32 m viaja con una rapidez de

A) 4 m/sB) 8 m/sC) 32 m/sD) 256 m/sE) 340 m/s

10

PROBLEMAS DE SELECCIÓN MÚLTIPLE

1. Una persona se ubica frente a un gran muro vertical con la intención de producir eco,para esto, y considerando que la rapidez del sonido en esa zona es de 320 m/s, ladistancia mínima a la que se deberá ubicar para escuchar el eco es

A) 34 mB) 32 mC) 17 mD) 16 mE) a cualquier distancia que se ubique percibirá eco.

2. El sonido emitido por un violín corresponde a una onda

I) transversal.II) bidimensional.

III) que no puede viajar en el agua.

De las afirmaciones anteriores, es (son) FALSA(S)

A) solo I.B) solo II.C) solo III.D) solo II y II.E) I, II y III.

3. Una onda de sonido tiene una frecuencia de 20 Hz, por lo tanto, su periodo es

A) 0,05 sB) 2,00 sC) 5,00 sD) 20,00 sE) 120,00 s

4. Un vibrador produce ondas en la superficie de un estanque a intervalos regulares detiempo, estas ondas son

A) unidimensionales.B) bidimensionales.C) longitudinales solamente.D) ondas de choque.E) ondas que transportan materia.

5. Una onda mecánica viaja a través de un medio elástico y las vibraciones de laspartículas individuales del medio, son perpendiculares a la dirección de propagación dela onda, este es el caso de las ondas

A) longitudinales.B) electromagnéticas.C) transversales.D) unidimensionales.E) viajeras.

11

6. En relación a la resonancia es INCORRECTO que

A) a una frecuencia más baja que la natural del cuerpo, éste vibra con menoramplitud.

B) a una frecuencia más alta que la natural del cuerpo, éste vibra con mayor amplitud.C) la frecuencia natural es una característica propia de cada cuerpo.D) un cuerpo puesto a vibrar justo en su frecuencia natural puede llegar a romperse.E) ninguna de las anteriores.

7. Una persona puede oír sonidos cuyas longitudes de onda están comprendidas entre17 m y 0,017 m. Si se considera que la velocidad del sonido es de 340 m/s, lasfrecuencias de los sonidos que oye, se encuentran entre

A) 2 Hz y 20 HzB) 20 Hz y 2.000 HzC) 200 Hz y 2.000 HzD) 200 Hz y 20.000 HzE) 20 Hz y 20.000 Hz

8. La intensidad de un sonido está relacionada con

A) la frecuencia de la onda.B) el período de la onda.C) la fase de la onda.D) la amplitud de la onda.E) los armónicos de la onda.

9. Una onda de sonido duplica al mismo tiempo su velocidad y su longitud de onda,debido a que cambió el medio en el que se propaga, por lo tanto, su frecuencia

A) disminuyó a la mitad.B) se duplicó.C) disminuyó a la cuarta parte.D) se cuadruplicó.E) permanece igual.

10. Respecto al sonido, es correcto afirmar que

I) un sonido emitido desde un vehículo en movimiento, viaja más rápido quesi el sonido es emitido desde un vehículo en reposo.

II) la amplitud está relacionada con la intensidad.III) es una onda que viaja en línea recta.

A) Solo IB) Solo IIC) Solo IIID) Solo I y IIE) Solo II y III

12

11. Cuando una onda sonora alcanza una región en que la temperatura del aire esdiferente, cambia su

A) frecuencia.B) timbre.C) altura.D) longitud de onda.E) ninguna de las anteriores.

12. Respecto al rango de audibilidad que tiene una persona normal y considerando larapidez del sonido como 340 m/s, lo correcto es afirmar que

A) a lo largo de toda su vida siempre será el mismo.B) mientras más silencio hay, percibirá mayores frecuencias.C) la menor frecuencia que percibe tiene una longitud de onda de 17 m.D) un sonido de 0,5 hz puede ser percibido si se aumenta su intensidad.E) ultrasonido significa que el sonido que percibe viaja más rápido.

13. En relación a las ondas sonoras y el viento se pueden hacer distintas aseveraciones,siendo correcta(s):

I) Cuando un sonido viaja a favor del viento, la velocidad del sonido aumenta.II) Un observador y una fuente sonora están en reposo entre sí, un viento

fuerte comienza a soplar desde la fuente hacia el receptor, esto hace que seorigine un efecto doppler.

III) El viento amplifica un sonido cuando viaja en el mismo sentido.

A) Solo I.B) Solo II.C) Solo III.D) Solo I y II.E) Solo I y III.

14. Para que se perciba el eco de un sonido en el aire, donde la velocidad de propagaciónes de 340 m/s, es necesario que haya una distancia de 17 m o más entre el emisor y elobstáculo donde el sonido es reflejado. En el agua, donde la velocidad esaproximadamente 1.600 m/s, esta distancia debe ser

A) 17 mB) 34 mC) 68 mD) 80 mE) 160 m

CLAVES DE LOS EJEMPLOS

1 E 2 D 3 B 4 D

DMTRFC-03

Puedes complementar los contenidos de esta guía visitando nuestra webhttp://www.pedrodevaldivia.cl/