Una onda sonora es un proceso ondulatorio que se produce en medios gaseosos, líquidos y sólidos, que, cuando llega a los órganos auditivos humanos, es percibido por éstos como sonido. La frecuencia de estas ondas se encuentra en el rango de 20 a 20.000 oscilaciones por segundo. Damos fórmulas para una onda de sonido y consideramos sus propiedades con más detalle.
¿Por qué hay una onda de sonido?
Muchas personas se preguntan qué es una onda de sonido. La naturaleza del sonido radica en la ocurrencia de perturbaciones en un medio elástico. Por ejemplo, cuando se produce una perturbación de presión en forma de compresión en un determinado volumen de aire, esta zona tiende a dispersarse en el espacio. Este proceso conduce a la compresión del aire en áreas adyacentes a la fuente, que también tienden a expandirse. Este proceso abarca más y más espacio hasta llegar a algún receptor, por ejemplo, el oído humano.
Características generales de las ondas sonoras
Veamos qué es una onda de sonido y cómo la percibe el oído humano. Onda de sonidoes longitudinal, al penetrar en la coraza del oído provoca vibraciones del tímpano con cierta frecuencia y amplitud. También puede representar estas fluctuaciones como cambios periódicos de presión en el microvolumen de aire adyacente a la membrana. Primero, aumenta en relación con la presión atmosférica normal y luego disminuye, obedeciendo las leyes matemáticas del movimiento armónico. La amplitud de los cambios en la compresión del aire, es decir, la diferencia entre la presión máxima o mínima creada por una onda de sonido, con la presión atmosférica, es proporcional a la amplitud de la propia onda de sonido.
Muchos experimentos físicos han demostrado que la presión máxima que el oído humano puede percibir sin dañarlo es de 2800 µN/cm2. A modo de comparación, digamos que la presión atmosférica cerca de la superficie terrestre es de 10 millones de µN/cm2. Teniendo en cuenta la proporcionalidad de la presión y la amplitud de oscilación, podemos decir que este último valor es insignificante incluso para las olas más fuertes. Si hablamos de la longitud de una onda de sonido, entonces para una frecuencia de 1000 vibraciones por segundo, será una milésima de centímetro.
Los sonidos más débiles crean fluctuaciones de presión del orden de 0.001µN/cm2, la amplitud de oscilación de onda correspondiente para una frecuencia de 1000 Hz es 10- 9cm, mientras que el diámetro promedio de las moléculas de aire es 10-8 cm, es decir, el oído humano es un órgano extremadamente sensible.
El concepto de la intensidad de las ondas sonoras
Con geométricoDesde el punto de vista de una onda de sonido, es una vibración de cierta forma, desde el punto de vista físico, la principal propiedad de las ondas de sonido es su capacidad para transferir energía. El ejemplo más importante de la transferencia de energía de las olas es el sol, cuyas ondas electromagnéticas radiadas proporcionan energía a todo nuestro planeta.
La intensidad de una onda de sonido en física se define como la cantidad de energía transportada por una onda a través de una unidad de superficie, que es perpendicular a la propagación de la onda, y por unidad de tiempo. En resumen, la intensidad de una onda es su potencia transferida a través de una unidad de área.
La fuerza de las ondas de sonido generalmente se mide en decibelios, que se basan en una escala logarítmica, conveniente para el análisis práctico de los resultados.
Intensidad de varios sonidos
La siguiente escala de decibelios da una idea del significado de las diferentes intensidades de sonido y las sensaciones que provoca:
- umbral para sensaciones desagradables e incómodas comienza en 120 decibelios (dB);
- martillo remachador genera 95 dB de ruido;
- tren de alta velocidad - 90 dB;
- calle de tráfico - 70 dB;
- el volumen de una conversación normal entre personas es de 65 dB;
- Los automóviles modernos que se mueven a velocidades moderadas generan un ruido de 50 dB;
- volumen medio de radio - 40 dB;
- conversación tranquila - 20 dB;
- ruido del follaje de los árboles - 10 dB;
- El umbral mínimo de sensibilidad al sonido humano está cerca de 0 dB.
La sensibilidad del oído humano depende defrecuencia del sonido y es el valor máximo para las ondas de sonido con una frecuencia de 2000-3000 Hz. Para un sonido en este rango de frecuencia, el umbral inferior de la sensibilidad humana es 10-5 dB. Las frecuencias más altas y más bajas que el intervalo especificado conducen a un aumento en el umbral de sensibilidad más bajo de tal manera que una persona escucha frecuencias cercanas a 20 Hz y 20,000 Hz solo en su intensidad de varias decenas de dB.
En cuanto al umbral superior de intensidad, después del cual el sonido comienza a causar molestias a una persona e incluso dolor, se debe decir que prácticamente no depende de la frecuencia y se encuentra en el rango de 110-130 dB.
Características geométricas de una onda de sonido
Una onda de sonido real es un paquete oscilatorio complejo de ondas longitudinales, que se pueden descomponer en vibraciones armónicas simples. Cada una de estas oscilaciones se describe desde un punto de vista geométrico mediante las siguientes características:
- Amplitud - la desviación máxima de cada sección de la onda del equilibrio. Para este valor, la designación A.
- Punto. Este es el tiempo que tarda una onda simple en completar su oscilación completa. Pasado este tiempo, cada punto de la onda comienza a repetir su proceso oscilatorio. El período generalmente se denota con la letra T y se mide en segundos en el sistema SI.
- Frecuencia. Esta es una cantidad física que muestra cuántas oscilaciones hace una onda dada por segundo. Es decir, en su significado, es un valor inverso al período. Se denota con la letra latina f. Para la frecuencia de una onda sonora, la fórmula para determinarla a lo largo de un período es la siguiente: f=1/T.
- La longitud de una onda es la distancia que recorre en un período de oscilación. Geométricamente, la longitud de onda es la distancia entre dos máximos más cercanos o dos mínimos más cercanos en una curva sinusoidal. La longitud de oscilación de una onda de sonido es la distancia entre las áreas más cercanas de compresión de aire o los lugares más cercanos de su rarefacción en el espacio donde se mueve la onda. Por lo general, se denota con la letra griega λ.
- La velocidad de propagación de la onda sonora es la distancia sobre la cual se propaga el área de compresión o el área de rarefacción de la onda por unidad de tiempo. Este valor se denota con la letra v. Para la velocidad de una onda de sonido, la fórmula es: v=λf.
La geometría de una onda sonora pura, es decir, una onda de pureza constante, obedece a una ley sinusoidal. En el caso general, la fórmula de una onda sonora es: y=Asin(ωt), donde y es el valor de la coordenada de un punto dado de la onda, t es el tiempo, ω=2pif es la frecuencia de oscilación cíclica.
Sonido aperiódico
Muchas fuentes de sonido pueden considerarse periódicas, por ejemplo, el sonido de instrumentos musicales como guitarra, piano, flauta, pero también hay una gran cantidad de sonidos en la naturaleza que son aperiódicos, es decir, las vibraciones del sonido cambian su frecuencia y forma en el espacio. Técnicamente, este tipo de sonido se llama ruido. brillanteejemplos de sonido aperiódico son el ruido urbano, el sonido del mar, los sonidos de instrumentos de percusión, como un tambor, y otros.
Medio de propagación del sonido
A diferencia de la radiación electromagnética, cuyos fotones no necesitan ningún medio material para su propagación, la naturaleza del sonido es tal que se necesita un determinado medio para su propagación, es decir, según las leyes de la física, las ondas sonoras no pueden propagarse en el vacío.
El sonido puede viajar a través de gases, líquidos y sólidos. Las principales características de una onda sonora que se propaga en un medio son las siguientes:
- la onda se propaga linealmente;
- se difunde por igual en todas las direcciones en un medio homogéneo, es decir, el sonido diverge de la fuente formando una superficie esférica perfecta.
- independientemente de la amplitud y frecuencia del sonido, sus ondas se propagan a la misma velocidad en un medio dado.
La velocidad de las ondas de sonido en varios medios
La velocidad de propagación del sonido depende de dos factores principales: el medio en el que se mueve la onda y la temperatura. En general, se aplica la siguiente regla: cuanto más denso es el medio y mayor su temperatura, más rápido se mueve el sonido en él.
Por ejemplo, la velocidad de propagación de una onda de sonido en el aire cerca de la superficie terrestre a una temperatura de 20 ℃ y una humedad del 50 % es de 1235 km/ho 343 m/s. En el agua a una temperatura determinada, el sonido viaja 4,5 veces más rápido, luegohay unos 5735 km/h o 1600 m/s. En cuanto a la dependencia de la velocidad del sonido con la temperatura del aire, aumenta en 0,6 m/s con un aumento de la temperatura por cada grado Celsius.
Timbre y tono
Si se permite que una cuerda o placa de metal vibre libremente, producirá sonidos de diferentes frecuencias. Es muy raro encontrar un cuerpo que emita un sonido de una frecuencia particular, generalmente el sonido de un objeto tiene un conjunto de frecuencias en un cierto intervalo.
El timbre de un sonido está determinado por el número de armónicos presentes en él y sus respectivas intensidades. El timbre es un valor subjetivo, es decir, es la percepción de un objeto sonoro por parte de una determinada persona. El timbre suele caracterizarse por los siguientes adjetivos: agudo, brillante, sonoro, melódico, etc.
El tono es una sensación sonora que permite clasificarlo como alto o bajo. Este valor también es subjetivo y no puede ser medido por ningún instrumento. El tono está asociado con una cantidad objetiva: la frecuencia de una onda de sonido, pero no existe una relación inequívoca entre ellos. Por ejemplo, para un sonido de una sola frecuencia de intensidad constante, el tono aumenta a medida que aumenta la frecuencia. Si la frecuencia del sonido permanece constante, pero su intensidad aumenta, entonces el tono se vuelve más bajo.
Forma de las fuentes de sonido
Según la forma del cuerpo que vibra mecánicamente y, por lo tanto, genera sonido, existen tres tipos principales de fuentes de ondas sonoras:
- Fuente puntual. Produce ondas sonoras que tienen forma esférica y decaen rápidamente con la distancia desde la fuente (aproximadamente 6dB si se duplica la distancia desde la fuente).
- Fuente de línea. Crea ondas cilíndricas cuya intensidad disminuye más lentamente que desde una fuente puntual (por cada duplicación de la distancia desde la fuente, la intensidad disminuye en 3 dB).
- Una fuente plana o bidimensional. Genera ondas solo en una determinada dirección. Un ejemplo de tal fuente sería un pistón moviéndose en un cilindro.
Fuentes de sonido electrónico
Para crear una onda de sonido, las fuentes electrónicas utilizan una membrana especial (altavoz), que realiza vibraciones mecánicas debido al fenómeno de la inducción electromagnética. Estas fuentes incluyen lo siguiente:
- reproductores de varios discos (CD, DVD y otros);
- grabadoras de cassette;
- radios;
- Televisores y algunos otros.
