ondas sonoras fisica ii ing civil 2015-ii

7/26/2019 Ondas Sonoras Fisica II Ing Civil 2015-II

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FISICA II

Docente: Lic. EGBERTO SERAFIN GUTIERREZ ATOCHEEscuela: Ing. inust!ial

Ondas SonorasOndas Sonoras


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FISICA I


EL SONIDO UNA ONDA

ENTRE NOSOTROS


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FISICA II


QU ES EL SONIDO?

El sonido es una sensacin, en elrgano del odo, producida por el

movimiento ondulatorio en un medioelstico (normalmente el aire), debido acambios rpidos de presin, generadospor el movimiento vibratorio de un

cuerpo sonoro.


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FISICA II


ORIGEN DEL SONIDO

El sonido es una perturbacin que transporta energa sonoranecesitando de un medio elstico para transmitirse. Por ello se dice

que es una onda mecnica. Todo sonido tiene su origen en algo que vibra. La rapidez del sonido esta directamente relacionado con la elasticidad

densidad del medio por el cual se transmite.
http://images.google.cl/imgres?imgurl=http://www.media.mit.edu/physics/pictures/99.01.violin.jpg&imgrefurl=http://www.media.mit.edu/physics/pictures/&h=1536&w=1024&sz=269&tbnid=zYyVPFgzRvUJ:&tbnh=150&tbnw=100&start=16&prev=/images?q=viol%C3%ADn&hl=es&lr=


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FISICA II


NATURALEZA DEL SONIDO

Onda mecnicaLas ondas sonoras estn constituidaspor ondasmecnicaslongitudinales

que se propagan en un medio gaseoso,lquido o slido. Se producen cuandoun sistema fsico, como una cuerda ouna membrana tensa, vibra y originauna perturbacin en la densidad delmedio (compresiones y ratificaciones).


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FISICA II


NATURALEZA DEL SONIDO

PropagacinLa perturbacin se propaga a travs delmedio mediante la interaccin de lasmolculas del mismo. La vibracin de lasmolculas tiene lugara lo largo deladireccin de propagacin de la onda.Slose propaga la perturbacin; las propias

molculas slo vibran hacia delante y haciaatrs alrededor de sus posiciones deequilibrio.


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FISICA II


TRANSMISIN DEL SONIDO

Cuando una fuente sonora emite sonido, transmite la

energa a travs de las molculas y tomos que conforman

el medio por el cual se propaga. Por donde pasa la

vibracin las partcula se comprimen y luego se separan

rpidamente. El proceso se repite hasta que la fuente dee

de emitir. !e lo anterior se deduce que se distinguen dos

"onas# $a de ratificacin y de compresin

Las partculas del aire sonafectadas por la onda. Se formanzonas de alta y baja densidad.


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FISICA II


%& 'vtxf

%& (vtxf

z

x

FORMA DE ECUACINDE ONDA

%&%,& vtxftxy =


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FISICA II

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ONDAS ARMNICAS

%cos&%,& tkxAtxy =

K

K

Tv

===

)(

)(

Perfil de la ondaarmnica ent=0

K

(

X

Z

K

(

K

(=


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FISICA II


ONDAS ARMNICAS

%cos&%,& tkxAtxy =

Perfil de la ondaarmnica enx=0

X

Z

(=T

(

(


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FISICA II


RAPIDEZ DEL SONIDO

Experimentos que se han llevado a cabo para determinar larapidez del sonido en distintos medios. La mayora de ellosutiliza el mismo principio. Como la rapidez de la luz esmuchsimo mayor que la del sonido, se usa entonces unafuente que produzca luz y sonido a la vez , como por ejemploel disparo de un can. Se mide el tiempo desde que seobserva la luz hasta que se percibe el sonido. Luego con elcociente distancia tiempo se puede calcular la rapidez encuestin.

!onde# *, la ra"n de capacidades calorficas

+, la temperatura absoluta en elvin -, masa molar o masa por mol

, constante de los gases ideales

/,0'112( 3)mol4


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FISICA II

inust!ial

RAPIDEZ DEL SONIDO

Se vio anteriormente que la rapidez de una onda dependeexclusivamente de las caractersticas del medio por el que sepropaga, vale decir, densidad lineal de masa y tensin.

El aire modifica sus caractersticas con el aumento detemperatura. Por lo tanto la rapidez del sonido varia conformeaumente o disminuya la temperatura.

Experimentalmente se ha encontrado que la rapidez del sonidoaumenta por cada grado Celsius en 0,6 m/s. Es decir:

v = v0+ 0,6 TDonde voes la rapidez del sonido en el aire a 0C:

331,7 m/sEntonces a 20 C es aprox. 344 m/s


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RAPIDEZ DEL SONIDO EN LOS MATERIALES


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FISICA II

inust!ial

CARACTERSTICAS DEL SONIDO

Si escuchramos el sonido emitido por un instrumentomusical sin mirarlo, podramos identificar sin mayoresinconvenientes cul es ese instrumento. Lo mismosucede si escuchamos una orquesta sinfnica donde todoslos instrumentos tocan en el mismo tono...podemos

distinguir claramente entre un instrumento y otro!

5Cmo es posible distinguir

entre todos los instrumentosen una orquesta, cuando

suenan al unsono6


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FISICA II


ELEMENTOS O FACTORES PARA QUEEXISTA SONIDO

Una fuente de vibracin mecnica, llamadafuente sonora

!"#P#$%& PL#T"LL'( )#TE*+# ,-"T#**#


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FISICA II

inust!ial

CARACTERSTICAS DEL SONIDO

DuracinDuracin

IntensidadIntensidad TonoTono TimbreTimbre


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INTENSIDAD

Caracterstica del sonido que permite distinguir

entre sonido fuertes y dbiles y)o que tan leas o

cerca est la fuente sonora.

$a intensidad sonora est relacionada

directamente con la energa que transporta esta

onda, es decir, con la amplitud de la vibracin

&onda% . !icho de otro modo, a mayor amplitudms intenso es el sonido


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FISICA II


Baja

intensidad

Alta

intensidad


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INTENSIDAD FSICA

En fsica el concepto de intensidad est relacionada con la

cantidad de energa emitida por una fuente, que atraviesa

perpendicularmente la unidad de rea en la unidad de

tiempo. 7peracionalmente se define como#

tA

EI

=

A

PI = (

'

m

wI =

%,&%,&4

txvtxpA

vFI ==


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FISICA II


Ondas sonoras comoondas de presin

%cos&%,& tkxAtxy =

x

txyBtxp

=

%,&%,&

%&%,& wtkxBkAsentxp =

BkAp =ma8

9, modulo de volumen


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Intensidad y amplitud de desplazamiento de la

onda sonora

%cos&%,& wtkxAtxy =

%&%,&%,& wtkxAwsenttxytxvy =

=

[ ][ ]%&%&%,&%,& wtkxwAsenwtkxBkAsentxvtxp y =

%&((

wtkxsenBkwA =

(

(

'BkwAI =


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((

(

' AwBI =

Intensidad y amplitud de presin de una onda sonora

B

vp

Bk

wpI

((

(ma8

(ma8

==

B

p

v

pI

((

(

ma8

(

ma8==


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FISICA II

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TONO

Es la caracterstica del sonido por la cual una

persona distingue sonidos graves y agudo. Eltono est relacionado con la frecuencia delsonido: cuanto mayor es la frecuencia msagudo es el sonido y si la frecuencia es baja, eltono es grave.

f1 f2

tono (1) tono (2)

1 2


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FISICA II



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FISICA II


TIMBREEs el fenmeno que resulta de la combinacin de los

distintos modos de vibracin del instrumento que la

emite. :s, por eemplo, un violn, emite un sonido

con un timbre caracterstico producido por las

vibraciones de la cuerda y de la caa de resonancia.El sonido emitido en un tono cualquiera, posee una

onda propia a cada fuente sonora.

; El timbre es el aspecto propio del sonidodeterminado por el n


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FISICA II



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FISICA II


Sonidos Snicos:Todos aquellos sonidos

que somos capaces de escuchar, se

denominan sonidos snicos. Estos sonidos

tienen una frecuencia comprendida en el

rango de 20 Hz a 20000 Hz (veinte a veinte

mil hertz). En otras palabras, son los sonidos

audibles al ser humano.


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FISICA II


inrasonidos/ los cuales podemos deinirloscomo las vibraciones de presin cuarecuencia es inerior a la que el odo0umano puede percibir1 es decir entre 2

32 4z. Pero/ debido a que la maora de losaparatos electroac5sticos utilizan unarecuencia entre 32 62 4z/

consideraremos tambi7n como inrasonidosa toda vibracin con una recuencia pordeba8o de los 62 4z.

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FISICA II


Los ultrasonidos9 son aquellas ondassonoras cua recuencia es superior almargen de audicin 0umano/ es decir/32 :0z ;32222 0z


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FISICA II

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NIVEL SONORO

Un NIVEL es ellogaritmo de larazn de unacantidad dadarespecto de unacantidad dereferencia del

mismo tipo.

Al definir un niveles preciso indicar labase del logaritmo,la cantidad dereferencia y el tipode nivel (porejemplo, nivel depresin sonora onivel de potencia

sonora)

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FISICA II


NIVEL DE POTENCIA SONORA

E"isi#n e sonio $o! una %uente

=>

'>log'>W

WLW

Potencia de referencia# W>? '>@'(A

%'(>log'>&'>

log'>'('> +== WWLW d9

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FISICA II


Potencia instantnea: tasa a la cual la energasonora es emitida en cualquier instante deltiempo.

Potencia media enun intervalo

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FISICA II


Una onda sonora armnica se puede describir en el modo dedesplazamiento por :

(a) Encuentre la amplitud, longitud de onda y rapidez de la onda. (b)

determine el desplazamiento instantneo de las molculas en la posicinx= 0.05 m y t = 3 ms (c) determine la velocidad mxima del movimientooscilatorio de las molculas

( )txmtxS /B/2.'Bcos(%,& =

FISICA II


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FISICA II


A una barra de plomo se le da un fuerte golpe comprensional en

un extremo. El sonido del golpe que viaja por el aire alcanza elextremo opuesto de la barra 4.8 m/s. despus que el sonidotransmitido a travs de la barra Cual es la longitud de labarra?

Dos ondas sonoras armnicas de amplitudes es de 3 y 6 cm,viajan en la misma direccin y tienen idntica frecuencia, si sudiferencia de fase es /2, calcular la amplitud de la onda

resultante

FISICA II


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FISICA II


NIVEL DE PRESIN SONORA

Relacionado con la sobrepresin respecto a la presin estt

=

=

>'>

(

>'> log(>log'>

P

P

P

PLp &d9%

Presin de referencia P!" 2!Pa

Eemplo# nivel de presin sonora correspondiente a (>> Pa

(>(>

(>>log(> '> =

=pL &d9%

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NIVEL DE PRESIN SONORA

Do&la! el 'alo! ela $!esi#n sono!asu$one unau"ento e ( B

en el ni'el e$!esi#n sono!a.

)ulti$lica! $o!ie* la $!esi#nsono!a su$one unau"ento e +,

B en el ni'el e$!esi#n sono!a.

log(>(log(>log(>(

log(>>

'>'>>

'>>

'>( +

=+

=

=

P

P

P

P

P

PL p d9

(>log(>'>log(>log(>'>

log(>>

'>'>>

'>>

'>'> +

=+

=

=

P

P

P

P

P

PL p d9

FISICA II


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FISICA II


NIVEL DE INTENSIDADSONORA

Rece$ci#n el sonio e una %uente

=

>'>log'>

I

ILI

Dntensidad de referencia# I>? '>@'(

A)m(

Fmbral de audicin# '>@'(A)m( &> d9%

Fmbral de dolor# ' A)m( &'(> d9%

FISICA IINIVELESDEINTENSIDADDE


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FISICA II

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NIVELES DE INTENSIDAD DESONIDO DE DIVERSAS FUENTES

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TAREASUna sonora en el aire produce una variacin de presin dada

por

Donde P, se mide en pascal; x, en metros y t, en segundos. (a)determine la amplitud de presin. (b) Determine la longitud deonda. (c) La frecuencia y la velocidad de la onda.

FISICA II


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Efecto Do##ler

La mayora de nosotros estamos familiarizados con laelevacin y descenso posterior del tono de la sirena de unaambulancia o la bocina de un automvil cuando ste seaproxima y cuando ha pasado. Este cambio en el tono,debido al movimiento relativo entre una fuente de sonidoy el receptor se llama el efecto de Doppler, en honor delfsico austriaco Christian Doppler (1803-1853).

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FISICA II


Si la fuente se mueve con velocidad menor que lavelocidad del sonido, no se genera la onda expansiva. Lasondas acsticas ordinarias propagan adelante endireccin del movimiento de la fuente. Debido al efectode Doppler el receptor inmvil localizado delante de lafuente detecta un sonido con mayor frecuencia, que laemitida. Si el detector est detrs de fuente, lafrecuencia recibida ser ms baja que la emitida.

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$bser%ador en mo%imiento

Si tenemos una fuente sonora estacionaria en aire &uieto'

El sonido radiado es re#resentado #or frentes de onda

circunferenciales &ue se alejan de la fuente con una %elocidad v'

a distancia entre los frentes de onda es la lonitud de onda * + la

frecuencia del sonido es f' Para las ondas estas cantidades est,n

relacionadas #or

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FISICA II


7bservador acercndose

a la fuente convelocidad v.

7bservador alendose

de la fuente con

velocidad v.

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FISICA II


FISICA IIi i


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FISICA II


Fuente en movimiento

Con el observador estacionario

y la fuente en movimiento, el

efecto Doppler no se debe a que

el sonido parece tener una

mayor o menor velocidad como

en el caso del observador en

movimiento. Por el contrario, el

sonido una vez que la fuente

emite una onda sonora, viaja a

travs del medio con su

velocidad caractersticav, sin

importar lo que la fuente haga.

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FISICA II


Fuente estacionaria puntual

Por analoga, consideremos una

onda de agua. $a figura muestra

una bolita oscilando hacia arriba y

hacia abao sobre la superficie decon recipiente de agua. Gumovimiento causa ondas de agua

circulares que se e8tienden

alendose del punto de contacto

FISICA II


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Fuente puntual movida hacia la derecha

Cuanto la fuente de ondas &la bolita% es

movida hacia la derecha, cada cresta deonda se mueve alendose como uncrculo en e8pansin, pero dado que lafuente se est moviendo, emite cadaonda a una ubicacin diferente.Como resultado, las ondas que se

mueven en la misma direccin que lafuente se untan apretndose, en tantoque las que se mueven en la direccinopuesta se separan alendose unas deotras.$a velocidad de la onda es constante si lafuente se mueve o no.

Por tanto, donde la longitud de onda lafrecuencia es incrementada, y donde lalongitud de onda es alargada, lafrecuencia es reducida.Esto es vlido tambin para las ondas desonido.

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S C


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FISICA IIEFECTODOPPLER R


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EFECTO DOPPLER.Resumen

Si la fuente de la onda y el receptor se mueven uno respecto de otro, la frecuenciadel receptor no es la misma que la de la fuente. Si el movimiento relativo es de

acercamiento, la frecuencia que mide el receptor es mayor; si se alejan lafrecuencia es menor. Esto es conocido como el efecto Doppler.

Todo el movimiento, todas las velocidades,se describen respecto al medio

s

s

rr f

uvuvf

=

frfrecuencia observada por el receptor;

fsfrecuencia que emite la fuente;

vvelocidad de propagacin de la onda;

urvelocidad del receptor;

Cuando el rece!or "e #ue$e %ac&a la'uen!e( "e el&)e el "&)no o"&!&$o en elnu#erador* Cuando la 'uen!e "e #ue$e%ac&a el rece!or( "&)no ne)a!&$o en el

deno#&nador

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TAREASLa sirena de un auto patrullero estacionado emite un sonido

de 1200 Hz. Bajo condiciones en que la velocidad del

sonido en el aire es 340 m/s, qu frecuencia oir un peatn

parado si la sirena se est acercando a 30 m/s? Qu

frecuencia oir cuando la sirena est alejndose en 30 m/s?

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Ejemplo 01.Un automvil se mueve hacia la izquierda con unavelocidad v= 30 m/s. En direccin contraria (rebasado suficientementeel punto de cruce) va un camin a una velocidad v'= 21 m/s, con unagran superficie reflectora en su parte posterior. El automvil emite un

bocinazo (emisin instantnea) con una frecuencia de 1 000 Hz.Determinar: a) Cul es la frecuencia de las ondas percibidas por elobservador de la figura colocado a la derecha del auto? b) Cul es lafrecuencia de las ondas que llegan a la superficie reflectora del camin?c) Cul es la frecuencia de las ondas que percibir el observadordespus que las ondas se han reflejado en el camin? d) Cul es lafrecuencia de las ondas que percibira el conductor del auto, despusde la reflexin en el camin? Velocidad del sonido: 330 m/s. Se suponeel aire en calma.

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GRACIAS

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