El sonido está a nuestro alrededor. Usamos nuestro sentido del sonido para navegar por nuestro entorno, comunicarnos y disfrutar de la música. Pero, ¿qué es el sonido? ¿Cómo se fabrica y cómo se transmite de un lugar a otro?
¿Qué son las ondas sonoras?
El sonido es un tipo de onda mecánica o una oscilación de la materia. Una onda es una perturbación que viaja de un lugar a otro en un medio. La clave aquí es que los puntos en el medio oscilan en su lugar mientras viaja la perturbación.
Por ejemplo, considere una ola hecha por una multitud en un juego de pelota. Los aficionados en sus asientos sirven como medio de onda. Individualmente, se ponen de pie, levantan los brazos y luego vuelven a sentarse; oscilan en su lugar. Sin embargo, la perturbación recorre todo el estadio.
Las oscilaciones en un medio tienden a presentarse en una de dos variedades: Las ondas transversales oscilan en ángulos rectos a la dirección de viajar (como con la audiencia en el estadio, o una ola en una cuerda) y las ondas longitudinales oscilan paralelas a la dirección de viaje.
Las ondas sonoras son ondas longitudinales. Cuando una onda de sonido se propaga a través de un medio, como el aire, lo hace haciendo que las moléculas de aire vibren, lo que provoca cambios en presión del aire, lo que resulta en compresiones (regiones de alta presión) y rarefacciones (regiones de baja presión) en el aire como la onda viajes.
Piense en un resorte de juguete como un Slinky estirado sobre una mesa con una persona sujetando cada extremo. Si una persona tira del Slinky hacia sí misma, enviará una onda longitudinal por el Slinky. Verá regiones de las bobinas Slinky que están más espaciadas (compresiones) y menos espaciadas (rarefacciones). Cualquier punto dado en el Slinky oscila hacia adelante y hacia atrás en su lugar a medida que la perturbación se mueve de un extremo al otro.
Una vez más, esto es exactamente lo que sucede con las ondas sonoras en el aire, o cualquier otro medio, para el caso.
¿Cómo se crean las ondas sonoras?
Al igual que con cualquier otra onda, las ondas sonoras son creadas por una perturbación o vibración inicial. Un diapasón golpeado, por ejemplo, vibra a una frecuencia específica. A medida que se mueve, choca con las moléculas de aire a su alrededor, comprimiéndolas periódicamente.
Las regiones comprimidas también transfieren esta energía a sus moléculas de aire vecinas y la perturbación se mueve a través del aire hasta que alcanza su oído, momento en el que transfiere energía a su tímpano, que vibrará a la misma frecuencia y será interpretado por su cerebro como sonar.
Cuando hablas, haces vibrar tu laringe (un pequeño tubo hueco en la parte superior de la tráquea), que a su vez hace vibrar el aire a su alrededor, que luego propaga la energía del sonido al oyente. Al contraer y expandir el tejido de la laringe y al manipular los articuladores de la boca (los labios, la lengua y otras estructuras de la boca), puede crear diferentes sonidos.
Todos los objetos pueden ser fuentes de sonido que crean sonido de la misma manera: vibrando y transfiriendo esas vibraciones a un medio adyacente, como el aire.
La velocidad del sonido
En aire seco, el sonido viaja a una velocidad de
v = 331,4 + 0,6 T_c
dóndeTCes la temperatura en grados Celsius. En un día estándar de 20 grados Celsius (68 grados Fahrenheit), el sonido viaja a aproximadamente 343,4 m / s. ¡Eso es aproximadamente 768 millas por hora!
La velocidad del sonido es diferente en diferentes medios. Por ejemplo, la velocidad a la que viaja una onda de sonido en el agua puede ser superior a 1437 m / s; en madera es de 3.850 m / s; y en aluminio, ¡más de 6.320 m / s!
Como regla general, el sonido viaja más rápido en materiales donde las moléculas están más juntas. Viaja más rápido en sólidos, segundo más rápido en líquidos y más lento en gases.
Experimento: medir la velocidad del sonido
Puede realizar un experimento sencillo para medir la velocidad del sonido. Para hacer esto, necesitará una fuente emisora de sonido (que podría ser un diapasón, un aplauso o su propia voz) y un superficie a una distancia conocida de la fuente (como la pared de un acantilado sólido varios metros frente a usted, o el extremo cerrado de un tubo).
Siempre que tenga un equipo (y / o reflejos lo suficientemente rápidos) que puedan medir el lapso de tiempo entre el momento en que se emite el sonido y el momento en que vuelve a la ubicación de la fuente a través de un eco fuera de la superficie reflectante, tendrá suficiente información para determinar la velocidad.
Simplemente tome el doble de distancia desde la fuente a la superficie reflectante (ya que el sonido viaja desde la fuente a la superficie, y luego de regreso) y dividirla por el tiempo entre la emisión de sonido y eco.
Como ejemplo, suponga que grita en un cañón de 200 m de profundidad y recibe un eco en 1,14 segundos. La velocidad del sonido sería 2 × 200 / 1,14 = 351 m / s.
Exceder la velocidad del sonido
Es posible que esté familiarizado con el fenómeno de ciertos aviones que rompen la barrera del sonido. Lo que esto significa es que el avión vuela más rápido que la velocidad del sonido. En el momento en que supera esta velocidad, crea un boom sónico.
Un avión que viaja aMach 1viaja a la velocidad del sonido. Mach 2 es el doble de la velocidad del sonido y así sucesivamente. El avión más rápido del mundo fue el norteamericano X-15, que alcanzó una velocidad de Mach 6,7 el 3 de octubre de 1967.
En tierra, la velocidad del sonido fue interrumpida el 15 de octubre de 1997 por Andy Green, quien recorrió 763.035 millas por hora en un automóvil a reacción ThrustSSC en el desierto de Black Rock en Nevada.
Frecuencia y longitud de onda
La frecuencia de una onda es el número de oscilaciones que ocurren en un punto dado en el medio por segundo. Se mide en unidades de hercios (Hz) donde 1 Hz = 1 / s. La longitud de onda de una onda de sonido es la distancia entre dos regiones consecutivas de máxima compresión. Normalmente se mide en unidades de metros (m).
La velocidad de una onda de sonidov,está directamente relacionado con la frecuenciaFlambda de longitud de onda a través dev = λf.
La velocidad del sonido en un medio en particular no depende de la frecuencia o longitud de onda, sino que es una constante de ese medio en particular. La frecuencia de una onda de sonido siempre coincidirá con la frecuencia de la fuente de sonido, por lo que no depende del medio o de la velocidad de la onda.
Por lo tanto, en dos medios diferentes, las frecuencias serán las mismas, mientras que las velocidades serán específicas de los medios y las longitudes de onda variarán en consecuencia. (La alta frecuencia corresponde a longitudes de onda pequeñas y viceversa).
Los rangos de frecuencia que normalmente son detectables por el oído humano van de 64 Hz a 23 kHz, aunque las personas tienden a perder la capacidad de escuchar las frecuencias más altas a medida que envejecen. Por el contrario, los perros pueden oír hasta aproximadamente 45 kHz (razón por la cual responden a los silbidos de los perros). que son inaudibles para los humanos), los gatos pueden escuchar hasta 64 kHz y las marsopas pueden escuchar hasta 150 kHz!
"En el espacio, nadie puede escucharte gritar"
Sin duda te has encontrado con esta cita de la película de 1979ExtraterrestreY es cierto: el sonido no viaja en el vacío. Esto se debe a que necesita un medio. Tiene que haber algo de material entre la fuente de sonido y usted para que el sonido se propague.
Entonces, ¿todas esas escenas de batalla espacial que ves en las películas con fuertes explosiones? ¡Completamente falso! No habría sonido porque no hay un medio a través del cual viajar.
Intensidad del sonido y energía del sonido
Intensidad del sonidoI, es la potencia acústica por unidad de área. La unidad SI para la intensidad del sonido es vatios / m2 dóndeI0 = 10-12 W / m2 se considera el umbral para la audición humana. Coloquialmente, la intensidad del sonido es lo que consideramos el "volumen" de un sonido.
Una forma común de presentar el volumen percibido del sonido es mediante el uso de la escala de decibelios (dB), donde la intensidad del sonido está en decibelios:
Esta escala es útil porque los humanos no perciben el volumen de forma lineal. Es decir, un sonido con el doble de intensidad puede parecer más del doble de fuerte cuando comenzó en silencio, y menos del doble de fuerte si ya comenzó algo fuerte. La escala de decibelios proporciona números más consistentes con nuestras percepciones.
El sonido de la respiración ligera alcanza unos 10 dB, mientras que la conversación en un restaurante es de unos 60 dB. Un paso elevado de un avión a 1000 pies equivale a unos 100 dB. Un trueno casi doloroso es de 120 dB y los tímpanos se rompen a 150 dB.
La energía en una onda de sonido está directamente relacionada con la intensidad. Las unidades de intensidad, W / m2, son los mismos que J / (sm2) o energía en julios por segundo por metro cuadrado.
Instrumentos musicales
Recuerde que la velocidad del sonido solo dependía del medio y no de la frecuencia de la onda. Esto es algo bueno porque, de lo contrario, escuchar un concierto sería una experiencia terrible, con diferentes notas musicales que te llegan fuera de orden.
Diferentes frecuencias de sonido corresponden a diferentes tonos o notas musicales. Cuando un cantante canta, produce diferentes frecuencias cambiando el tamaño y la forma de su laringe. Los instrumentos musicales están diseñados para crear sonidos de tonos puros, típicamente mediante la creación de ondas estacionarias, ya sea en un tubo o tubería, o a lo largo de una cuerda.
Considere un instrumento de cuerda como una guitarra. La frecuencia a la que vibra una cuerda pulsada depende de su densidad de masa (cuánta masa por unidad de longitud), la tensión en la cuerda (qué tan apretada se sujeta) y su longitud. Si miras una guitarra, verás que cada cuerda tiene un grosor diferente. Las perillas de afinación en el extremo del mango te permiten ajustar la tensión de la cuerda y los trastes te dan lugares donde poner los dedos para alterar la longitud de las cuerdas mientras toca, lo que le permite crear muchos notas.
Los instrumentos de viento de madera, por el contrario, consisten en tubos huecos donde se pueden crear ondas estacionarias en columnas de aire (como en la laringe). Los diferentes agujeros de tono en un instrumento de este tipo le permiten cambiar los tipos de ondas estacionarias que se pueden formar y, por lo tanto, cambiar las notas que se pueden tocar.
Para un instrumento como un trombón, también puede ajustar la longitud del tubo moviendo la diapositiva hacia adelante y hacia atrás, lo que permite que se reproduzcan ondas estacionarias de diferentes frecuencias y, por lo tanto, diferentes notas.
Los instrumentos de percusión, como los tambores, dependen de las vibraciones de una membrana (como el parche de un tambor). Al igual que al puntear las cuerdas de una guitarra, cuando golpeas el parche del tambor en diferentes lugares, se forman ondas estacionarias en la membrana que crean sonido. La frecuencia y calidad del sonido depende del tamaño de la membrana, su grosor y tensión.