Ondas Sonoras

 

FÍSICA II FACULTAD FACULTAD DE INGENIERÍA AMBIENTAL Y RECURSOS NATURALES

OCTUBR OCTUBRE E 2012

ONDAS SONORAS M.Y. Molocho Carranza, D. F. Paredes Reyes, R. A.Taipe Pérez, J. S. Ttupa Chuco, L.A.Inga.Mercado  Escuela Profesional de Ingeniería Ambiental, Universidad Nacional del Callao  Av. Juan Pablo Segundo 306, Bellavista Callao [email protected],  [email protected]  ,[email protected] ,[email protected], [email protected] , 

[email protected]  Realizado el 9 de Octubre de 2012; presentado el 23 de Octubre de 2012

RESUMEN

En el presente trabajo de laboratorio se llevó a cabo la experiencia para conocer las Ondas Sonoras, que son ondas longitudinales que transmite lo que se asociamos con sonido.

Palabras claves: ondas, ondas longitudinales, sonido, ondas elásticas, sonoras.

INTRODUCCIÓN Las ondas sonoras son ondas mecánicas longitudinales; mecánicas porque necesitan un medio para propagación y longitudinal es porque material las partículas del medio actúan en la misma dirección en la que se propaga la onda. Las ondas sonoras viajan más rápido a través de los sólidos y líquidos y menos rápido por el aire, que es el medio más común por el que nos llegan los sonidos, pero la velocidad con que nos llegan depende también de la distancia en que se encuentren. Los sonidos no pueden propagarse en lugares en donde no hay aire aunque se golpee fuertemente algún objeto.

FUNDAMENTO TEÓRICO

SONIDO El sonido solo se produce sonido cuando un cuerpo vibra muy rápidamente.   La frecuencia es el número de vibraciones u oscilaciones completas que se efectúan en 1 segundo. Se producen sonidos audibles cuando un cuerpo vibra con una frecuencia comprendida c omprendida entre 20 y 20000 Hz (Hercio, unidad de medida para la frecuencia). El sonido se transmite a través de medios materiales, sólidos, líquidos o gaseosos pero nunca a través del vacío. El sonido se produce cuando un cuerpo vibra con una frecuencia comprendida entre 20 y 20000 Hz y existe un medio material en el que pueda propagarse. El sonido es una onda. Una onda es una perturbación que se propaga por el espacio. En una onda se propaga energía, no materia.

FIARN  (2012)

El sonido se propaga en el aire a una velocidad de 340 m/s a temperatura normal (aproximadamente a 20º). Para que el sonido pueda llegar a nuestros oídos necesita un espacio o medio de propagación, este normalmente suele ser el aire la velocidad de propagación del sonido en el aire es de unos 334 m/s y a 0º es de 331,6 m/s. La velocidad de propagación es proporcional a la raíz cuadrada de la temperatura absoluta y es alrededor de 12 m/s mayor a 20º. La velocidad es siempre independiente de la presión atmosférica. Como hemos visto cuando mayor sea la temperatura del ambiente menos rápido llegara el sonido a nuestros oídos, es por eso que algunas personas dicen que "en invierno se suele escuchar mejor" es decir, a mayor temperatura menor respuesta del sonido en el aire.

LAS PROPIEDADES Y PROPIEDADES DEL SONIDO *Amplitud: La primera propiedad que una onda de sonido ha de tener es la amplitud. Subjetivamente, la intensidad 1

 

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ONDAS SONORAS de un sonido corresponde a nuestra percepción del mismo como más o menos fuerte. Cuando elevamos el volumen de la cadena de música o del televisor, lo que hacemos es aumentar la intensidad del sonido. La amplitud es la distancia por encima y por debajo de la línea central de la onda de sonido.

*Frecuencia: Se mide en Hercios (Hertz, Hz) y nos permite saber a cuantos ciclos por segundo va esa onda. Un ciclo es cuando la onda sube hasta un punto máximo de amplitud, baja hasta atravesar la línea central y llega hasta el punto de amplitud máximo negativo y vuelve a subir hasta alcanzar la línea central. El tono o altura de un sonido depende de su frecuencia, es decir, del número de oscilaciones por segundo.

y precisa del sonido. La velocidad del sonido en un medio puede medirse con gran precisión. Se comprueba que dicha velocidad es independiente de la frecuencia y la intensidad del sonido, dependiendo únicamente de la densidad y la elasticidad del medio.

TUBOS SONOROS Se llaman tubos  tubos sonoros aquellos que contienen una columna gaseosa (columna de aire) capaz de producir sonido al ser convenientemente excitada. El cuerpo sonoro es la columna gaseosa, y no el tubo que la contiene; en efecto, éste tiene la importante función de definir la forma de aquella pero fuera de esto, influye relativamente poco sobre los fenómenos sonoros. Los tubos sonoros pueden ser cerrados, es decir, que poseen una sola abertura y tubos abiertos, que poseen dos o más. Estados De Un Tubo Sonoro:    Estado Vibratorio De Un Tubo



Abierto: Las dos extremidades donde reina una presión constante son nudos de presión, vientres de vibración.

*Timbre: El timbre es la cualidad del sonido que nos permite distinguir entre dos sonidos de la misma intensidad y altura. al tura. Podemos así  distinguir si una nota ha sido tocada por una trompeta o por un violín. Esto se debe a que todo sonido musical es un sonido complejo que puede ser considerado como una superposición de sonidos simples.

  Estado Vibratorio De Un Tubo



Cerrado: Un tubo esta cerrado cuando la extremidad opuesta a la

* Velocidad: Esta es la propiedad más simple FIARN  (2012)

boca tiene Se produce entonces un nudo defondo. vibración en ese fondo, pero un vientre subsiste en la boca del tubo. 2

 

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ONDAS SONORAS cursores de “frecuencia de muestreo”

llévelo a 10Hz.Finalmente active el botón “Auto”.  d.  Estire le cuerda de manera horizontal, de manera que en un extremo se ubique el “vibrador mecánico” y el extremo la “Polea” que se conecta a una masa

MATERIALES Y EQUIPOS              

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







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Interface Amplificador de potencia II Cables de conexión  Computadora Regla milimetrada Tubo de resonancia Sensor de temperatura

colgante fija de 0.200 Kg. e.  Con el valor de la masa colgante, halle la tensión de la cuerda y anótela en la Tabla 1. f.  Mida la longitud de la cuerda con la regla desde el vibrador mecánico hasta la polea y anótelo en la tabla 1. g.  Ingrese valores de frecuencia, hasta obtener el primer armónico en la cuerda. Luego valla subiendo valores el valor de la frecuencia hasta obtener el segundo, tercero y quinto armónico. Active el botón “Off” al finalizar sus medida s y anote los valores de los “números de armónicos” y “frecuencias”. 

h.  Seleccione el Data Studio la opción de

A.  ACTIVIDADES: Para el inicio del experimento haga lo siguiente: a.  Verifique la conexión y el estado de la fuente de alimentación de la computadora y la interface ScienceWorkshop 750. b.  Prenda la computadora, una vez activada  presione el botón “on” ubicada en la parte

trasera de la interfase. c.  Haga doble clic y active el icono “Data Studio” ubicado en la ventana escritorio

de la pantalla. 1.   PRIMERA ACTIVIDAD (GENERACION DE  NUMERO DE ARMONICOS) ARMONICOS) b.  Seleccione la actividad

“crear  experimento”, de la ventana de bienvenida

del Data Studio. c.  Seleccione “el amplificador de potencia”, conecte a la interfase. Con los cursores de la frecuencia disminuya hasta hacerlo cero. Luego active el botón “mediciones y frecuencia de muestreo” y desactive “Medir voltaje de salida y “Medir voltaje de salida” y  “Medir corriente de salida” y “Medir corriente de salida”. Luego con los FIARN  (2012)

“archivo” y active “guardar actividad como”. Guarde lo realizado con el nombre “Generación de Armónicos”.    2.  SEGUNDA ACTIVIDAD (CALCULO DEL %  ERROR DE LA DENSIDAD DENSIDAD LINEAL)

a.  Seleccione la actividad “Introducir datos”, de ventana de bienvenida del Data Studio. b.  Haga clic con el mouse en el botón “resumen”.  c.  Haga clic en el icono “datos” ubicado debajo del botón “resumen” para activar la

ventana de encabezados. Borre la variable “y” y escriba “Frecuencia”, luego debajo de la opción “unidad de variable” escriba “Hz”. Ahora active la opción “variable” .Borre la variable “x” y escriba “Numero de Armónicos”, luego debajo de la opción “unidad de variable” déjele vacía. d.  Proceda a agregar los valores de “Numero de armónicos” y “Frecuencia” realizados

en la Primera actividad. e.  De la gráfica active la herramienta “ajuste lineal”. Luego apunte el valor de la

pendiente que es la constante elástica del resorte.

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ONDAS SONORAS f.  Calcule le densidad lineal experimental,  use formula    y anote este valor. g.  Corte la porción de la cuerda L que vibró. Luego pese esta masa de cuerda m y calcule la densidad teórica, use la formula;    , y anote este valor.  h.  Seleccione el Data Studio la opción “archivo” y active “guardar actividad como”. Guarde lo realizado con el nombre “densidad lineal”.  

ACTIVIDADES

Sabiendo que:  

 

se calcula la longitud de onda

 

X 100

Siendo la velocidad teórica= 343m/s

CUESTIONARIO 1.¿Por qué las ondas se caracterizan por ser longitudinales?. En que medios es cierta esta afirmación.

Aire (0°C)

331

hasta n=8

Aire (20°C)

343

Hidrógeno (0°C)

1286

Oxígeno (0°)

317

Helio (0°C)

972

Agua (25°C)

1493

Alcohol metílico (25°C)

1143

Agua de mar (25°C)

1533

Ln L1 L2 L3 L4 L5

ʎn ʎ1 ʎ2 ʎ3 ʎ4 ʎ5

Vn V1 V2 V3 V4 V5

67 8

L L67

6 ʎ ʎ7

V V67

L8

ʎ8

V8

PASO 3: CALCULAR LA VELOCIDAD PROMEDIO                

 

Paso 3: Calculando la V corregida V corregida = V + 0.6T en °C

|   |

Velocidad

n 1 2 3 4 5

V=

%V=

Medio PASO2: n: numero armónicos

Calculando el porcentaje de error

Cuando las ondas sonoras viajan, las partículas del medio vibran para producir cambios de densidad y presión a lo largo de la dirección del movimiento, generándose así ciertas regiones de alta y baja presión denominadas condensaciones y rarefacciones respectivamente; por ello la velocidad de propagación de las ondas sonoras depende de las propiedades del medio.

PASO 1:

ʎn=2

PASO 4:

T= temperatura

FIARN  (2012)

2. ¿Si el tubo estuviese abierto por sus extremos se producirían nodos? ¿Se podrían presentar todos los armónicos?. Explique. Cuando el tubo está cerrado, se forma una onda estaciona ria, la cual presenta nodos de interferencia destructiva y antinodos de interferencia constructiva, producto de la 4

 

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ONDAS SONORAS superposición de ondas que se desplazan en el tubo. Pero cuando el tubo está abierto ya no se produce una onda estacionaria por lo tanto tampoco los nodos.

4. ¿Qué es un diapasón? Explique Los diapasones son instrumentos metálicos formados por dos ramas paralelas que se unen en su  base (en forma d “U”). Al golpear dichas ramas

contra el codo o una superficie de madera empezará a vibrar emitiendo un sonido determinado que dependerá de la masa y rigidez de aquellas. Los diapasones de mayor utilidad clínica son los de 250, 500 y 1000 Hz. 

5. ¿Por qué cuando una persona inhala helio y a continuación comienza hablar su voz es más aguda?

propagación del sonido. Desde este punto de vista, la velocidad del sonido disminuye al disminuir la presión atmosférica. 

8) ¿Por qué silva el viento? En los dentro ruidos de quelasproduce viento son general percibidos casas, el y no fuerasólo de ellas. El aire, al penetrar por los intersticios de las puertas y de las ventanas, hace vibrar o temblar cuantos objetos encuentra a su paso, produciendo así toda clase de sonidos, que con frecuencia son casi musicales. A veces la gente se asusta al oír semejantes ruidos, y, con todo, si saliera de casa no llegarían a oírlos. El viento que pasa por el aire, es decir, la corriente de aire que atraviesa la atmósfera, no se deja oír, porque lo que en el aire percibimos con nuestros oídos no es una comente, sino una onda.

12. Debido a las onda sonoras ¿Qué causa daños a nuestro umbral auditivo, una interferencia constructiva o destructiva explique? La interferencia constructiva equivale a un sonido puro es por eso que puede causar daños irreparables al umbral auditivo del ser humano.

Es evidente que si nos cambia la voz, es porque este gas actúa de algún modo sobre las cuerdas vocales, que son las responsables de la emisión de sonidos. El Helio es un gas noble, es decir, inerte, y muy poco denso. Por eso se utiliza en los globos aerostáticos, ya que asciende en el aire, por ser mucho menos denso. Esta baja densidad es la principal responsable del efecto que provoca en las cuerdas vocales, pues al entrar en la laringe, dichas cuerdas vocales se ven envueltas en un gas que es mucho menos denso que el aire y que, por tanto, ofrece una resistencia mucho menor. Así, haciendo el mismo esfuerzo por parte de los músculos de la laringe, las cuerdas vocales se tensan más y vibran con mayor frecuencia, por lo que el sonido que producen será más agudo.

7) ¿La velocidad del sonido dependerá de la presión atmosférica? La presión atmosférica aumenta al disminuir la altitud, es decir, al nivel del mar la presión atmosférica es mucho mayor que en la cima de una montaña y la temperatura disminuye al aumentar la altitud. Al haber una menor temperatura, las moléculas de aire poseen menos energía cinética, lo cual hace que sea un poco más difícil que ocurran choques entre ellas, y eso es lo que produce la FIARN  (2012)

13. ¿A que se denomina efecto doppler? Cite ejemplos El efecto Doppler está relacionado con las ondas, ya sean ondas mecánicas o electromagnéticas. Cuando un cuerpo vibra, hace vibrar el aire a su alrededor, lo que genera movimiento del aire creando ondas que se propagan en todas direcciones, igual que cuando tiramos un objeto al agua. Estas ondas chocan con el diafragma del oído y lo hace vibrar a la misma frecuencia, el sistema nervioso encargacomo de convertir en lo quese sentimos sonido. esas vibraciones  

El sonido de una locomotora. Cuando se acerca a ti el ruido es más grave y cuando se aleja de ti se vuelve agudo Las ondas que se generan al lanzar una piedra al agua.   Las ondas viajan en círculos concéntricos y llega un momento en que la distancia entre estos círculos es mucho menor en el extremo del radio opuesto al centro (se repagan las ondas)     En astronomía cuando el resultado del análisis del espectrómetro indica una corrimiento a rojo significa que el objeto

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

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estudiado se aleja 

14. ¿Qué son ondas de proa y ondas de choque? 5

 

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ONDAS SONORAS Una onda de choque, es el producto de la expansión violenta del aire a velocidades más altas que la velocidad del sonido. La mayoría de los cuerpos que producen ondas de choque, no son en realidad generadores de sonido en su estado general. Si tomas una toalla, y sacudes rápidamente una de

17.  ¿Por qué se debe recomendar tapar los oídos con las manos cuando se acerca un camión de bomberos, un tren o una ambulancia? Porque estos tienen una frecuencia de onda muy alta, en nivel de decibeles oscila entre los 100 y

sus puntas, podrá producir unreposo mini estruendo sónico, aunque una toalla en no sea un generador natural de sonidos. Es la "explosión" sónica que produce el latigazo de la misma a alta velocidad, lo que producirá una onda de choque. La onda de choque se expande alrededor del objeto que lo produce, pero en direcciones contrarias de donde se produjo. Las ondas de choque trasportan una gran cantidad de energía concentrada en la superficie del cono, correspondientemente con grandes variaciones de presión. Dichas ondas de choque no son nada placenteras para el oído y pueden causar daños a edificios cuando las aeronaves vuelan muy bajo a velocidades supersónicas. De hecho, un avión que vuele a velocidades supersónicas produce un doble estruendo debido a que se forman dos frentes de choque, uno desde la nariz de la aeronave y otro desde la cola.

110 dB, que que es un rango muy sordera alto paraparcial el oídoo humano puede ocasionar total de la persona.

15. ¿Por qué cuando hace mucho frio se escucha mejor el sonido? Porque la velocidad del sonido también depende de la molaridad de un compuesto o de los compuestos que conforman el medio de propagación del sonido, y cuando hace frio, en el aire hay mayor cantidad de vapor de aire que cuando hace calor, cuando hace calor hay otros elementos más a parte del agua como el nitrógeno entre otros que ocasionan que la molaridad del medio aumente y la velocidad del sonido sea ligeramente más lenta y por lo tanto se distorsione más el sonido.

CONCLUSIONES  

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Nos damos cuenta, de cómo algunos sonidos se convierten en ruido, debido a su intensidad, produciendo graves efectos sobre nuestro organismo. Ya que el oído humano puede escuchar a una frecuencia de 20Hz a 20000 Hz.

 



Mientras más aumentamos la frecuencia de una onda estacionaria (onda sonora) su número armónico también aumenta.

 



La velocidad de las ondas sonoras depende mucho de la temperatura.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICA BIBLIOGRAFICASS  

Curso de Física General - Tomo 2 - I. V. Savéliev -Editorial MIR    Curso de Física General - Tomo 2- S. Frish - A. Timoreva- Editorial MIR 

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16. ¿Qué es el decibel? A partir de que valores del decibel empieza a sufrir daños el oído. El decibel, originalmente fue una unidad de medida para medir niveles de sonido y se indica con las letras dB. Con el correr del tiempo se empezó a aplicar en varios campos técnicos tales como electrónica y comunicaciones. El amplio margen de intensidades que puede detectar el oído humano, fue conveniente usar una escala logarítmica, donde el nivel de sonido  está  definido por la ecuación      donde: la constante I0 es la intensidad de referencia tomada como el umbral auditivo (I0= 1.00*10-12 W/m2) e I es la intensidad en watts por metro cuadrado a la  se que nivel deesta sonido midecorresponde en decibelesel(dB)en escala,eldonde umbral de 2 dolor (I=1.00W/m ) corresponde a un nivel de sonido  = 120 dB, y el umbral auditivo corresponde a  = 0dB. FIARN  (2012)

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