TUBOS SONOROS

TUBOS SONOROS Se llaman 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. Los tubos sonoros pueden ser cerrados, es decir, que poseen una sola abertura y tubos abiertos, que poseen dos o más.

Vibración de la columna de aire contenida en un tubo El funcionamiento de las columnas de aire contenidas en los tubos sonoros es muy similar al funcionamiento de una cuerda de guitarra. Hay sitios en donde la vibración es nula y hay sitios en donde la vibración llega a su máxima amplitud. Cuando esta es nula es porque en esas zonas las columnas tienen nodos y cuando es máxima es porque en esa zona las columnas poseen vientres. Las distancias entre los nodos y los vientres varían según la fuerza de la vibración. Esta vibración es longitudinal por lo que los nodos pasan a ser puntos de concentración y los vientres de expansión o dilatación(aumento). Cuando hay un extremo cerrado se forma un nodo y cuando hay uno abierto se forma un vientre. Y aunque pueda resultar obvio que un nodo no puede ser un punto de estimulación para la columna, tampoco resulta obvio que un vientre sea este punto. En muchos casos son puntos intermedios. No es necesario que las aberturas de un tubo coincidan con los extremos, pudiendo éstos estar cerrados y haber una o más aberturas en otras partes del tubo (la gaita). La vibración de las columnas se puede presentar a través de toda su longitud o dividida en segmentos iguales (medios, tercios, cuartos, etc.). lo mismo que las cuerdas. Inmediatamente la columna sea estimulada se obtiene un sonido principal más conocido como sonido fundamental. Los que siguen después de este se conocen como armónicos: segundo, si la columna vibra dividida en mitades; tercero, si vibra en tercios, etc.

En un tubo abierto, que tiene dos vientres a cada extremo, luego de sonado el fundamental no aparecerá el armónico hasta que la onda no rebote con el único nodo posible en ese momento, es decir el centro superior de la pared del tubo. Cuando se produzca un segundo armónico, se generaran dos

nodos y tres vientres y así va subiendo hasta que la vibración sea muy débil y se agote. En los tubos cerrados sucede todo lo contrario. La vibración sale de un nodo formado en el extremo cellado del tubo y de un vientre en su extremo abierto opuesto. Se repite el mismo ciclo generado en los tubos abiertos. Sin embargo, los tubos cerrados tienen producen una menor frecuencia que los abiertos ya que los armónicos que presentan los tubos cerrados son los de orden impar y los abiertos presentan todos los que queden al alcance de la longitud de vibración. Tomando como punto de partida el que en los extremos de un tubo abierto, sólo pueden haber vientres de vibración, el tubo producirá su fundamental cuando vibre con un nodo único en su centro. Cuando el tubo produce su segundo armónico, producirá dos nodos y tres vientres; cuando produce su tercer amónico, producirá tres nodos y 4 vientres, y así sucesivamente.

En los Tubos Cerrados, la onda se forma con un nodo en el extremo cerrado y un vientre en el extremo abierto.

A igualdad de longitud de tubo, el tubo abierto produce un sonido de frecuencia doble que el cerrado. Los tubos abiertos emiten la serie completa de armónicos correspondientes a su longitud, mientras que los cerrados, emiten sólo los armónicos de orden impar. Como tubo cerrado está la Flauta Travesera y como tubos abiertos todos los demás: Clarinetes*, Oboes, Fagotes, Saxofones, Trompetas, Trompas, etc.

Clasificación de los tubos sonoros Los tubos sonoros se pueden calificar de tres formas distintas: a)por el modo de exitación de la columna; b)según la obtención de la escala; y c)según su fisionomía interior. A continuación un ejemplo de cada una de estas maneras de calificación:

Según el modo de estimulación de la columna: * Tubos de embocadura – Directa – Flauta Traversa. Indirecta – Flauta de pico, Tubos de órgano. * Tubos de lengüeta – Libres – Acordeón, Armónica. Batientes: simples – Saxofón, Tubos de órgano. Batientes: dobles – Oboe. * Tubos de lengüeta labial – Trompeta, Tuba, Trombón. Según la obtención de la escala: * Tubos con orificios – instrumentos de viento, Madera. * Tubos de longitud variable: i. Vara – Trombón de varas. ii. Pistones – Trompeta. iii. Válvulas Rotatorias – Trompa, Tuba. Según su forma interior: * Cónicos – Saxofón, Fagot. * Cilíndricos – Flauta Traversa, Clarinete. * Prismáticos – Instrumentos primitivos, algunos tubos del órgano.

LOS TUBOS SONOROS La formación de ondas estacionarias con el sonido propagándose en el aire, tiene lugar también en espacios confinados , limitados, como son los tubos sonoros (tubos de órgano) las cajas de resonancia de los instrumentos musicales ( guitarras, piano... ). Como en toda onda estacionaria, esta situación sólo tiene lugar para determinadas frecuencias consecuencia de las condiciones impuestas a los límites de estos espacios cerrados de aire. Vamos a considerar la formación de una onda sonora estacionaria en el caso de un tubo sonoro de una determinada longitud ( que llamaremos L), que está abierto por un extremo y cerrado por el otro. Este último hecho nos condiciona que, las partículas del aire puedan vibrar intensamente en la embocadura ( puedan ser un ANTINODO o VIENTRE) y, las partículas del aire del fondo del tubo no puedan vibrar ( por tanto pueden constituir un NODO). Esto sólo ocurre para determinadas frecuencias que, refuerzan el sonido al formarse en el tubo una ONDA ESTACIONARIA SONORA.

Ondas estacionarias en tubos abiertos o cerrados

Los tubos de caña o de otras plantas de tronco hueco, constituyeron los primeros instrumentos musicales. Emitían sonido soplando por un extremo. El aire contenido en el tubo entraba en vibración emitiendo un sonido. Las versiones modernas de estos instrumentos de viento son las flautas, las trompetas y los clarinetes, todos ellos desarrollados de forma que el intérprete produzca muchas notas dentro de una amplia gama de frecuencias acústicas. El tubo de órgano es excitado por el aire que entra por el extremo inferior. El aire se transforma en un chorro en la hendidura entre el alma (una placa transversal al tubo) y el labio inferior. El chorro de aire interacciona con la columna de aire contenida en el tubo. Las ondas que se propagan a lo largo de la corriente turbulenta mantienen una oscilación uniforme en la columna de aire haciendo que el tubo suene.

Ya hemos visto en este capítulo como son las ondas estacionarias en una cuerda. Ahora veremos las ondas estacionarias que se producen en los tubos abiertos o cerrados por un extremo. Tubos abiertos

Si un tubo es abierto, el aire vibra con su máxima amplitud en los extremos. En la figura, se representan los tres primeros modos de vibración Como la distancia entre dos nodos o entre dos vientres es media longitud de onda. Si la longitud del tubo es L, tenemos que L=1l /2 , L=2l/2 , L=3l / 2, ... en general L=nl / 2, n=1, 2, 3... es un número entero

Considerando que l =v s /f (velocidad del sonido dividido la frecuencia) Las frecuencias de los distintos modos de vibración responden a la fórmula

Tubos cerrados

Si el tubo es cerrado se origina un vientre en el extremo por donde penetra el aire y un nodo en el extremo cerrado. Como la distancia entre un vientre y un nodo consecutivo es l  / 4. La longitud L del tubo es en las figuras representadas es L=l / 4 , L=3l / 4 , L=5l / 4... En general L=(2n+1) l / 4 ; con n=0, 1, 2, 3, ... Las frecuencias de los distintos modos de vibración responden a la fórmula

Leyes de Bernoulli Las fórmulas obtenidas explican las denominadas leyes de Bernoulli: La frecuencia del sonido en un tubo es: 1. 2. 3. 4. 5.

Directamente proporcional a la velocidad del sonido v s en el gas que contiene el tubo Inversamente proporcional a la longitud del tubo L En un tubo abierto, se puede producir el sonido que corresponde a la frecuencia fundamental (n=1) y sus armónicos (n=2, 3, 4, ..) En un tubo cerrado, se puede producir el sonido que corresponde a la frecuencia fundamental y los armónicos impares (2n+1=3, 5, 7, ...). En dos tubos idénticos y con el mismo gas, uno abierto y otro cerrado, el abierto produce un sonido cuya frecuencia (fundamental) es el doble que la del cerrado.

 Actividades

Tubo abierto por ambos extremos: Se activa la casilla titulada  Abierto por ambos extremos . Comprobar que si la longitud del tubo L=1 m, y la velocidad del sonido v s =340 m/s la frecuencia del modo fundamental es f 0=170 Hz. Se pulsa el botón titulado Siguiente , comprobar que las frecuencias de los armónicos son múltiplos de la frecuencia fundamental: 340 Hz, 510 Hz, etc.

Tubo abierto por un extremo Se activa la casilla titulada  Abierto por un extremos . Comprobar que si la longitud del tubo L=1 m, y la velocidad del sonido v s =340 m/s la frecuencia del modo fundamental es f 0=85 Hz (la mitad que en el tubo abierto) Se pulsa el botón titulado Siguiente , comprobar que las frecuencias de los armónicos son múltiplos impares de la frecuencia fundamental: 255 Hz, 425 Hz, etc.