Vibraciones y sonido

a. Objetos en vibración introducidos fenomenológicamente: cuerdas, láminas, cavidades, superficie del agua.

Relación entre frecuencia de la vibración y altura del sonido, entre amplitud de la vibración e intensidad del sonido.

b. Comparación entre las propiedades de reflexión, transmisión y absorción en diferentes medios como la madera, la piedra, la tela, etc.

c. Descripción de la fisiología del oído en relación con la audición.

Rangos de audición: el decibel.

Ondas y sonido

a. La cuerda vibrante. Relación entre longitud y tensión con su frecuencia. Resonancia.

b. Distinción entre ondas longitudinales y transversales, ondas estacionarias y ondas viajeras.

Longitud de onda y su relación con la frecuencia y velocidad de propagación.

Reconocimiento del efecto Doppler en situaciones de la vida diaria. Su explicación cualitativa en términos de la propagación de ondas.

c. El espectro sonoro: infrasonido, sonido y ultrasonido.

Aplicaciones del ultrasonido en medicina y otros ámbitos.

Composición del sonido

a. Relación entre superposición de ondas y timbre de un sonido.

Pulsaciones entre dos tonos de frecuencia similar.

b. Construcción de instrumentos musicales simples: de percusión, cuerdas o viento.

c. Elaboración de un informe sobre un tema integrador, como podría ser las causas y consecuencias de la contaminación acústica, la acústica de una sala, etc., que contemple la revisión de distintas fuentes, incluyendo recursos informáticos.

---

La función principal del oído es la de convertir las ondas sonoras en vibraciones que estimulan las células nerviosas.

Desde un punto de vista funcional y anatómico el oído lo podemos dividir en las tres porciones conocidas: externo, medio e interno.

El oído externo

Es el encargado de captar dirigir las ondas sonoras, a través del orificio auditivo, hasta el tímpano.

El oído medio

En él, las vibraciones del tímpano se amplifican y trasmiten hasta el oído interno, a través de unos huesecillos denominados martillo, yunque y estribo.

El oído interno

Aquí reside la cóclea o caracol, donde las vibraciones se convierten en impulsos nerviosos que el cerebro transforma en sensaciones auditivas.

Mecanismo de la audición

El Pabellón auricular no cumple en el hombre una función importante, a diferencia de algunos animales como cérvidos , equinos y félidos que mueven sus orejas en 180 grados lo que les permite determinar la dirección del sonido, aunque sabemos que existen algunas claves de localización en base a la posición y sombra de la cabeza y la forma de la oreja en la audición monoaural del hombre. Además, se ha observado que algunos hipoacúsicos ponen sus manos en el pabellón logrando un muy leve aumento de la percepción sonora.

También se sabe que un individuo con ausencia de pabellón oye a grandes rasgos en forma normal.

En cuanto al Conducto auditivo externo (25- 30 mm), que por su posición protege el tímpano, sólo cumple función como resonador en los 1.000-3.500 ciclos. También se sabe que la audición se mantiene aunque exista un conducto auditivo filiforme y viene a alterarse sólo cuando la oclusión es total.

Otra función del conducto auditivo externo es la de producir cerumen que actúa como lubricante y protector.

El Oído medio actúa como un multiplicador de la función sonora , ya que existe una interfase aire-líquido entre oído medio e interno que provoca una reflexión del 99,9 % de la energía sonora;  es decir, sin oído medio se pierden 30 dB (decibeles).

La vibración del tímpano es mayor según la frecuencia, siendo mejor en la zona central, entre las frecuencias 1.000-3.000 ciclos/s. y en el martillo directamente sobre los 4.000 ciclos/s.

El mecanismo de amplificación del sonido esta determinado por el tímpano, que es 17 veces más grande que la ventana oval, lo que contribuye a mejorar la audición en 27 dbs.

 El mecanismo de palanca de los huesecillos contribuye a mejorar en 3 dbs, lo que permite ajustar la impedancia de la interfase aire—líquido perilinfático del oído interno por medio de la platina del estribo que actúa como pistón.

Cuando el sonido que penetra al oído es muy intenso, se activa un mecanismo de freno que esta determinado por los músculos del estribo y martillo, que aumentan la resistencia a la vibración de los huesecillos protegiendo así las células ciliadas del oído interno.

Para una adecuada vibración del tímpano, la presión atmosférica en el conducto auditivo con respecto a la del oído medio debe ser igual, de lo contrario, se producirá un abombamiento o retracción de la membrana timpánica.

Esto se regula gracias a un adecuado funcionamiento de la trompa de Eustaquio que, además de permitir el drenaje de secreciones, impide el paso de estas al oído medio. La trompa se abre con la deglución y bostezo.

Cuando existe ausencia de huesecillos la onda sonora debe llegar desfasada a las ventanas oval y redonda (juego de ventanas), ya que si llegan al mismo tiempo no se producirá una movimiento de los líquidos del oído interno, impidiendo la vibración del órgano de corti, produciendo una baja de 30 dbs.

Una vez que el impulso sonoro llega a la ventana oval en el Oído interno, se produce un movimiento de la perilinfa determinando una onda denominada "onda viajera" y que tiene un punto de mayor vibración dependiendo de la frecuencia de estímulo en una determinada zona de la cóclea.

Ve

---

Contaminación acústica

El aire no solo se contamina con partículas sólidas o gaseosas, el ruido también provoca contaminación y se denomina contaminación acústica. Si bien es cierto que el ruido no se acumula, no se traslada y no se mantiene en el tiempo, de todos modos genera en las personas ciertos daños y molestias. Los decibeles La intensidad de los distintos ruidos se mide en decibeles (dB), unidad de medida de la presión sonora. El umbral de audición está en 0 dB (mínima intensidad del estímulo) y el umbral de dolor está en 120 dB. Para tener una aproximación de la percepción de la audición del oído humano, se creó una unidad basada en el dB que se denomina decibel A (dBA). El oído humano tiene la capacidad de soportar cierta intensidad de los ruidos; si éstos sobrepasan los niveles aceptables (límite aceptado es de 65 dB para la Organización Mundial de la Salud (OMS), provocan daños en el órgano de la audición. En la ciudad, los niveles de ruido oscilan entre 35 y 85 dBA, estableciéndose que entre 60 a 65 dBA (zonas de incomodidad acústica) se ubica el umbral del ruido diurno que comienza a ser molesto. Las cifras medias de las legislaciones europeas marcan como límite aceptable 65 dB durante el día y 55 dB durante la noche. La capacidad auditiva se deteriora en la banda comprendida entre 75 dB y 125 dB y pasa a ser nivel doloroso cuando se sobrepasan los 120 dB, llegando al umbral de dolor a los 140 dB. Por ejemplo: en una biblioteca se tienen 40 dBA, en una conversación en voz alta 70 dBA (1 m. de distancia), tráfico en una calle con mucho movimiento sobre 85 dBA y el despegue de un avión 120 dBA (70 mts. de distancia). Fuentes de ruido En una ciudad, los ruidos pueden provenir de distintas fuentes: 1.- Equipos electrónicos, de las casas particulares, fábricas, talleres, estaciones de servicio, lugares de entretención, etcétera. 2.- Vehículos motorizados con escape libre. 3.- El mal uso de la bocina. 4.- Ruidos de la calle, los cuales pueden ser originados por vendedores, como por ejemplo los vendedores de gas que golpean los cilindros, las reparaciones de calles, etcétera. 5.- Talleres o industrias en las cuales se utilizan maquinarias, herramientas, etcétera. 6.- Construcción de casas y edificios. 7.- Lugares donde existen aeropuertos. Estos ruidos lógicamente provocan contaminación ambiental, y en el hombre pueden ocasionar desde molestias a daños más serios. El ruido, como agente contaminante, no sólo puede generar daños al sistema auditivo, como el trauma acústico o la hipoacusia, sino que puede causar efectos sobre: 1.- Sistema cardiovascular, con alteraciones del ritmo cardíaco, riesgo coronario, hipertensión arterial y excitabilidad vascular por efectos de carácter neurovegetativo. 2.- Glándulas endocrinas, con alteraciones hipofisiarias y aumento de la secreción de adrenalina. 3.- Aparato digestivo, con incremento de enfermedad gastroduodenal por dificultar el descanso. 4.- Otras afecciones, por incremento inductor de estrés, aumento de alteraciones mentales, tendencia a actitudes agresivas, dificultades de observación, concentración, rendimiento y facilitando los accidentes. 5.- Sordera por niveles de 90 dB y superiores mantenidos. Está reconocida la sordera, incluso como "enfermedad profesional", para ciertas actividades laborales, siempre que se constate 1a relación causa-efecto. 6.- También puede provocar irritación, pérdida de la concentración, de la productividad laboral, alteración del sueño, etc. 7.- La exposición continuada produce la pérdida progresiva de la capacidad auditiva y especialmente en expuestos industrialmente, así como en jóvenes que utilizan habitualmente "walkmans" y motocicletas o los que acuden regularmente a discotecas. El 12 de abril de cada año se celebra en todo el mundo DÍA INTERNACIONAL DE LA CONCIENCIA SOBRE EL RUIDO. Ese día fue pensado para que todos tomemos conciencia del daño que nos estamos haciendo al permitir que haya tanto ruido. Recomendaciones para este día. Prestar atención a los ruidos que producimos Bajar el volumen de la radio, la televisión y el walkman Apagar el televisor durante el almuerzo y la cena Escribirles a las autoridades pidiéndoles que tomen medidas para que haya menos ruido. Pedirle a papá que no toque bocina Pedirles a los responsables de los lugares públicos que bajen el volumen de la música Desde las 14:15 hasta las 14:16 hacer un minuto de silencio, apagar motores, televisores y otros aparatos ruidosos. PREGUNTAS Y RESPUESTAS  FRECUENTES SOBRE RUIDO Pregunta 1. ¿Qué es el ruido? Respuesta: Es un sonido que interfiere con las actividades, las conversaciones o el descanso. Un mismo sonido puede ser música o diversión para una persona y ruido para otra. P2. ¿Un sonido tiene que ser muy fuerte para ser ruido? R: No necesariamente. A veces un ruido muy suave, como el de una llave que gotea de noche, nos distrae impidiendo concentrarnos. Pero los ruidos más fuertes son, sin duda, más perjudiciales. P3. ¿De qué está hecho el ruido? R: Como todo sonido, el ruido está formado por vibraciones del aire. P4. El ruido ¿afecta solamente a las personas ? R: No. El ruido afecta también a los animales. En las Cataratas del Iguazú, en la frontera brasileña con Paraguay, el ruido de los helicópteros que la sobrevuelan con fines turísticos ahuyentó a varias especies de animales, alterando el equilibrio ecológico del lugar. P5. El ruido ¿Puede dañar a los edificios? R: Si es muy fuerte, podría ser. Sin embargo, lo más probable es que el daño se produzca por vibraciones, las mismas que también producen el ruido. Un ejemplo: las fábricas que utilizan maquinarias pesadas que hacen vibrar las paredes vecinas, provocando rajaduras. P6. ¿El ruido me puede dejar sordo? R: Los ruidos extremadamente fuertes, como la explosión de un petardo demasiado cerca, pueden dañarte el oído para siempre. Pero aun los que no son tan, tan fuertes, como la música a alto volumen, si se escuchan durante varias horas por día pueden producir sordera, después de algunos años. P7. ¿Cuáles son los ruidos más perjudiciales para el oído? R: Los ruidos muy agudos son más dañinos que los graves. Los ruidos muy cortos y muy fuertes, como los martillazos, impactos y explosiones, también son especialmente peligrosos. P8. ¿Qué tan fuerte debe ser un ruido para dañar el oído? R: Si un ruido te impide conversar normalmente, ya es peligroso. También si te hace doler los oídos o si te produce zumbidos. P9. Además de afectar al oído ¿el ruido produce otros efectos? R: Sí: aumenta la presión sanguínea, produce problemas al corazón, predispone a la violencia, ocasiona estrés, y disminuye la concentración. En el caso de los niños, afecta el crecimiento e interfiere con el aprendizaje. P10. ¿Qué parte del oído es la que más sufre ante el ruido? R: En primer lugar hay que aclarar que el oído está formado por el oído externo (la oreja y el canal auditivo), el oído medio (el tímpano y tres pequeños huesitos) y el oído interno. El oído interno tiene forma de caracol, y en su interior hay unas células muy pequeñitas, llamadas células pilosas (en un milímetro caben 500 de ellas). Ellas son las principales responsables de que oigamos lo que oímos. Pero por ser tan pequeñas son muy delicadas, y los ruidos fuertes las destruyen. P11. La audición perdida ¿se recupera? R: No. Lamentablemente las células del oído interno, una vez destruidas, no vuelven a crecer. Por eso hay que cuidarlas siempre. P12. ¿Y entonces por qué después de un resfrío fuerte que nos ensordece por un par de días volvemos a oír bien? R: Porque en ese caso el problema es que el oído medio se llena de mucosidad, impidiendo que el sonido llegue al oído interno. No hay destrucción de células. P13. El ruido ¿produce adicción? R: Muchos especialistas consideran que sí. Por eso es que hay que evitar exponerse a demasiado ruido. P14. ¿Cuáles son las principales causas del ruido en una ciudad? R: Una de las causas principales es el tránsito: autos, camiones, microbuses, motos (sobre todo con el escape libre o en malas condiciones). En las ciudades que tienen un aeropuerto cerca o en la propia ciudad, el ruido de  los aviones es un problema muy importante. Otras causas son los comercios y fábricas que no respetan las reglamentaciones, las discotecas, los estadios deportivos, los espectáculos al aire libre, etc. P15. ¿Qué se puede hacer para combatir el ruido? R: Las posibilidades dependen del tipo de ruido que se quiere combatir. Si es un ruido contemplado en alguna reglamentación (por ejemplo un ruido excesivo producido por un vecino), se puede efectuar una denuncia y exigir que la reglamentación se cumpla. Otros tipos de ruido, como el del tránsito, sólo pueden corregirse con prevención. Por ejemplo, con campañas de educación pública que enseñen a los choferes a manejar haciendo menos ruido, a tener el vehículo en buenas condiciones, a no tocar la bocina ni acelerar inútilmente. P16. ¿Qué podemos hacer los niños para combatir el ruido? R: Lo mejor que pueden hacer es aprender por qué el ruido no es un buen negocio, e incorporar a sus costumbres la "higiene sonora". Cuando sean adultos y sean los responsables del Planeta, no cometerán los mismos errores que los adultos de hoy. P17. ¿Qué es la higiene sonora? R: Es una serie de medidas individuales y sociales para la protección contra el ruido. Entre ellas están: saber reconocer los ruidos peligrosos, saber protegerse frente a esos ruidos, evitar producir ruidos innecesarios y respetar el derecho de las demás personas a un ambiente sonoro agradable. P18. ¿Qué es el ambiente sonoro? R: Es el conjunto de sonidos que llegan a nuestros oídos en un lugar y momento dados.

---

Una onda es una perturbación que avanza o que se propaga en un medio material o incluso en el vacío. Cuando estas ondas necesitan de un medio material, se llaman ondas mecánicas. Las únicas ondas que pueden propagarse en el vacío son las ondas electromagnéticas.

El sonido es un tipo de onda mecánica que se propaga únicamente en presencia de un medio material.

Un cuerpo al vibrar imprime un movimiento de vaivén (oscilación) a las moléculas de aire que lo rodean, haciendo que la presión del aire se eleve y descienda alternativamente. Estos cambios de presión se trasmiten por colisión entre las moléculas de aire y la onda sonora es capaz de desplazarse hasta nuestros oídos. Las partes de la onda en que la presión aumenta (las moléculas se juntan) se llaman compresiones y aquellas en que la presión disminuye (las moléculas se alejan) se llaman enrarecimientos.

Según la dirección de propagación, clasificamos las ondas en dos tipos:

Ondas Longitudinales:

Es cuando la vibración de la onda es paralela a la dirección de propagación de la propia onda. Estas ondas se deben a las sucesivas compresiones y enrarecimientos del medio, de este tipo son las ondas sonoras. Un resorte que se comprime y estira también da lugar a una onda longitudinal.

El sonido se trasmite en el aire mediante ondas longitudinales

Ondas Transversales:

Donde la vibración es perpendicular a la dirección de la onda. Las ondas transversales se caracterizan por tener montes y valles. Por ejemplo, las ondas que se forman sobre la superficie del agua al arrojar una piedra o como en el caso de una onda que se propaga  a lo largo de una cuerda tensa a la que se le sacude por uno de sus extremos.

Longitud de onda, frecuencia y velocidad de propagación

La longitud de onda (λ) es la distancia entre dos máximos o compresiones consecutivos de la onda. En las ondas transversales la longitud de onda corresponde a la distancia entre dos montes o valles, y en las ondas longitudinales a la distancia entre dos compresiones contiguas. Tomaremos como ejemplo ilustrativo una onda transversal.

La frecuencia (f) corresponde al numero de oscilaciones (vibraciones) que efectúa cualquier punto de la onda en un segundo. La velocidad de propagación de una onda relaciona estas dos magnitudes.

La velocidad de propagación (v) es igual al producto de la frecuencia por la longitud de onda.

y nos indica que la longitud de onda l y la frecuencia f son dos magnitudes inversamente proporcionales, es decir que cuanto mayor es una tanto menor es la otra.

Ejemplo:

Calcular la longitud de onda de una nota con una frecuencia de 261 Hz.

Considerando que la velocidad de propagación del sonido en el aire a 15°C es de 340 m/seg, entonces se tiene,

v = 340 m/seg ;           f =261 Hz ;      por lo tanto la longitud de onda es,

El efecto Doppler

Cuando una fuente de sonido se acerca o aleja de un observador, el tono del sonido percibido varía. Este fenómeno se conoce como efecto Doppler y fue explicado por primera vez en 1842 por el físico austriaco Christian Doppler (1803-1853).

Tomemos por ejemplo la sirena de una ambulancia. Cuando se acerca, las ondas sonoras que se propagan hacia delante están más apretadas, y llegan a nuestros oídos con más frecuencia y la sirena tiene un tono más agudo. Cuando se aleja, las ondas que se propagan hacia atrás están mas separadas, de frecuencia más baja y el sonido es más grave. Cuanto mayor es la velocidad de la fuente de sonido mayor es el cambio de frecuencia.

Ondas estacionarias

Cuando dos ondas de igual amplitud, longitud de onda y velocidad avanzan en sentido opuesto a través de un medio se forman ondas estacionarias. Por ejemplo, si se ata a una pared el extremo de una cuerda y se agita el otro extremo hacia arriba y hacia abajo, las ondas se reflejan en la pared y vuelven en sentido opuesto. Esta onda tiene la misma frecuencia y longitud de onda que la onda original. Con determinada frecuencias las dos ondas, propagándose en sentidos contrarios interfieren para producir una onda estacionaria.

Estas ondas están caracterizadas por la aparición de puntos en reposo (nodos) y puntos con amplitud vibratoria máxima (vientre). Esto es posible observarlo en las cuerdas vibrantes, como en las cuerdas de guitarra, y en los tubos sonoros.

Las ondas estacionarias no son ondas viajeras sino los distintos modos de vibración de una cuerda, una membrana, aire en un tubo, etc.

Cuerdas vibrantes

Una cuerda, tendida entre dos puntos fijos, es susceptible de emitir un sonido gracias a sus vibraciones. La nota producida por una cuerda vendrá determinada por la longitud (L), la tensión (T), la densidad (d) y la sección (S). Así, si disponemos de una cuerda muy tensa y fina, obtendremos una nota aguda; y por el contrario, si la cuerda está poco tensa y es gruesa, la nota será grave.

La frecuencia se puede encontrar a partir de la fórmula:          

Resonancia

La frecuencia a la que un objeto vibra de manera natural se llama su frecuencia de resonancia, si un sonido que posea esa frecuencia se emite en las proximidades de un objeto, este capta la energía de la onda sonora y vibra de manera natural produciéndose la resonancia.

Cuando la música suena alta en una habitación, determinadas notas harán que resuene un objeto situado cerca de los parlantes. Una copa de cristal se puede romper si un cantante es capaz de emitir un sonido de frecuencia igual a la frecuencia natural de la copa.

En resumen, un cuerpo vibra por resonancia cuando llegan a él vibraciones de frecuencia igual a la propia vibración del cuerpo.

Espectro sonoro, Infrasonido y Ultrasonido

No todas las ondas sonoras pueden ser percibidas por el oído humano, el cual es sensible únicamente a aquellas cuya frecuencia están comprendida entre los 20 y los 20.000 Hz, pudiendo variar de una persona a otra. A las perturbaciones de frecuencia inferior a los 20 Hz se les denomina infrasonidos y  a las que la tienen rango superior a 20.000 Hz, ultrasonido. Tanto el infrasonido como el ultrasonido no son perceptibles por el oído humano.

El infrasonido es el tipo de onda generada por grandes fuentes sonoras, como es el caso de los terremotos y volcanes, así como por maquinarias muy pesadas. Se ha comprobado que este tipo de onda puede provocar movimiento e irritación de los órganos internos del cuerpo.

El ultrasonido tiene muchas aplicaciones en diferentes campos de la física, la química, la tecnología y la medicina.

Se utiliza a menudo en medicina porque, a diferencia de los rayos X, las ondas ultrasónicas no perjudican a los tejidos humanos. La ecografía se basa en la emisión de dichas ondas a través de la piel hacia los órganos en exploración, estos las reflejan y los ecos son recogidos por un escáner que forma en ellos una imagen sobre una pantalla.

El ultrasonido también es utilizado en la medición de profundidades marítimas, para localizar cardúmenes, con lo que resulta una excelente ayuda para la pesca, así como para detectar barcos hundidos y submarinos. Se le utiliza además en la industria para le detección de grietas en los metales, por medio de la diferencia en los ecos reflejados en la grieta.

Otro tipo de aplicación de las ondas ultrasonoras es la de matar microorganismos; al enfocar sobre ellos un haz ultrasónico, los hace entrar en rapidísima vibración, con lo cual mueren.

Existen animales capaces de emitir ondas ultrasonoras: Los delfines, por medio de fuertes chasquidos que rebotan en los objetos produciendo ecos, pueden localizar peces y otros objetos submarinos. Los murciélagos son capaces de viajar y detectar obstáculos por medio de las ondas ultrasónicas que son capaces de emitir y percibir.

---

¿ Has notado cómo el tono de las sirenas de las ambulancias, de los bomberos o de la policía, cambia a medida que el auto se nos acerca?. La frecuencia es mayor a medida que el auto se nos acerca, luego, cambia súbitamente a una frecuencia menor a medida que se aleja. Este fenómeno es conocido como el Efecto Doppler. (La frecuencia es el número de vibraciones completas por segundo medidas en una posición fija)

                                 

 En este dibujo se puede ilustrar este efecto. La fuente sonora se mueve hacia la derecha, con una cierta velocidad, emitiendo ondas que se propagan en círculos centrados en la posición de la fuente (la persona que va caminando en sentido contrario) en el momento que se generan las ondas.

La frecuencia de la fuente sonora no cambia, pero cuando la fuente se acerca hacia el detector de sonidos, más ondas se acumulan entre ellos. La longitud de onda se acorta. Puesto que la velocidad no cambia, la frecuencia del sonido detectado se aumenta. Cuando la fuente se aleja del detector (de la persona), la longitud de onda aumenta y la frecuencia detectada es menor. El efecto Doppler también se presenta si la fuente se encuentra estacionaria, y el detector está en movimiento.

Aplicaciones del Efecto Doppler

El efecto Doppler posee muchas aplicaciones. Los detectores de radar lo utilizan para medir la rapidez de los automóviles y de las pelotas en varios deportes.

Los astrónomos utilizan el efecto Doppler de la luz  de galaxias distantes para medir su velocidad y deducir su distancia.

Los médicos usan fuentes de ultrasonido para detectar las palpitaciones del corazón de un feto; los murciélagos lo emplean para detectar y cazar a un insecto en pleno vuelo. Cuando el insecto se mueve más rápidamente que el murciélago, la frecuencia reflejada es menor, pero si el murciélago se está acercando al insecto, la frecuencia reflejada es mayor.

VER EN LIKS