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ONDAS

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by

Thor Smith

on 30 October 2013

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Transcript of ONDAS

photo credit Nasa / Goddard Space Flight Center / Reto Stöckli
ONDAS
Espectro audible
El espectro audible, también denominado campo tonal, se halla conformado por las audiofrecuencias, es decir, toda la gama de frecuencias que pueden ser percibidas por el oído humano. Un oído sano y joven es sensible a las frecuencias comprendidas entre los 20 Hz y los 20 kHz. No obstante, este margen varía según cada persona y se reduce con la edad (llamamos presbiacusia a la pérdida de audición con la edad). Este rango equivale muy aproximadamente a diez octavas completas. Frecuencias más graves incluso de hasta 4 ciclos por segundo son perceptibles a través del tacto, cuando la amplitud del sonido genera una presión suficiente.

En Occidente se suele dividir el espectro audible en 11 secciones que denominamos octavas.
El término de octava se toma de una escala musical. La octava es el intervalo entre dos sonidos que tienen una relación de frecuencias igual a 1:2 y que corresponde a ocho notas de una escala musical diatónica; o trece en una escala cromática. Por ejemplo: si comenzamos con una nota como DO, la octava completa será: DO-RE-MI-FA-SOL-LA-SI-DO. Si el primer LA estaba afinado en 440 Hz el segundo LA (octava siguiente) estará en 880 Hz.
El valor máximo de las frecuencias de cada octava es el doble del de la anterior.
INFRASONIDOS Y ULTRASONIDOS
Ejemplos
Fenómenos ondulatorios
SONORAS
INFRASONIDOS

Infrasonidos

Podemos definir los infrasonidos como las vibraciones de presión cuya frecuencia es inferior a la que el oído humano puede percibir; es decir entre 0 y 20 Hz. Pero, debido a que la mayoría de los aparatos electroacústicos utilizan una frecuencia entre 20 y 30 Hz, consideraremos también como infrasonidos a toda vibración con una frecuencia por debajo de los 30 Hz.

Dentro de la teoría de los infrasonidos abarcamos las vibraciones de los líquidos y las de los gases pero no la de los sólidos. Éstas últimas, gracias a sus aplicaciones y su problemática, se han convertido en una ciencia aparte llamada vibraciones mecánicas.

-Emisión en forma de ondas esféricas.

-Son difíciles de concentrar.

-Menor absorción que a altas frecuencias, aunque ésta dependerá de la temperatura del gas en el que viajan, el peso molecular del mismo y la dirección del viento.

-Los emisores existentes suelen ser de mala calidad.

-Debido a una menor atenuación, los infrasonidos pueden llegar más lejos que las demás ondas. Esto es utilizado para la detección de grandes objetos a grandes distancias como montañas o el fondo marino.
VEAMOS ALGUNAS CARACTERISTICAS DE LOS INFRASONIDOS
GENERADORES DE INFRASONIDOS
Infrasonidos producidos por fuentes naturales

En una situación cualquiera, puede ocurrir que aparezcan infrasonidos de gran intensidad cuyas causas pueden ser muchas y muy variadas (a menudo desconocidas) como pueden ser la superficie mar enfurecido, ciclones, terremotos, movimientos de la ionosfera producidos por rayos cósmicos o meteoritos, etc.

Cabe destacar entre las ondas generadas aquellas cuya frecuencia ronda 1 Hz ya que se propagan sin casi perder energía. Un ejemplo de ellas ocurrió en la erupción del volcán Krakatoa cuando una onda de infrasonidos dio varias veces la vuelta al mundo. Otros ejemplos de infrasonidos producidos por fuentes naturales son la caída de un meteorito en un bosque de Siberia en 1908 y el viento en un hospital de Copenhague, que provocaba reacciones en los enfermos.


Infrasonidos producidos por fuentes artificiales

Una fuente artificial importante en la generación de infrasonidos es una cámara de combustión, lo cual se convierte en un grave problema. Se cree que la causa de este fenómeno radica en el fenómeno de la resonancia, el cual veremos con más detalle en el apartado de generación de ultrasonidos.

Otros ejemplos de de fuentes infrasónicas artificiales son los motores de cohetes y, como ejemplo particular, la explosión de un artefacto en la Primera Guerra Mundial. Caso curioso el de este último ya que se pudo apreciar una onda sonora en un radio de los 100 primeros kilómetros y más allá de los 200 sin que entre los 100 y los 200 hubiera sonido alguno. Pasemos a explicar este fenómeno: Una explosión genera tanto onda sonora audible como infrasonidos. La onda sonora llegó hasta los 100 kilómetros (de allí no pasó por atenuación) pero el infrasonido siguió viajando tanto horizontalmente como hacia arriba (onda esférica). ésta última se reflejó en la ozonosfera y se sumó a la que se transmitió en la horizontal dando una mayor intensidad y generando de nuevo una onda sonora apreciable por el ser humano.

Detección de infrasonidos

Los dispositivos de detección de infrasonidos se basan en la variación de una capacidad o de una resistencia eléctrica. También nos encontramos dificultades a la hora de detectar la señal infrasónica al igual que al generarlas. Los micrófonos usuales de audiofrecuencia son inservibles: los electrodinámicos están basados en el desplazamiento rápido de una bobina dentro de un campo magnético y los infrasonidos la moverían de forma lenta, los de carbón son inestables y los piezoeléctricos no son lo suficientemente sensibles. Normalmente se han utilizado los micrófonos electroacústicos.

Existen problemas de igual manera para la medición de las ondas infrasónicas, especialmente a causa de la gran longitud de onda que presentan. En la siguiente figura mostramos un sistema analógico, donde se puede apreciar en la parte superior una rama para la grabación y, en la parte inferior, el equipo para el análisis de frecuencia:


Efectos de los infrasonidos

No se conoce mucho acerca de los posibles daños producidos por los infrasonidos. Nos limitaremos a exponer los efectos fisiológicos de los mismos. En función del nivel de intensidad de las ondas infrasónicas, los efectos se pueden dividir en cuatro regiones:


Infrasonidos con una intensidad superior a 180 dB: provocan desgarro de los alvéolos pulmonares e, incluso, la muerte.

Infrasonidos con una intensidad comprendida entre 140 y 150 dB: (ejemplo: lanzamiento de cohetes). Con un tiempo de exposición menor a dos minutos, su efecto es casi nulo para personas en buen estado físico.

Infrasonidos con una intensidad comprendida entre 120 y 140 dB: Después de mucho tiempo expuesto a estas ondas aparecen perturbaciones fisiológicas y fatiga. Ejemplos pueden ser un automovilista o un aviador cuyos vehículos son fuentes artificiales de infrasonidos.

Infrasonidos con una intensidad menor a 120 dB: No se conoce muy bien su acción a estos niveles pero una exposición de unos pocos minutos (unos 30 más o menos) no produce daño alguno.
Futuras aplicaciones del infrasonido

Los investigadores del infrasonido están interesados en sonidos de 10 Hz y más bajos (hasta 0,001 Hz). De hecho, este rango de frecuencias es el mismo que utilizan los sismógrafos para monitorear terremotos o los sensores infrasónicos para descubrir las señales acústicas provenientes de las explosiones. Debido a que tanto volcanes, tornados, turbulencias como meteoros, producen infrasonido, se podría detectar dichas ondas y prevenir algún desastre natural.

En un futuro no muy lejano se construirán estaciones de infrasonidos con el fin de resolver, por ejemplo, los problemas de falsas alarmas. Otras técnicas acústicas se pueden utilizar en el campo de la medicina, por ejemplo en relación con la enfermedad de los huesos u osteoporosis. Esto último se está desarrollando en la actualidad y todavía no presenta una interpretación clara. Veremos que los ultrasonidos tienen más aplicación en este campo.
ULTRASONIDOS
Ultrasonidos

Los ultrasonidos son aquellas ondas sonoras cuya frecuencia es superior al margen de audición humano, es decir, 20 KHz aproximadamente. Las frecuencias utilizadas en la práctica pueden llegar, incluso, a los gigahertzios. En cuanto a las longitudes de onda, éstas son del orden de centímetros para frecuencias bajas y del orden de micras para altas frecuencias.
Historia de los ultrasonidos

En el año 1883, Galton investigó los límites de la audición humana, fijando la frecuencia máxima a la que podía oír una persona. Llegó a la conclusión de que los sonidos con frecuencias inaudibles por el ser humano, presentaban fenómenos de propagación similares al resto de las ondas sonoras, aunque con una absorción mucho mayor por parte del aire.
PROPAGACION DE ULTRASONIDOS
DETECCION DE ULTRASONIDOS
Detectores mecánicos

La idea de estos detectores es utilizar un disco o una placa sobre la cual incidirá la onda ultrasónica en dirección normal. Cuando se produzca esta incidencia, la onda ejercerá una presión sobre el disco que lo hará girar, pudiendo medir la energía incidente.
Detectores eléctricos

La propiedad general que se utiliza aquí es la siguiente: La resistencia de un hilo fino calentado eléctricamente es proporcional a la velocidad del aire que pasa alrededor de él. Dicho esto, el funcionamiento de este tipo de detectores es inmediato: la onda ultrasónica proporcionará diferentes velocidades en el aire, que se traducirán en variaciones en la resistencia del hilo.
Detectores electrónicos

Estos métodos son de los más exactos a la hora de medir las características de un ultrasonido en un fluido. La idea es la siguiente: se utiliza una especie de columna llamada interferómetro. En un lado, se sitúa la entrada del ultrasonido y, en el otro, un reflector. La clave es crear una onda estacionaria para un mejor estudio.

Dentro de este grupo existen otros dispositivos muy útiles: los micrófonos. Estos dispositivos están basados en procesos ya vistos (piezoelectricidad, magnetoestricción, etc.). Los transductores piezoeléctricos son ampliamente utilizados aunque presentan ciertos inconvenientes, como son un estrecho margen de frecuencias a procesar y una gran sensibilidad al ruido electromagnético.


Detectores calorimétricos

El principio que utiliza este tipo de detectores es el de que cuando una onda sonora es absorbida por un determinado material, se produce un aumento de temperatura del mismo. El calor producido se puede relacionar directamente con la energía de la onda.
Detectores ópticos

Los detectores ópticos resuelven los inconvenientes de los transductores piezoeléctricos: son poco sensibles al ruido y presentan anchos de banda muy superiores. El funcionamiento no es simple; aquí vamos a exponer la idea esencial. Cuando la onda ultrasónica incide sobre una superficie, se produce un leve desplazamiento de la misma.
Efectos químicos

Los efectos químicos que producen los ultrasonidos son, generalmente, derivados del fenómeno de cavitación del que ya hemos hablado. Ya hemos hablado de los aumentos de presión y temperatura. Desde el punto de vista químico, podemos hablar de un fenómeno electrolítico, puesto que en las cavidades aparecen cargas eléctricas iguales y opuestas en extremos contrarios. Además, la energía desprendida de las burbujas cuando chocan produce determinadas reacciones químicas.

Efectos biológicos

Se ha comprobado que los ultrasonidos altamente energéticos afectan a la vida de pequeños animales, como los peces. Los efectos son variaciones del ritmo cardíaco, fiebre, destrucción de la capacidad reproductora, etc. Parece que la causa fundamental de esto radica, nuevamente, en el fenómeno de la cavitación y la formación de burbujas en el interior de los cuerpos.

Efectos médicos

Este tipo de efectos han sido ampliamente estudiados puesto que, como veremos en el apartado de aplicaciones, varios métodos de análisis y tratamiento dentro del campo de la Medicina se realizan con ultrasonidos. Veamos los efectos médicos fundamentales:
EFECTOS DE LOS ULTRASONIDOS
Fuera del espectro audible:
Por encima estarían los ultrasonidos (Ondas acústicas de frecuencias superiores a los 20 kHz).
Por debajo, los infrasonidos (Ondas acústicas inferiores a los 20 Hz).
El espectro audible podemos subdividirlo en función de los tonos:
Tonos graves (frecuencias bajas, correspondientes a las 4 primeras octavas, esto es, desde los 16 Hz a los 256 Hz).
Tonos medios (frecuencias medias, correspondientes a las octavas quinta, sexta y séptima, esto es, de 256 Hz a 2 kHz).
Tonos agudos (frecuencias altas, correspondientes a las tres últimas octavas, esto es, de 2 kHz hasta poco más de 16 kHz).
La primera y segunda octava (los tonos más graves, 16 - 64 Hz). No todas las personas son capaces de percibirlos, depende de la sensibilidad del oído de cada persona.
La tercera y cuarta octava (tonos graves medios, 64 - 250 Hz).
La Quinta, Sexta y Séptima octava (tonos medios, 250 Hz – 2.000 Hz). Contienen el tono fundamental y los primeros armónicos de la mayoría de las fuentes sonoras.
La octava octava (tonos agudos, 2.000 Hz – 4.096 Hz). Comprende el margen en que el oído humano tiene mayor sensibilidad.
La novena y décima octava (tonos agudos de frecuencia alta, 4.097 a 16.000 Hz). Corresponden a un chirrido desagradable y por ello no se utilizan para hacer música.
La undécima octava (los tonos más agudos del espectro audible, 16.000 a 20.000 Hz). No todas las personas son capaces de percibirlos, depende de la sensibilidad del oído de cada persona.
Absorción
Cuando una onda sonora llega a una pared rígida (ideal) se refleja totalmente ya que la pared no se mueve y no absorbe energía de la onda. Las paredes reales no son nunca completamente rígidas, por lo que pueden absorber parte de la energía de las ondas incidentes.
Reflexión y refracción. Transmisión
Cuando una onda incide sobre una superficie límite de dos medios, de distintas propiedades mecánicas, ópticas, etc, parte de la onda se refleja, parte se disipa y parte se transmite. La velocidad de propagación de las ondas, v, cambia al pasar de un medio a otro, pero no cambia la frecuencia angular w. Cuando la onda incidente llega formando con la superficie límite un ángulo cualquiera, la onda transmitida modifica su dirección original acercándose o alejándose de la normal. A esta desviación del rayo transmitido se le denomina refracción.
Difracción
La difracción consiste en que una onda puede rodear un obstáculo o propagarse a través de una pequeña abertura. Aunque este fenómeno es general, su magnitud depende de la relación que existe entre la longitud de onda y el tamaño del obstáculo o abertura. Si una abertura (obstáculo) es grande en comparación con la longitud de onda, el efecto de la difracción es pequeño, y la onda se propaga en líneas rectas o rayos, de forma semejante a como lo hace un haz de partículas. Sin embargo, cuando el tamaño de la abertura (obstáculo) es comparable a la longitud de onda, los efectos de la difracción son grandes y la onda no se propaga simplemente en la dirección de los rayos rectilíneos, sino que se dispersa como si procediese de una fuente puntual localizada en la abertura.
Las longitudes de onda del sonido audible están entre 3 cm y 12 m, y son habitualmente grandes comparadas con los obstáculos y aberturas (por ejemplo puertas o ventanas), por lo que la desviación de las ondas rodeando las esquinas es un fenómeno común.


Eco y reverberación
Se produce reverberación cuando las ondas reflejadas llegan al oyente antes de la extinción de la onda directa, es decir, en un tiempo menor que el de persistencia acústica del sonido. Este fenómeno es de suma importancia, ya que se produce en cualquier recinto en el que se propaga una onda sonora. El oyente no sólo percibe la onda directa, sino las sucesivas reflexiones que la misma produce en las distintas superficies del recinto. Controlando adecuadamente este efecto, se contribuye a mejorar las condiciones acústicas de los locales tales como teatros, salas de concierto y, en general, todo tipo de salas. La característica que define la reverberación de un local se denomina tiempo de reverberación. Se define como el tiempo que transcurre hasta que la intensidad del sonido queda reducida a una millonésima de su valor inicial.
El eco es un fenómeno consistente en escuchar un sonido después de haberse extinguido la sensación producida por la onda sonora. Se produce eco cuando la onda sonora se refleja perpendicularmente en una pared. El oído puede distinguir separadamente sensaciones que estén por encima del tiempo de persistencia, que es 0.1 s para sonidos musicales y 0.07 s para sonidos secos (palabra). Por tanto, si el oído capta un sonido directo y, después de los tiempos de persistencia especificados, capta el sonido reflejado, se apreciará el efecto del eco. Para que se produzca eco, la superficie reflectante debe estar separada del foco sonoro una determinada distancia: 17 m para sonidos musicales y 11.34 m para sonidos secos.
El efecto Doppler en ondas sonoras se refiere al cambio de frecuencia que sufren las ondas cuando la fuente emisora de ondas y/o el observador se encuentran en movimiento relativo al medio. La frecuencia aumenta cuando la fuente y el receptor se acercan y disminuye cuando se alejan.
Efecto Doppler
Sonido
El sonido es el fenómeno físico que estimula el sentido del oído. Un cuerpo solo puede emitir un sonido cuando vibra. Las vibraciones son transmitidas mediante el aire en el tímpano, que vibra y comunica estas vibraciones a través de un conjunto de pequeños huesos en las ramificaciones del nervio auditivo.
Así, la velocidad del sonido en el aire seco a 0°C es de 331 m/s (medición de la Academia de Ciencias de París en 1882); por cada elevación de un grado de temperatura, la velocidad del sonido en el aire aumenta en 0,62 m/s.

En el agua de mar a 8°C la velocidad del sonido es de 1435 m/s. (mediciones de Colladon y Sturm en 1827). En los sólidos la velocidad es del orden de los Km./s. Por ejemplo la velocidad en el acero es de 5 Km./s.
El sonido no se transmite solo en el aire, sino en cualquier otro material, sea gas, líquido o sólido, pero no se puede propagar en el vacío.
La velocidad con que se propaga depende del material que sirve como medio de transporte. Cualquier alteración de las propiedades del material, como su temperatura, densidad, etc., hace variar la velocidad de propagación.

Características de
las ondas sonoras
Es una onda mecánica.
Las ondas mecánicas no pueden desplazarse en el vacío, necesitan hacerlo a través de un medio material (aire, agua, cuerpo sólido). Además dicho medio debe ser elástico y no rígido para permitir la transmisión del sonido.
En las ondas longitudinales el movimiento de las partículas se desplazan en la misma dirección que la onda.
Es una onda longitudinal.
Mientras que en las ondas transversales el movimiento de las partículas es perpendicular a la dirección de la onda.
O una onda transversal.
Apartir de ondas transversales. pero el sonido llega a nosotros a partir de las ondas longitudinales que aquellas generan.
¿Como las ondas generan el sonido?
Son ondas que se propagan en tres direcciones. Las ondas tridimensionales se conocen también como ondas esféricas, porque sus frentes de ondas son esferas concéntricas que salen de la fuente de perturbación expandiéndose en todas direcciones.
Es una onda tridimensional.
Las superficies que contienen los puntos que tienen los mismos valores de amplitud son planos perpendiculares a la dirección de propagación. Se producen cuando la propagación de la onda solo se realiza en una dirección.
Ondas Planas
Cuando la fuente de sonido esta constituida por una recta, los frentes de onda se desplazan alejándose de ella formando superficies de cilindro cuyo radio se va incrementando, por lo que la superficie que contiene la excitación va en aumento y sufren una atenuación que es inversamente proporcional a la distancia, lo mismo que en las ondas esféricas que, cuando se encuentran muy lejos de la fuente, se comportan como ondas planas.
Ondas cilíndricas
Ondas progresivas
Cuando los frentes de onda viajan libremente transfiriendo energía.
Ondas estacionarias
Cuando una onda se encuentra limitada en un recinto, de forma que no existe transferencia neta de energía en ninguna dirección.
Puede decirse que es la altura de la onda. Es la máxima distancia que alcanza un punto al paso de las ondas respecto a su posición de equilibrio. La amplitud está relacionada con la intensidad sonora, a menor amplitud menor intensidad y a mayor amplitud mayor intensidad.
Amplitud.
El decibelio es la principal unidad de medida utilizada para el nivel de potencia o nivel de intensidad del sonido. Los sonidos que percibimos deben superar el umbral auditivo (0 dB) y no llegar al umbral de dolor (140 dB).
Frecuencia
La frecuencia es el número de ciclos (ondas completas que se producen una unidad de tiempo. En el caso del sonido, la unidad de tiempo es el segundo y la frecuencia se mide en hercios (Hz). Así un frecuencia de 1 Herzio es lo mismo que decir que el sonido tiene una vibración por segundo (por cierto, un sonido de esta frecuencia sería imposible de percibir por el oído humano).
Las frecuencias mas bajas se corresponden con lo que habitualmente llamamos sonidos "graves" , son sonidos de vibraciones lentas. Las frecuencias mas altas se corresponden con lo que llamamos sonidos "agudos" y son vibraciones muy rápidas.
Longitud de onda
Indica el tamaño de una onda, que es la distancia entre el principio y el final de una onda completa (ciclo).
La longitud de onda y la frecuencia de una onda están relacionadas, son inversamente proporcionales: A mayor frecuencia menor longitud de onda y viceversa.
Forma de Onda.
La forma de onda es la característica que nos permitirá distinguir una nota de la misma frecuencia e intensidad producida por instrumentos diferentes. La forma de onda viene determinada por los armónicos.
Normalmente, al hacer vibrar un cuerpo, no obtenemos un sonido puro, sino un sonido compuesto de sonidos de diferentes frecuencias. A estos se les llama armónicos Los armónicos contribuyen a la percepción auditiva de la calidad de sonido o timbre
Cuando se ejecuta una nota en un instrumento musical se genera una onda de presión de aire. Esta onda sonora está acompañada por una serie de armónicos, todos prácticamente inaudibles, pero que le dan al instrumento su timbre particular.
Análisis Cuantitativo
Propagación en medios
Percepción humana de las ondas sonoras
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