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El sonido

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  1. El sonido antonio.barbero@uclm.es A J Barbero. Dept. Física Aplicada. Curso 2004/2005

  2. NATURALEZA DEL SONIDO • Onda mecánica Las ondas sonoras están constituidas por ondas mecánicaslongitudinalesque se propaganen un medio gaseoso, líquido o sólido. Se producen cuando un sistema físico, como una cuerda o una membrana tensa, vibra y origina una perturbación en la densidad del medio (compresiones y rarefacciones).

  3. NATURALEZA DEL SONIDO • Propagación La perturbación se propaga a través del medio mediante la interacción de las moléculas del mismo. La vibración de las moléculas tiene lugar a lo largo de la dirección de propagación de la onda.Sólo se propaga la perturbación; las propias moléculas sólo vibran hacia delante y hacia atrás alrededor de sus posiciones de equilibrio.

  4. COMPRESIÓN/RARIFICACIÓN

  5. FORMA DE ECUACIÓN DE ONDA z x

  6. Z X ONDAS ARMÓNICAS Perfil de la onda armónica en t=0

  7. Z t ONDAS ARMÓNICAS Perfil de la onda armónica en x

  8. MOVIMIENTO ONDULATORIO: DOBLEMENTE PERIÓDICO Velocidad de propagación: Raíz cuadrada de la suma de los desplazamientos medios al cuadrado durante un periodo completo

  9. SONIDO: ONDAS DE PRESIÓN Presión estática Presión en x, t Sobrepresión (MÁXIMA) Máximos de presión Mínimos de presión

  10. Sistema mecánico vibrante. Variaciones de densidad en el medio Onda mecánica. Transporte de energía Mayor amplitud de vibración A Frecuencia de vibración característica (depende del sistema) A Menor amplitud de vibración

  11. Figura 1 VELOCIDAD DEL SONIDO Aumenta cuando aumenta la rigidez del medio Sólidos > líquidos > gases

  12. TONO y TIMBRE El TONO es la cualidad del sonido asociada a su carácter más o menos agudo. Las frecuencias altas corresponden a tonos agudos, la frecuencias bajas a tonos graves. El TIMBRE es la cualidad del sonido que permite distinguir entre diversos sonidos aunque correspondan a la misma frecuencia. Por ejemplo, se puede distinguir entre una misma nota musical emitida por un clarinete y por un piano. ARMÓNICOS

  13. f ARMÓNICOS En la vibración de un sistema físico no se produce una única frecuencia, sino que la frecuencia característica viene acompañada de un conjunto de armónicos (múltiplos enteros de la frecuencia característica, fundamental a partir de ahora) que se superponen a ella. El timbre viene determinado por el número e intensidad de los armónicos de una frecuencia determinada.

  14. ARMÓNICOS Suma del fundamental y armónicos 2º y 3º (véase transparencia anterior)

  15. Un NIVEL es el logaritmo de la razón de una cantidad dada respecto de una cantidad de referencia del mismo tipo. Al definir un nivel es preciso indicar la base del logaritmo, la cantidad de referencia y el tipo de nivel (por ejemplo, nivel de presión sonora o nivel de potencia sonora) NIVELES

  16. NIVEL DE POTENCIA SONORA Emisión de sonido por una fuente Potencia de referencia: W0 = 10-12w dB

  17. NIVEL DE POTENCIA SONORA Potencia instantánea: tasa a la cual la energía sonora es emitida en cualquier instante del tiempo. Potencia máxima en un intervalo Potencia media en un intervalo

  18. zmáx zRMS zrectificado t VALORES MEDIOS SINUSOIDALES z

  19. NIVEL DE PRESIÓN SONORA Relacionado con la sobrepresión respecto a la presión estática (dB) Presión de referencia: P0 = 20Pa Ejemplo: nivel de presión sonora correspondiente a 200 Pa dB

  20. NIVEL DE PRESIÓN SONORA Doblar el valor de la presión sonora supone un aumento de 6 dB en el nivel de presión sonora. Multiplicar por diez la presión sonora supone un aumento de 20 dB en el nivel de presión sonora. dB dB

  21. RELACIÓN ENTRE NIVEL de POTENCIA Y NIVEL de PRESIÓN Para sonido emitido en forma isótropa en campo libre: r : distancia a la fuente (m) Lw : nivel potencia (dB) (hoja siguiente) Ejemplo. Nivel de presión sonora a 10 m de una fuente que emite un nivel de potencia de 90 dB (temperatura del aire 20 ºC, presión atmosférica 1000 mb). dB

  22. 1100 mb 1000 mb 900 mb

  23. INTENSIDAD DEL SONIDO La intensidad del sonido en una dirección especificada en un punto del campo sonoro es el flujo de energía sonora a través de una unidad de área en ese punto (potencia por unidad de área fluyendo a través del punto), con la unidad de área perpendicular a la dirección especificada. Se mide en w/m2.

  24. W/m2 INTENSIDAD DEL SONIDO INTENSIDAD: Energía por unidad de superficie (perpendicular a la dirección dada) y por unidad de tiempo Es imprescindible especificar la dirección

  25. R

  26. NIVEL DE INTENSIDAD SONORA Recepción del sonido de una fuente • Umbral de audición: 10-12w/m2 (0 dB) • Umbral de dolor: 1 w/m2 (120 dB) Intensidad de referencia: I0 = 10-12w/m2

  27. El órgano del oído

  28. UMBRALES de AUDICIÓN: MAF y MAP UMBRAL DE MÍNIMO CAMPO AUDIBLE (MAF) Es el nivel de presión sonora del umbral de audición en jóvenes adultos con audición normal, medido en un campo libre (es decir, aquel campo de sonido en que la onda sonora se propaga a partir de la fuente sin efectos apreciables de límites ni obstáculos). Se determina para tonos puros, con el oyente frente a la fuente, y escuchando con ambos oídos. UMBRAL DE MÍNIMA PRESIÓN AUDIBLE (MAP) Es el nivel de presión sonora del umbral de audición en jóvenes adultos con audición normal, medido mediante la exposición de un oído al sonido a través de auriculares (la mayoría de las medidas de umbrales se llevan a cabo con auriculares, por ejemplo en audiometrías).

  29. Sensibilidad del oído a sonidos de distintas frecuencias

  30. Sonoridad Puesto que el oído tiene diferente sensibilidad según la frecuencia, cuando cambia la frecuencia un sonido de una intensidad determinada produce en el oído la sensación de un cambio de intensidad, aunque la potencia por unidad de superficie que alcanza el tímpano no se haya alterado. Mientras que la intensidad de un sonido es una magnitud física, la sonoridad (sensación producida por éste en el oído) es subjetiva. El fonio es la unidad acústica usada para medir el nivel total de sonoridad. Un tono puro de 1000 Hz a un nivel de intensidad de sonido de 1 dB se define como un sonido con nivel de sonoridad de 1 fonio. Todos los demás tonos tendrán un nivel de sonoridad de n fonios si el oído aprecia que suenan tan sonoros como un tono puro de 1000 Hz a un nivel de intensidad de n dB.

  31. Curvas de igual sonoridad Fuente: http://olmo.pntic.mec.es/~jmarti50/doncel/acustica.htm

  32. 80 dB 60 fonios 45 dB 50 Hz 40 fonios 5000 Hz EJEMPLO ¿Cuál es la sonoridad de: a) Un sonido de 80 dB a 50 Hz? b) Un sonido de 45 dB a 5000 Hz?

  33. NIVELES SONOROS PONDERADOS: SONÓMETROS El sonómetro es un instrumento diseñado para responder al sonido en aproximadamente la misma manera que lo hace el oído humano y dar mediciones objetivas y reproducibles del nivel de presión sonora Unidad de lectura Sección de procesamiento Micrófono Ponderación A, B, C Ponderación A: dB(A) Reproduce la sensibilidad del oído humano Ponderación C: dB (C) Respuesta más plana, guarda mayor semejanza con la presión sonora sin ponderar

  34. Ponderación A Es la que mejor reproduce la sensibilidad del oído humano

  35. 2 3 1 5 4 6 7 8 Sonómetros

  36. NIVEL DE BANDA DE OCTAVA OCTAVA: Intervalo de frecuencias de sonido cuya razón de frecuencia es 2; p. ej., entre 600 Hz y 1200 Hz DISTRIBUCIÓN DE FRECUENCIAS División del espectro de frecuencias de sonido en porciones de UNA OCTAVA de anchura: el nivel de presión sonora dentro de una banda con una octava de anchura se llama nivel de presión sonora de banda de octava (o simplemente nivel de banda de octava)

  37. NIVEL DE BANDA DE OCTAVA EJEMPLO El nivel de banda de octava se ha medido en la frecuencia central de cada banda, y está indicado por los cuadrados de color negro. Frecuencias centrales de cada banda: 63 Hz 1000 Hz 125 Hz 2000 Hz 250 Hz 4000 Hz 500 Hz 8000 Hz

  38. nivel f f nivel Tipos de ruido en función de la frecuencia Tono puro: presenta una única componente sinusoidal con una sola frecuencia característica. Ejemplo: silbato. Armónico: presenta componentes sinusoidales múltiples, con frecuencias múltiplos de una frecuencia fundamental. Ejemplo: nota musical. http://www.stee-eilas.org/lan_osasuna/udakoikas/acust/acus2.pdf Fuentes: http://www.arrakis.es/~avf/acustica/acustica.htm#RUI

  39. f f f nivel nivel -3 dB/octava nivel Tipos de ruido en función de la frecuencia Banda ancha: presenta espectro continuo. Ejemplo: maquinaria. Ruido blanco: su nivel sonoro es constante en todas las frecuencias. Ejemplo: sonido generado por una consola de grabación de baja calidad Ruido rosa: su nivel sonoro esta caracterizado por un descenso de tres decibelios por octava.

  40. Suma de niveles depresión sonora

  41. Tabla DB-1. Niveles de presión sonora en db(A) y potencia sonora en w/m2 Fuente: http://www.windpower.dk/es/stat/unitssnd.htm#dbdist

  42. Relación analítica entre niveles de presión sonora en db(A) y potencia sonora en w/m2 (equivalente a tabla DB-1) w = 10(-12+0.1*dB(A))

  43. CÁLCULO DEL NIVEL DE PRESIÓN SONORA TOTAL COMO SUMA DE DISTINTOS COMPONENTES 1) Para cada nivel sonoro en el punto que ocupa el observador, búsquese la potencia sonora en w/m2 en tabla DB-1, o calcúlese mediante w = 10(-12+0.1*dB(A)) 2) Súmense todas las potencias para obtener la potencia total W en w/m2. 3) Para obtener el nivel sonoro en dB(A) emplearemos la relación: Lp = 10·log10(W) + 120 dB(A)

  44. CÁLCULO DEL NIVEL DE PRESIÓN SONORA TOTAL COMO SUMA DE DISTINTOS COMPONENTES Ejemplo Nivel de presión sonora de dos fuentes: una de 42 dB(A) y otra de 44 dB(A) Fuente 1: 1.585·10-8 w/m2 W = 4.097·10-8 w/m2 Suma 2.512·10-8 w/m2 Fuente 2: Lp = 10·log10(4.097·10-8) + 120 = 46.1 dB(A)

  45. CÁLCULO DEL NIVEL DE PRESIÓN SONORA TOTAL COMO SUMA DE DISTINTAS BANDAS Ejemplo 2 Nivel de presión sonora a partir de los niveles de bandas de octava

  46. CÁLCULO DEL NIVEL DE PRESIÓN SONORA TOTAL COMO SUMA DE DISTINTAS BANDAS Ejemplo 2. Solución * Cálculo de la potencia sonora asociada con cada banda: uso de la tabla DB-1 o bien de la relación siguiente. w(f) = 10(-12+0.1*dB(A)) Suma de las potencias sonoras w(f) W = w(f) = 8.604·10-6 w/m2 Nivel de presión sonora final: Lp = 10·log10(W) + 120 = 69.3 dB(A)

  47. Tabla DB-2 Reducción del nivel de presión sonora en función de la distancia a la fuente

  48. Tabla DB-3. Suma de niveles sonoros de dos fuentes Suma niveles sonoros

  49. 160 m 200 m Ejemplo Dos aerogeneradores están situados a 200 m y 160 m del observador, siendo los niveles de presión sonora en las fuentes de 100 dB(A). Determínese el nivel de presión sonora en la posición del observador. Solución Nivel de presión sonora aerogenerador 1: 100-58 = 42 dB(A) (Tabla DB-2) Nivel de presión sonora aerogenerador 2: 100-56 = 44 dB(A) (Tabla DB-2) Suma de niveles: Resultado 46.1 dB(A) (Tabla DB-3)

  50. ENERGÍA TRANSPORTADA POR UN MOVIMIENTO ONDULATORIO Flujo de energía: energía transportada por unidad de tiempo a través de una unidad de superficie perpendicular a la dirección de propagación. J/(s·m2) = W/m2