6.8 EL EFECTO DOPPLER

6.8 EL EFECTO DOPPLER

El efecto Doppler es un fenómeno físico donde un aparente cambio de frecuencia de onda es presentado por una fuente de sonido con respecto a su observador cuando esa misma fuente se encuentra en movimiento. Este fenómeno lleva el nombre de su descubridor, Christian Andreas Doppler, un matemático y físico austríaco que presentó sus primeras teorías sobre el asunto en 1842.
El sonido

Para poder entender de qué se trata el efecto Doppler primero debemos entender algunos principios básicos de la física y el sonido.


Primero que nada debemos aclarar que el sonido viaja en ondas, estas ondas a su vez viajan a una velocidad bastante rápida, más exactamente a 331,5 m/s. Es claro que esta velocidad varía dependiendo del medio por el que viaja, así por ejemplo la velocidad antes mencionada corresponde al sonido que viaja a través del aire.

Seguramente alguna vez hayas visto una onda de sonido, tal vez en la televisión o en algún programa de manipulación de sonido. Bueno, estas ondas que crecen y decrecen son realmente lo que nuestro oído escucha. Pueden variar y no ser constantes como mostraremos en el ejemplo del efecto Doppler más abajo.




El efecto Doppler
El efecto Doppler no es simplemente funcional al sonido, sino también a otros tipos de ondas, aunque los humanos tan solo podemos ver reflejado el efecto en la realidad cuando se trata de ondas de sonido.

El efecto Doppler es el aparente cambio de frecuencia de una onda producida por el movimiento relativo de la fuente en relación a su observador. Si queremos pensar en un ejemplo de esto es bastante sencillo.

Seguramente más de una vez hayas escuchado la sirena de un coche policía o de una ambulancia pasar frente a ti. Cuando el sonido se encuentra a mucha distancia y comienza a acercarse es sumamente agudo hasta que llega a nosotros.




Cuando se encuentra muy cerca nuestro el sonido se hace distinto, lo escuchamos como si el coche estuviera parado. Luego cuando continúa su viaje y se va alejando lo que escuchamos es un sonido mucho más grave.

Esto ocurre ya que las ondas aparentan comenzar a juntarse al mismo tiempo que el coche se dirige hacia una dirección. La imagen de abajo explica mejor esta idea sobre las ondas y la velocidad de los coches.


Como pueden ver en la imagen, el micrófono capta el sonido producido por el coche verde con una onda menos intensa y menos aguda, lo mismo que pasaría si nosotros estuviésemos en el lugar del micrófono. Por otro lado, el coche anaranjado que va avanzando presenta ondas con mucha más intensidad y por tanto también mucho más agudas.

6.7 PULSOS

6.7 PULSOS

Un pulso es una perturbación de corta duración generada en el estado natural de un punto de un medio material que se transmite por dicho medio. Podemos producir un pulso, por ejemplo, realizando una rápida sacudida en el extremo de un muelle o de una cuerda, lanzando una piedra al agua de un estanque, dando un golpe a una mesa o produciendo una detonación en el aire.
Tanto los pulsos como las ondas son cosas que se producen muy a menudo en la naturaleza. El origen de las ondas se encuentra en las vibraciones, en donde un cambio repentino en la energía de un sistema o de un objeto es resultado de un cambio inmediato en la energía de los alrededores. Esta energía se disipa a través del medio con el objetivo de lograr un equilibrio mediante un proceso de forma repetitiva, lo cual es conocido como oscilación y las oscilaciones

En física se conoce como pulso a una variación repentina en una cantidad que por lo general suele ser constante. Este término se refiere a un cambio de posición en un medio, visto y descrito como la amplitud, debido a la vibración. Una serie de tales variaciones repentinas también se le conoce como pulso.conducen a las ondas. En esta experiencia las vibraciones tienen lugar en la misma dirección en la que se propagan y decimos que se trata de un pulso de onda longitudinal.

Un ejemplo de onda longitudinal es el sonido. Se pueden producir pulsos sonoros golpeando un objeto sólido. El objeto vibra y empuja al aire que lo rodea produciéndose una compresión que se traslada a una velocidad de unos 340 m/s. La propagación es longitudinal porque el aire es una disolución gaseosa sin fuerzas de cohesión entre sus moléculas. Por ello, la perturbación únicamente se propaga en la dirección en la que unas moléculas "chocan" con sus vecinas.

6.6 INTERFERENCIAS DE ONDAS

6.6 INTERFERENCIAS DE ONDAS

Interferencia del Sonido

Dos ondas que viajan en el mismo medio se interfieren entre sí. Si sus amplitudes se suman, la interferencia se dice que es una interferencia constructiva, e interferencia destructiva si están "fuera de fase" y se restan. Los patrones de interferencia constructiva y destructiva pueden dar lugar a los "puntos muertos" y "puntos vivos" de la acústica de un auditorio.

La interferencia de las ondas incidente y reflejada es esencial para que se produzcan las ondas estacionarias resonantes.

La interferencia del sonido, tiene consecuencias de largo alcance debido a la producción de "batidos"entre dos frecuencias que se interfieren unas con otras.


INTERFERENCIA CON DIAPASÓN 




Si se golpea un diapasón y se gira cerca del oído, se notará que los sonidos alternan entre fuertes y suaves a medida que se gira. En determinados ángulos de giro, la interferencia se hace constructiva y en otros destructiva.


Cada diente del diapasón produce una onda de presión que se desplaza hacia el exterior a la velocidad del sonido. Una parte de la onda tiene una presión mayor que la presión atmosférica, otra inferior. En algunos ángulos, las áreas de alta presión de las dos ondas coinciden y se oye un sonido más fuerte. En otros ángulos, la parte de alta presión de una onda coincide con la parte de baja presión de la otra.



Fase

Si se hace girar la masa de una varilla con masa a velocidad constante y se ilumina la trayectoria circular resultante desde el borde, su sombra trazará un movimiento armónico simple. Un período completo de la onda sinusoidal se corresponden con un círculo completo o 360 grados. La idea de la fase sigue este paralelismo, relacionando cualquier fracción de un período, con la fracción correspondiente del círculo en grados.


Interferencia y Fase

6.5 RESONANCIA

6.5 RESONANCIA

En aplicaciones de sonido, una frecuencia de resonancia es una frecuencia natural de vibración determinada por los parámetros físicos del objeto vibrante. Esta misma idea básica de frecuencias naturales determinadas físicamente, se aplica a través de la física, a la mecánica, la electricidad y el magnetismo, e incluso a todo el ámbito de la física moderna. Algunas de las implicaciones de las frecuencias de resonancia son las siguientes:
Facilidad de Excitación a Resonancia

Es fácil conseguir que un objeto vibre a sus frecuencias de resonancia, pero difícil de conseguir que vibre en otras frecuencias. Un columpio de niño de un parque es un ejemplo de péndulo, un sistema resonante con solo una frecuencia de resonancia. Con un suave empujón al columpio cada vez, vuelve de nuevo hacia uno, se puede continuamente reconstruir la amplitud de la oscilación. Si se trata de forzarlo para una oscilación de doble frecuencia, se encontrará que es muy dificil e ¡incluso puede perder los dientes en el proceso!Pero ¿se puede columpiar en alguna otra frecuencia?
Columpiar un niño en un columpio del parque es un trabajo fácil porque está uno ayudado por su frecuencia natural.

Captación de las Frecuencias Resonantes

Un objeto que vibra tomará sus frecuencias de resonancia de una excitación compleja y vibrará a esas frecuencias fundamentalmente, por "filtrar" otras frecuencias presentes en la excitación.
Si se acaba de golpear a una masa en un resorte con un palo, el movimiento inicial puede ser complejo, pero la respuesta principal será balancearse arriba y abajo a su frecuencia natural. El golpe con el palo es una excitación compleja con muchos componentes de frecuencias (como podría ser demostrado por análisis de Fourier), pero el muelle escoge su frecuencia natural y responde a ella.

6.4 ONDAS SONORAS ESTACIONARIAS Y MODOS NORMALES

6.4 ONDAS SONORAS ESTACIONARIAS Y MODOS NORMALES  

Las ondas estacionarias son aquellas ondas en las cuales, ciertos puntos de la onda llamados nodos, permanecen inmóviles. Las ondas estacionarias no son ondas viajeras sino que diferentes maneras de vibración. Una onda estacionaria se forma por la interferencia de dos ondas de la misma naturaleza con igual amplitud, longitud de onda (o frecuencia) que avanzan en sentido opuesto a través de un medio.

Se producen cuando interfieren dos movimientos ondulatorios con la misma frecuencia, amplitud pero con diferente sentido, a lo largo de una línea con una diferencia de fase de media longitud de onda. Las ondas estacionarias permanecen confinadas en un espacio (cuerda, tubo con aire, membrana, etc.). 

La amplitud de la oscilación para cada punto depende de su posición, la frecuencia es la misma para todos y coincide con la de las ondas que interfieren. Tiene puntos que no vibran (nodos), que permanecen inmóviles, estacionarios, mientras que otros (vientres o anti nodos) lo hacen con una amplitud de vibración máxima, igual al doble de la de las ondas que interfieren, y con una energía máxima. El nombre de onda estacionaria proviene de la aparente inmovilidad de los nodos. La distancia que separa dos nodos o dos anti-nodos consecutivos es media longitud de onda.

Se puede considerar que las ondas estacionarias no son ondas de propagación sino los distintos modos de vibración de la cuerda, el tubo con aire, la membrana, etc. Para una cuerda, tubo, membrana, ... determinados, sólo hay ciertas frecuencias a las que se producen ondas estacionarias que se llaman frecuencias de resonancia. La más baja se denomina frecuencia fundamental, y las demás son múltiplos enteros de ella (doble, triple, ...). Una onda estacionaria se puede formar por la suma de una onda y su onda reflejada sobre un mismo eje.(x o y).

6.3 INTENSIDAD DEL SONIDO

6.3 Intensidad del Sonido

La intensidad del sonido se define como la potencia acústica por unidad de área. El contexto habitual es la medición de intensidad de sonido en el aire en el lugar del oyente. Las unidades básicas son vatios/m2 o vatios/cm2. Muchas mediciones de la intensidad de sonido se hacen con relación a la intensidad del umbral de audición  estándar I0 :

El enfoque más común para la medición de la intensidad del sonido es el uso de la escala de decibelios:

Los decibelios miden la relación de una intensidad dada I con la intensidad del umbral de audición, de modo que este umbral toma el valor 0 decibelios (0 dB). Para evaluar el volumen del sonido, como distintivo de una medida de intensidad objetiva, se debe ponderar con la sensibilidad del oído.

Presión del Sonido

Dado que el sonido audible consiste en ondas de presión, una de las formas de cuantificar el sonido es establecer la cantidad de variación de la presión causada por el sonido, con relación a la presión atmosférica. Debido a la gran sensibilidad de la audición humana, el umbral de audición corresponde a una variación de presión de menos de una mil millonésima parte de la presión atmosférica.

El umbral de audición estándar se puede expresar en términos de presión, y la intensidad de sonido en decibelios se puede expresar en términos de la presión acústica:

La presión P aquí debe entenderse como la amplitud de la onda de presión. La energía transportada por una onda es proporcional al cuadrado de la amplitud. El factor de 20 proviene del hecho de que el logaritmo del cuadrado de una cantidad es igual a 2 x el logaritmo de la cantidad. Puesto que los micrófonos comunes tales como los micrófonos dinámicos, producen un voltaje que es proporcional a la presión del sonido, entonces los cambios en la intensidad del sonido incidente sobre el micrófono pueden calcularse a partir de donde V1 y V2 son las amplitudes de voltajes medidos.

6.2 RAPIDEZ DE LAS ONDAS SONORAS

6.2 RAPIDEZ DE LAS ONDAS SONORAS

La rapidez de las ondas en un medio depende de la compresibilidad y de la densidad del medio; si éste es un líquido o un gas y tiene un módulo volumétrico B y densidad "p", la rapidez de ls ondas sonoras en dicho medio es de: velocidad es igual a la raíz cuadrada de el módulo volumétrico "B" entre la densidad.

Para ondas longitudinales en una barra sólida de material la rapidez depende del módulo de Young "Y" y de la densidad "p".

La rapidez del sonido depende del tipo de material en el que se encuentra. En la siguiente tabla se muestra la rapidez del sonido en distintos tipos de materiales. 

Gases

Medio	Velocidad (m/s)
Hidrógeno	1286
Helio	972
Aire (20 °C)	343
Aire (0°C)	331
Oxígeno	31

Líquidos a 25 °C

Medio	Velocidad (m/s)
Glicerol	1904
Agua de mar	1533
Agua	1493
Mercurio	1450
Queroseno	1324
Alcohol metílico	1143
Tetracloruro de mercurio	926

Sólidos

Medio	Velocidad (m/s)
Vidrio Pyrex	5640
Hierro	5950
Aluminio	6420
Latón	4700
Cobre	5010
Oro	3240
Lucita	2680
Plomo	1960
caucho	1600