Reflejo de sonido

El sonido se define como oscilaciones o sensaciones evocadas por oscilaciones en partículas. El sonido es la energía que viaja en ondas a través del aire, el agua u otro medio. El sonido se puede escuchar y se propaga a través del aire como una onda longitudinal . El sonido no se puede crear ni destruir, pero se puede cambiar de una forma a otra. Por ejemplo, el sonido producido por una campana eléctrica aquí, la energía eléctrica se convierte en energía sonora. El sonido se produce debido a la vibración de un objeto.

¿Qué es el sonido?

Un sonido es una forma de energía como la energía luminosa y la energía térmica. El sonido es una onda formada por vibraciones en el aire. Estas vibraciones crean ondas de sonido que se mueven a través de medios que pueden ser sólidos, líquidos o gaseosos antes de llegar a nuestros oídos. El sonido no viaja en el vacío. El sonido, por lo tanto, no es audible en el espacio. Al igual que la luz, el sonido se refleja en la superficie de un sólido o líquido. Este rebote del sonido cuando golpea cualquier superficie es el reflejo del sonido. 

Aquí hay algunos términos importantes definidos a continuación para comprender mejor el reflejo del sonido como:

• Eco: la repetición del sonido causada por el reflejo de la onda de sonido se llama eco .
• Reflexión de las ondas de sonido : el rebote de la onda de sonido al golpear una superficie como una pared, una hoja de metal, madera contrachapada, etc. se denomina reflexión de la onda de sonido .
• Reverberación: si la distancia es inferior a 17 m, el sonido original se mezcla con el sonido reflejado. Debido a los repetidos reflejos en la superficie reflectante, el sonido se prolonga. Este efecto se conoce como reverberación .

Tipos de olas

Ondas elásticas o mecánicas:

Las ondas sonoras requieren necesariamente de un medio para su propagación. Estas ondas viajan en un medio a través de las vibraciones de las partículas del medio sobre sus posiciones medias. De ahí que se las llame ondas elásticas o mecánicas.

Ondas longitudinales:

Las vibraciones de las partículas medianas están a lo largo de la dirección de propagación. Se forman compresiones y rarefacciones en el medio.

Ondas transversales:

Las vibraciones de las partículas medianas son perpendiculares a la dirección de propagación. Crestas y valles se forman en el medio.

Condiciones para la formación de un eco:

Se escucha un eco solo si la distancia entre la persona que produce el sonido y el obstáculo rígido (o reflector) es lo suficientemente larga como para permitir que el sonido reflejado llegue a la persona al menos 0,1 segundos después de escuchar el sonido original.

Condiciones para escuchar el eco claramente:

La distancia mínima en el aire entre la fuente de sonido y el reflector debe ser de 17 m. El tamaño del reflector debe ser lo suficientemente grande en comparación con la longitud de onda de la onda de sonido. La intensidad del sonido debe ser suficiente para que el sonido reflejado que llega al oído sea audible.  

Uso de ecos por murciélagos, delfines y pescadores

Uso de ecos por sonar (navegación y alcance de sonido)

Características del sonido

Sonoridad – Es la propiedad en virtud de la cual se puede distinguir un sonido fuerte de uno débil, teniendo ambos el mismo tono y frecuencia. La sonoridad se expresa en una unidad llamada decibelio (dB). Es directamente proporcional a la amplitud de la vibración.

Intensidad: la cantidad de energía del sonido que pasa cada segundo a través de una unidad de área se denomina intensidad del sonido.

Tono: el tono es esa característica del sonido por la cual una nota aguda (o estridente) se puede distinguir de una nota grave o bemol. No es lo mismo que frecuencia. Se refiere a la sensación percibida por el oyente.

Calidad / Timbre – La calidad o timbre del sonido es aquella característica que nos permite distinguir un sonido de otro que tiene el mismo tono y volumen, pero emitido por dos instrumentos diferentes.

Factores que afectan la intensidad del sonido

Sonoridad ∝ (Amplitud) ²

Sonoridad ∝ 1/(Distancia) ²

La sonoridad depende del área superficial del cuerpo que vibra. Cuanto mayor sea el área de vibración, más fuerte se escuchará el sonido. La sonoridad depende de la densidad del medio. Más la densidad del medio más es el volumen. La sonoridad depende de la presencia de cuerpos resonantes. La presencia de cuerpos resonantes cerca de los cuerpos vibrantes aumenta la sonoridad.

Reflejos de sonido

El rebote de las ondas sonoras desde la superficie se llama reflexión del sonido o podemos decir que cuando el sonido viaja en un medio dado golpea la superficie de otro medio para que regrese en alguna otra dirección, este fenómeno se llama reflexión del sonido.

El reflejo del sonido es similar al reflejo de la luz ya que sigue las leyes de los reflejos. Cuando una onda de sonido viaja a través de una habitación y toca una pared, se produce una onda reflectante que reintroducirá una parte de esa onda en la habitación.  

Es necesario un obstáculo pulido o rugoso y grande para la reflexión del sonido. La reflexión de las ondas sonoras también se ve afectada por la forma de la superficie.

Ondas sonoras incidentes: Las ondas sonoras que viajan hacia la superficie reflectante se denominan ondas sonoras incidentes.

Ondas de sonido reflejadas: las ondas de sonido que regresan de la superficie reflectante se denominan ondas de sonido reflejadas.

Transmisión de sonido

La transmisión de sonido ocurre con la porción de energía que puede transmitirse a través de la pared. La onda de sonido se transfiere como energía de molécula a molécula a través de cualquier medio. La reflexión del sonido es la energía que se devuelve al medio original.

Leyes de la Reflexión del Sonido

• El ángulo de reflexión siempre es igual al ángulo de incidencia (Ángulo de reflexión = Ángulo de incidencia)
• La onda incidente, la onda reflejada y la normal en el punto de incidencia se encuentran en el mismo plano.

Aplicaciones de la reflexión del sonido.

La reflexión del sonido se utiliza en muchos dispositivos:

1. Eco: El eco es la repetición de un sonido provocado por el reflejo de las ondas sonoras. El eco llega al oyente con un retraso después del sonido directo. Si este espacio entre el objeto es mayor a 1 segundo, el reflejo se llama eco. Los murciélagos y los delfines usan el eco para detectar obstáculos. Echo también se utiliza en la técnica SONAR (Sound Navigation And Ranging) utilizada para la detección y ubicación de objetos dentro del agua, como submarinos sumergidos, icebergs.
2. Estetoscopio: Un estetoscopio se usa para escuchar los sonidos de los órganos internos de un paciente.
3. Megáfono: Los megáfonos evitan que las ondas sonoras se propaguen por reflejos sucesivos, confinándolas así al aire en el tubo.
4. Caja de resonancia: Las cajas de resonancia son superficies curvas que se colocan de tal manera que la fuente de sonido está en el foco. Las ondas de sonido están hechas para reflejarse por igual en toda la sala o auditorio, mejorando así su calidad.
5. Audífono: Un audífono es un dispositivo utilizado por personas con dificultad para oír.

Problemas de muestra

Problema 1: ¿El sonido sigue las mismas leyes de reflexión que la luz? Explique.

Solución:

Sí, el sonido y la luz siguen las mismas leyes de reflexión que se indican a continuación:

(a) Ángulo de incidencia en el punto de incidencia = Ángulo de reflexión.

(b) En el punto de incidencia, la onda de sonido incidente, la onda de sonido normal y la reflejada se encuentran en el mismo plano.

Problema 2: ¿Cómo llega a tu oído el sonido producido por un objeto que vibra en un medio?

Solución:

 El aire es el material más común a través del cual se propaga el sonido. Cuando los objetos que vibran, como las puntas de un diapasón, se mueven hacia adelante, empujan las moléculas de aire frente a ellos. Esto a su vez comprime el aire, creando una región de alta presión y alta densidad llamada compresión. Cuando las puntas del diapasón se mueven hacia atrás, crean una región de baja presión en el aire llamada rarefacción. Esta región tiene baja presión, baja densidad y más volumen. A medida que el diapasón continúa vibrando, las regiones de compresión en el aire se alternan con las regiones de rarefacción. La energía del diapasón vibratorio viaja hacia afuera. Esta energía que llega a los oídos, hace vibrar los tímpanos, y así escuchamos el sonido.

Problema 3: ¿Cómo llega a tus oídos el sonido que produce un instrumento musical? Los astronautas necesitan transmisores de radio para hablar entre ellos en la luna. ¿Por qué? 

Solución:

El sonido producido por el instrumento musical hace vibrar las moléculas de aire. Estas vibraciones son transportadas por otras moléculas hasta que llegan a nuestro oído y luego hacen vibrar nuestro tímpano para producir sonido. Dado que el sonido requiere un medio para propagarse, el sonido no puede viajar entre los astronautas en la luna, por lo que utilizan transmisores de radio.

Problema 4: ¿En qué se diferencia el experimento de la reflexión del sonido del experimento sobre las leyes de la reflexión de la luz?

Solución:

Para el reflejo de la luz necesitamos una superficie pulida y lisa pero no transparente, mientras que para el reflejo del sonido la superficie puede no estar pulida y ser transparente. Para la reflexión del sonido, debemos elegir materiales que no absorban el sonido.

Problema 5: Se repite el sonido que se hace frente a un edificio alto a 18 m de distancia. Nombra el fenómeno y explícalo brevemente.

Solución:

El fenómeno se conoce como eco. Obtenemos ecos debido a la reflexión del sonido. El sonido reflejado llega al observador después de un tiempo 2d/v, donde d es la distancia de la pared reflectante a la fuente y v es su velocidad. Para el oído humano, este tiempo debe ser de al menos 0,1 segundos para garantizar que el sonido reflejado no se mezcle con el sonido directo. Dado que la velocidad del sonido en el aire es de casi 340 ms-1, debemos tener 2d/340 > 0,1 o d > 17 m. Dado que el edificio está a una distancia de 18 m, podemos escuchar claramente el sonido reflejado en forma de eco.

Problema 6: Explique cómo se produce el sonido de la campana de su escuela.

Solución:

Cuando la campana de la escuela vibra, fuerza a las partículas adyacentes en el aire a vibrar. Esta perturbación da lugar a una ola y cuando la campana avanza, empuja el aire frente a ella. Esto crea una región de altas presiones conocida como compresión. Cuando la campana se mueve hacia atrás, crea una región de baja presión conocida como rarefacción. A medida que la campana continúa moviéndose hacia adelante y hacia atrás, produce una serie de compresiones y rarefacciones. Esto hace que el sonido de una campana se propague por el aire.

Problema 7: La frecuencia de una fuente de sonido es de 100 Hz. ¿Cuántas veces vibra en un minuto?

Solución:

La frecuencia se define como el número de oscilaciones por segundo. Está dada por la relación.

Número de oscilaciones = Frecuencia × Tiempo total

Dado, Frecuencia del sonido = 100 Hz

Tiempo total = 1 min = 60 s

Número de oscilaciones/Vibraciones = 100 × 60 = 6000

Por tanto, la fuente vibra 6000 veces en un minuto, produciendo una frecuencia de 100 Hz.

Problema 8: Cuando un sonido se refleja desde un objeto distante, se produce un eco. Deje que la distancia entre la superficie reflectante y la fuente de producción de sonido permanezca igual. ¿Oyes sonidos de eco en un día más caluroso?

Solución:

Se escucha un eco cuando el intervalo de tiempo entre el sonido original y el sonido reflejado es de al menos 0,1 s. La velocidad del sonido en un medio aumenta con el aumento de la temperatura. Por tanto, en un día más caluroso, el intervalo de tiempo entre el sonido original y el sonido reflejado disminuirá. Por lo tanto, solo se puede escuchar un eco si el intervalo de tiempo entre el sonido original y el sonido reflejado es mayor a 0.1 s.