objetivos de aprendizaje
al final de esta sección, podrá:
- Definir la intensidad, la intensidad de sonido y el nivel de presión de sonido.
- calcular los niveles de intensidad sonora en decibelios (dB).
la Figura 1. El ruido en carreteras atestadas como esta en Delhi hace que sea difícil escuchar a los demás a menos que griten. (crédito: Lingaraj G J, Flickr)
en un bosque tranquilo, a veces se puede escuchar una sola hoja caer al suelo., Después de acostarse en la cama, es posible que escuche su sangre palpitando a través de los oídos. Pero cuando un automovilista que pasa tiene su estéreo encendido, ni siquiera puede escuchar lo que dice la persona a su lado en su automóvil. Todos estamos muy familiarizados con la intensidad de los sonidos y conscientes de que están relacionados con la energía con la que la fuente está vibrando. En los dibujos animados que representan a una persona gritando (o un animal haciendo un ruido fuerte), el caricaturista a menudo muestra una boca abierta con una úvula vibrante, el tejido colgante en la parte posterior de la boca, para sugerir un sonido fuerte que proviene de la garganta Figura 2., La alta exposición al ruido es peligrosa para la audición, y es común que los músicos tengan pérdidas auditivas lo suficientemente graves como para interferir con la capacidad de los músicos para actuar. La cantidad física relevante es la intensidad del sonido, un concepto que es válido para todos los sonidos, estén o no en el rango audible.
La intensidad se define como la potencia por unidad de área transportada por una onda. La potencia es la velocidad a la que la energía es transferida por la onda. En forma de ecuación, la intensidad I ES I = \frac{P}{A}\\, donde P es la potencia a través de un área A. La unidad SI para I es W/m2., La intensidad de una onda sonora está relacionada con su amplitud cuadrada por la siguiente relación:
\displaystyle{I}=\frac{\left(\Delta{p}\right)^2}{2\Rho{v}_{\text{w}}}\\.
Aquí Δp es la variación de presión o amplitud de presión (la mitad de la diferencia entre la presión máxima y mínima en la onda de sonido) en unidades de pascales (Pa) O N/m2. (Estamos usando una p minúscula para la presión para distinguirla de la potencia, denotada por P arriba.,) La energía (como energía cinética \frac{mv^2}{2}\\) de un elemento oscilante del aire debido a una onda sonora viajante es proporcional a su amplitud cuadrada. En esta ecuación, ρ es la densidad del material en el que viaja la onda sonora, en unidades de kg/m3, y vw es la velocidad del sonido en el medio, en unidades de m/s. La variación de presión es proporcional a la amplitud de la oscilación, por lo que I varía como (Δp)2 (Figura 2)., Esta relación es consistente con el hecho de que la onda de sonido es producida por alguna vibración; cuanto mayor es su amplitud de presión, más se comprime el aire en el sonido que crea.
la Figura 2. Gráficos de las presiones manométricas en dos ondas sonoras de diferentes intensidades. El sonido más intenso es producido por una fuente que tiene oscilaciones de mayor amplitud y tiene mayores máximos y mínimos de presión. Debido a que las presiones son más altas en el sonido de mayor intensidad, puede ejercer fuerzas más grandes sobre los objetos que encuentra.,
los niveles de intensidad del sonido se citan en decibelios (dB) con mucha más frecuencia que las intensidades del sonido en vatios por metro cuadrado. Los decibelios son la unidad de elección en la literatura científica, así como en los medios de comunicación populares. Las razones de esta elección de unidades están relacionadas con cómo percibimos los sonidos. Cómo nuestros oídos perciben el sonido se puede describir con mayor precisión por el logaritmo de la intensidad en lugar de directamente a la intensidad., El nivel de intensidad acústica β en decibelios de un sonido con una intensidad I en vatios por metro cuadrado se define como \beta \ left (\text{dB}\right)=10\log_{10}\left (\frac{i}{I_0}\ right)\\, donde I0 = 10-12 W/m2 es una intensidad de referencia. En particular, I0 es la intensidad más baja o umbral del sonido que una persona con audición normal puede percibir a una frecuencia de 1000 Hz. El nivel de intensidad del sonido no es lo mismo que la intensidad. Debido a que β se define en términos de una relación, es una cantidad sin unidad que le dice el nivel del sonido en relación con un estándar fijo (10-12 W/m2, en este caso)., Las unidades de decibelios (dB) se utilizan para indicar que esta relación se multiplica por 10 en su definición. El bel, en el que se basa el decibelio, lleva el nombre de Alexander Graham Bell, el inventor del teléfono.
| la Tabla 1.,tory, sirena a 30 m; daños a partir de 8 h por día de exposición | ||
|---|---|---|
| 110 | 1 × 10-1 | daños a partir de 30 min por día de exposición |
| 120 | 1 | Loud rock concert, astilladora neumática a 2 m; umbral de dolor |
| /td> | 1 × 102 | avión a reacción a 30 m; dolor severo, daño en segundos |
| 160 | 1 × 104 | rotura de tímpanos |
el nivel de decibelios de un sonido que tiene la intensidad de umbral de 10-12 W/m2 es β = 0 dB, porque log101 = 0., Es decir, el umbral de audición es de 0 decibelios. La tabla 1 muestra los niveles en decibelios y las intensidades en vatios por metro cuadrado para algunos sonidos familiares.
una de las cosas más llamativas sobre las intensidades en la tabla 1 es que la intensidad en vatios por metro cuadrado es bastante pequeña para la mayoría de los sonidos. El oído es sensible a tan poco como una trillonésima parte de un vatio por metro cuadrado-aún más impresionante cuando te das cuenta de que el área del tímpano es solo de aproximadamente 1 cm2, por lo que solo 10-16 W cae sobre él en el umbral de la audición!, Las moléculas de aire en una onda de sonido de esta intensidad vibran a una distancia de menos de un diámetro molecular, y las presiones de calibre involucradas son menores de 10-9 atm.
otra característica impresionante de los sonidos de la tabla 1 es su rango numérico. La intensidad del sonido varía en un factor de 1012 desde el umbral hasta un sonido que causa daño en segundos. Ustedes no son conscientes de este tremendo rango en la intensidad del sonido porque cómo responden sus oídos puede describirse aproximadamente como el logaritmo de la intensidad., Por lo tanto, los niveles de intensidad de sonido en decibelios se ajustan mejor a su experiencia que las intensidades en vatios por metro cuadrado. La escala de decibelios también es más fácil de relacionar porque la mayoría de la gente está más acostumbrada a tratar con números como 0, 53 o 120 que números como 1.00 × 10-11.
cabe señalar en este punto que existe otra escala de decibelios en uso, llamada nivel de presión acústica, basada en la relación entre la amplitud de la presión y una presión de referencia. Esta escala se utiliza particularmente en aplicaciones donde el sonido viaja en el agua., Está fuera del alcance de la mayoría de los textos introductorios tratar esta escala porque no se usa comúnmente para sonidos en el aire, pero es importante tener en cuenta que se pueden encontrar niveles de decibelios muy diferentes cuando se citan los niveles de presión sonora. Por ejemplo, la contaminación acústica oceánica producida por los buques puede ser tan grande como 200 dB expresado en el nivel de presión sonora, donde el nivel de intensidad sonora más familiar que usamos aquí sería algo inferior a 140 dB para el mismo sonido.
Take-Home Investigation: Feeling Sound
encuentra un reproductor de CD y un CD que tenga música rock., Coloque el reproductor en una mesa de luz, inserte el CD en el reproductor y comience a reproducir el CD. Coloque su mano suavemente sobre la mesa junto a los altavoces. Aumente el volumen y observe el nivel cuando la mesa simplemente comience a vibrar a medida que se reproduce la música rock. Aumente la lectura en el control de volumen hasta que se duplique. ¿Qué ha pasado con las vibraciones?
Compruebe su comprensión
Parte 1
describa cómo la amplitud está relacionada con la sonoridad de un sonido.
solución
La amplitud es directamente proporcional a la experiencia de sonoridad., A medida que aumenta la amplitud, aumenta la sonoridad.
Parte 2
identificar sonidos comunes en los niveles de 10 dB, 50 dB y 100 dB.
solución
10 dB: pasar los dedos por el cabello.
50 dB: dentro de una casa tranquila sin televisión ni radio.
100 dB: despegue de un avión a reacción.
resumen de la sección
preguntas conceptuales
- seis miembros de un equipo de natación sincronizada usan tapones para protegerse de la presión del agua en las profundidades, pero aún pueden escuchar la música y realizar las combinaciones en el agua perfectamente., Un día, se les pidió que salieran de la piscina para que el equipo de buceo pudiera practicar algunas inmersiones, y trataron de practicar en una colchoneta, pero parecían tener mucha más dificultad. ¿Por qué podría ser esto?
- Una comunidad está preocupada por un plan para llevar el servicio de tren a su centro desde las afueras de la ciudad. El nivel de intensidad de sonido actual, a pesar de que el patio de ferrocarril está a cuadras de distancia, es de 70 dB en el centro. El alcalde asegura al público que habrá una diferencia de solo 30 dB en sonido en el Centro de la ciudad. ¿Debería preocuparse la gente del pueblo? ¿Por qué?,
Problemas & Ejercicios
- ¿Cuál es la intensidad en vatios por metro cuadrado de 85.0-dB de sonido?
- La Etiqueta de advertencia en una cortadora de césped indica que produce ruido a un nivel de 91.0 dB. ¿Qué es esto en vatios por metro cuadrado?
- Una onda de sonido que viaja en aire de 20ºC tiene una amplitud de presión de 0.5 Pa. ¿Cuál es la intensidad de la ola?
- ¿A qué nivel de intensidad corresponde el sonido del problema anterior?
- Qué nivel de intensidad de sonido en dB es producido por auriculares que crean una intensidad de 4.,00 × 10-2 W / m2?
- mostrar que una intensidad de 10-12 W / m2 es lo mismo que 10-16 W / m2.
- (a) ¿cuál es el nivel de decibelios de un sonido que es dos veces más intenso que un sonido de 90.0 dB? (b) ¿Cuál es el nivel de decibelios de un sonido que es una quinta parte tan intenso como un sonido de 90.0 dB?
- (a) ¿cuál es la intensidad de un sonido que tiene un nivel 7.00 dB inferior a un sonido de 4.00 × 10-9 W/m2? (b) ¿Cuál es la intensidad de un sonido que es 3.00 dB más alto que un sonido de 4.00 × 10-9 W/m2?
- (a) ¿cuánto más intenso es un sonido que tiene un nivel 17.0 dB más alto que otro? (b) si un sonido tiene un nivel 23.,0 dB menos que otro, ¿Cuál es la relación de sus intensidades?
- Las personas con buena audición pueden percibir sonidos de un nivel tan bajo como -8.00 dB a una frecuencia de 3000 Hz. ¿Cuál es la intensidad de este sonido en vatios por metro cuadrado?
- si una mosca grande a 3.0 m de distancia hace un ruido de 40.0 dB, ¿Cuál es el nivel de ruido de 1000 moscas a esa distancia, suponiendo que la interferencia tenga un efecto insignificante?
- diez coches en un círculo en una competición de boom box producen un nivel de intensidad de sonido de 120 dB en el centro del círculo., ¿Cuál es el nivel de intensidad de sonido promedio producido por cada estéreo, asumiendo que los efectos de interferencia pueden ser descuidados?
- La amplitud de una onda de sonido se mide en términos de su presión manométrica máxima. ¿Por qué factor aumenta la amplitud de una onda de sonido si el nivel de intensidad del sonido aumenta en 40.0 dB?
- si un nivel de intensidad sonora de 0 dB a 1000 Hz corresponde a una presión manométrica máxima (amplitud sonora) de 10-9 atm, ¿Cuál es la presión manométrica máxima en un sonido de 60 dB? ¿Cuál es la presión manométrica máxima en un sonido de 120 dB?,
- Una exposición de 8 horas a un nivel de intensidad sonora de 90,0 dB puede causar daño auditivo. ¿Qué energía en julios cae en un tímpano de 0,800 cm de diámetro tan expuesto?
- (a) las trompetas de oído nunca fueron muy comunes, pero ayudaron a las personas con pérdidas auditivas al reunir el sonido en un área grande y concentrarlo en el área más pequeña del tímpano. ¿Qué aumento de decibelios produce una trompeta de oído si su área de recolección de sonido es de 900 cm2 y el área del tímpano es de 0.500 cm2, pero la trompeta solo tiene una eficiencia de 5.00% en la transmisión del sonido al tímpano?, B) formular observaciones sobre la utilidad del aumento de decibelios que figura en la parte a).
- El sonido se transmite más eficazmente a un estetoscopio por contacto directo que a través del aire, y se intensifica aún más al concentrarse en el área más pequeña del tímpano. Es razonable suponer que el sonido se transmite a un estetoscopio 100 veces más efectivamente en comparación con la transmisión a través del aire. Cuál, entonces, es la ganancia en decibelios producida por un estetoscopio que tiene un área de recolección de sonido de 15.0 cm2, y concentra el sonido en dos tímpanos con un área total de 0.,900 cm2 con una eficiencia del 40,0%?
- Los altavoces pueden producir sonidos intensos con una entrada de energía sorprendentemente pequeña a pesar de su baja eficiencia. Calcule la entrada de energía necesaria para producir un nivel de intensidad de sonido de 90.0 dB para un altavoz de 12.0 cm de diámetro que tiene una eficiencia del 1.00%. (Este valor es el nivel de intensidad del sonido justo en el altavoz.,)
Glosario
intensidad: la potencia por unidad de área transportada por una onda
nivel de intensidad acústica: una cantidad sin unidad que le indica el nivel del sonido en relación con un estándar fijo
nivel de presión acústica: la relación entre la amplitud de la presión y una presión de referencia
- varias agencias gubernamentales y asociaciones profesionales relacionadas con la salud recomiendan que no se supere 85 dB para exposiciones diarias de 8 horas ausencia de protección auditiva. ↵
