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Reflexión, refracción, difracción e interferencia del sonido

14 años > Física > Física
 
1- Reflexión del sonido
 
Cuando una onda sonora se propaga y choca contra un obstáculo, cambia de dirección y/o sentido. Este fenómeno se denomina reflexión del sonido, este hecho debe respetar la ley de reflexión que señala que el ángulo incidente debe ser igual al ángulo reflejado.
 
 
 
 

Este simple hecho tiene variadas aplicaciones, entre ellas, podemos considerar el sonar de un barco. Durante la navegación marítima, se obtienen diversos datos, por ejemplo, saber la profundidad del lugar de navegación del navío.

Para medir esta profundidad, se utiliza un instrumento que emite un sonido que se refleja en el fondo del marino y retorna en un cierto tiempo al barco. Midiendo el tiempo de ida y vuelta, y sabiendo la velocidad del sonido en el agua podemos calcular esta profundidad con un simple cálculo matemático.

Supongamos que la velocidad del sonido bajo el mar es Vs=1500 m/s  y suponiendo que el tiempo en ir y volver es ti+v=0,5 s, como queremos saber la profundidad debemos considerar la mitad del tiempo ida y vuelta, es decir ti=0,25 s .

Por lo tanto: d=v·t=1500·0,25=375 m.

Por lo tanto la profundidad sería de 375 metros.

 

 
El oído humano al exponerse a sonidos reflejados tiene la facultad de poder diferenciar un sonido emitido y otro reflejado si el tiempo que transcurre entre ambos es al menos de 0,1 segundos.
 
La reflexión de las ondas sonoras puede producir fenómenos como el eco, la reverberación  
 
 
1.1- El eco
El eco es la repetición del sonido que se produce cuando las ondas sonoras se reflejan en un obstáculo situado. Para ello, se deben considerar ciertas condiciones,   por ejemplo, la distancia entre la fuente o emisor y el obstáculo donde ocurrirá la reflexión debe ser de al menos 17 m y debe retornar a su lugar al emisor en al menos 0,1 s.
 
 
 

1.2- La reverberación 
La reverberación es la prolongación del sonido que se produce por las sucesivas reflexiones de las ondas sonoras que llegan al oído con una diferencia de menos de 0,1 s. El oyente no sólo percibe la onda directa, sino las sucesivas reflexiones que la misma produce en las distintas superficies del recinto.

 

 

 

1.3- La resonancia
Este fenómeno consiste en el aumento de amplitud de un objeto y se produce cuando coincide la frecuencia de una fuente sonora con la frecuencia natural de un objeto (considera que todo cuerpo vibra por estar compuesto de átomos). Esto sugiere, que una copa al colocarse en frente de un parlante o exponerse a una frecuencia aguda, logre romperse.
 
 
 
Otro ejemplo cotidiano de resonancia lo constituye el columpio. Basta darle un pequeño impulso, para alcanzar, en un tiempo, una gran amplitud. En una guitarra, y en cualquier instrumento de cuerda, la caja de resonancia tiene por propósito amplificar el sonido generado en la cuerda.
 
Si disponemos de dos diapasones idénticos, a una cierta distancia uno del otro, al golpear uno de ellos, se percibe que el otro empieza a vibrar con la misma frecuencia sin haber sido tocado.
 
Los soldados rompen el paso al cruzar un puente para evitar que la frecuencia de su marcha pueda entrar en resonancia mecánica con la frecuencia natural del puente, derribándolo.
 
 
 
2- Refracción del sonido
 

Generalmente la refracción del sonido se da cuando este cambia de medio, y por lo tanto se modifican algunas de sus propiedades que pueden ser la velocidad, longitud de onda, amplitud. Sin embargo, este fenómeno, también ocurre si en un mismo medio cambian algunas de sus propiedades físicas. Este hecho se puede apreciar, por ejemplo cuando hay diferencias de temperatura. En días calurosos la capa de aire más cercana al suelo se encuentra a mayor temperatura, entonces el sonido viajará más rápido, esto se debe a que al aumentar la temperatura, también aumenta la agitación térmica de las moléculas de los gases que integran el aire, lo que favorece que se propague la vibración. Otro hecho a mencionar, es que al observar la figura 1, podemos darnos cuenta de que el movimiento de partículas siempre será desde una zona de mayor temperatura a una de menor  temperatura. Entonces como el sonido es una onda mecánica, su propagación se desviará hacia arriba y en consecuencia podría dificultar la percepción para un observador (O) ubicado al otro extremo. Al contrario, si consideramos una noche de baja temperatura, una conversación en un lago podría escucharse al otro extremo de este.

        

 
Podemos señalar entonces que durante la refracción del sonido se puede modificar la velocidad del sonido, y como sabemos, v=λ·f . Si la velocidad cambia, entonces o cambia la longitud de onda o la frecuencia. Por ahora consideraremos que la la frecuencia jamás cambiará cuando el sonido o en general una onda se refracte, ya que es una propiedad que se define como las vibraciones por segundo que ocurren desde la fuente, y no del medio donde se propaga. Entonces, para concluir si cambia la velocidad del sonido es por que cambia la longitud de onda y NO la frecuencia. 
 
Ejemplo (Demre 2015).  Una onda sonora tiene una longitud de onda de 2 m cuando se propaga en el aire. Al refractarse  en cierto líquido, su longitud de onda cambia a 5 m. ¿Cuál es la rapidez de la onda en dicho líquido? (Considere la rapidez del sonido en el aire igual a 340 m/s.).
 

A) 136 m/s
B) 680 m/s
C) 850 m/s
D) 1020 m/s
E) 1700 m/s

 

Respuesta: Como sabemos, en la refracción la frecuencia del sonido se mantiene constante al pasar del aire al líquido y como v=λ·f . Entonces al despejar f, tenemos:

 

v=λ·f fvλ

 

Indiquemos para el aire:  f1=v1λ1y  para cierto líquido f2=v2λ2 , como las frecuencias f1  y  f2 son iguales entonces: 
       

f1=f2

v1λ1=v2λ2      

 

Para el aire: v1=340ms  y  λ1=2m

Para el líquido: v2=x  m/s  y  λ2=5m

Reemplazando, se tiene: 

 

3402=x5340·52x=850
                            

Por lo tanto la alternativa C es la correcta.
 

 

3- Difracción
 

Este fenómeno ocurre cuando el sonido se encuentra con un obstáculo. Entonces el sonido tiene la propiedad de rodearlo y seguir propagándose. Esto, hará posible que un observador pueda percibir el sonido que proviene desde el lado opuesto de una muralla, como aparece en la figura.

Como sabemos, nuestra percepción del sonido va desde los [20 y 20.000] Hertz de frecuencia, esto significa que las longitudes de onda en el espectro audible están entre 1,7 cm y 17 m, ya que v=λ·f, por lo que son lo suficientemente grandes para bordear y así superar la mayor parte de los obstáculos que encuentran.

Finalmente, si hacemos una comparación entre frecuencias bajas o altas versus la capacidad de difractarse, se puede concluir que las frecuencias bajas superan a las de frecuencia alta, ya que al tener una longitud de onda mayor, es decir, más grandes, pueden transmitirse y bordear prácticamente todo objeto, incluso cadenas montañosas. Esta es la razón de por qué en un túnel se pueda percibir de mejor forma una señal de radio AM en comparación a una FM.

     

 
 
 
4- Interferencia del sonido
 

La superposición de ondas se conoce como interferencia. El principio de Superposición de ondas expresa que: “Si dos o más ondas se encuentran en la misma región del espacio se produce una interferencia y se obtiene una onda resultante cuyas características dependen del desfasaje de las ondas incidentes”. 

Las ondas sonoras pueden interferir entre sí y por lo tanto, las ondas sonoras pueden reforzarse llamada interferencia constructiva (figura1) conformándose una onda resultante sumando sus amplitudes o debilitarse  llamada interferencia destructiva (figura 2) restando sus amplitudes, particularmente si las amplitudes fuesen iguales podría dar origen  a  la paradoja:

                

sonido + sonido = silencio.

Es decir, anulándose ambos sonidos

 

 

  

 
 
 

5- Absorción

Cuando un sonido choca contra un cuerpo “blando” como una cortina, una parte de él se refleja y la otra se absorbe parcial o totalmente y otra parte es transmitida; es por esta razón que en los auditorios se utilizan cortinas y alfombras para mejorar la percepción del sonido en el auditor. En salas de ensayos musicales, comúnmente para mejorar la absorción del sonido se ocupa en las paredes recubrimientos irregulares, algunas veces “cajas de huevos” suelen ser una buena forma y económica de absorber el sonido.

En las salas de clases, las cortinas no solamente cumplen una función ornamental, sino que también contribuyen a absorber las ondas sonoras, mejorando las condiciones acústicas del lugar y disminuir los efectos de reflexión del sonido.

 

 

 

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Fecha de publicación: 05/14/2024

Última edición: 05/23/2024

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