Las ondas sonoras y sus cualidades

El oído humano percibe frecuencias aproximadamente entre $20\ \text{Hz}$ y $20\ \text{kHz}$. El esquema muestra las tres zonas del espectro sonoro:

Clasifica las siguientes ondas sonoras en infrasonidos, sonidos audibles o ultrasonidos, y justifica la clasificación:

1. a) $15\ \text{Hz}$ (comunicación entre elefantes).
2. b) $440\ \text{Hz}$ (la nota «la» de un diapasón).
3. c) $45\ \text{kHz}$ (ecolocalización de un murciélago).
4. d) $3\ \text{MHz}$ (ecografía médica).

Un diapasón vibra a $440\ \text{Hz}$ (velocidad del sonido en el aire: $340\ \text{m/s}$).

1. a) Calcula el período de la onda sonora generada.
2. b) Calcula su longitud de onda en el aire.

Las tres cualidades fisiológicas del sonido son el tono, la intensidad y el timbre.

1. a) Asocia cada cualidad con la magnitud física de la onda que la determina: frecuencia, amplitud (energía transportada) o forma de la onda.
2. b) Pon un ejemplo musical de cada una: dos sonidos que difieran solo en tono, solo en intensidad y solo en timbre.

Un violín y una flauta tocan la misma nota ($440\ \text{Hz}$) con la misma intensidad y, sin embargo, se distinguen perfectamente.

1. a) ¿Qué cualidad del sonido lo permite y con qué magnitud de la onda se relaciona?
2. b) Explica el papel de los armónicos (componentes de frecuencias múltiplo de la fundamental) en esa diferencia.
3. c) Dibuja en tu cuaderno, de forma cualitativa, la forma de onda esperada para cada instrumento y compárala con la de un tono puro.

Puedes hacerlo en papel y enviar una foto con tu respuesta.

No oímos los ultrasonidos que emiten los murciélagos ($f > 20\ \text{kHz}$) ni los infrasonidos con que se comunican los elefantes ($f < 20\ \text{Hz}$).

1. a) Explica por qué, usando el concepto de rango de audición.
2. b) Las longitudes de onda de los infrasonidos son muy grandes: razona qué ventaja supone para comunicarse a grandes distancias, pensando en el fenómeno de la difracción ante los obstáculos del terreno.

Un murciélago emite ultrasonidos de $80\ \text{kHz}$ (velocidad del sonido en el aire: $340\ \text{m/s}$).

1. a) Calcula la longitud de onda y exprésala en milímetros.
2. b) El eco producido por una polilla regresa $0.05\ \text{s}$ después de la emisión: calcula la distancia a la presa.
3. c) Los objetos mucho menores que la longitud de onda apenas reflejan la onda: razona por qué el murciélago usa frecuencias tan altas para cazar insectos pequeños.

Relaciona cada aplicación con el tipo de onda sonora que utiliza (infrasonido, sonido audible o ultrasonido) y justifica la elección:

1. a) Una ecografía para observar un feto.
2. b) Un murciélago localizando insectos en la oscuridad.
3. c) Un sismógrafo registrando un terremoto lejano.
4. d) Un sonar de pesca para localizar cardúmenes.

Un ecógrafo emite ultrasonidos de $3\ \text{MHz}$ que se propagan por los tejidos blandos a $1540\ \text{m/s}$. El esquema muestra el recorrido del pulso.

1. a) Calcula la longitud de onda del ultrasonido en el tejido.
2. b) El eco de la pared posterior de un órgano regresa $1.3 \times 10^{-4}\ \text{s}$ después de la emisión: calcula a qué profundidad se encuentra, recordando el recorrido de ida y vuelta del pulso.

En una ecografía abdominal, un mismo pulso genera dos ecos sucesivos: el de la pared anterior de un órgano regresa a los $6 \times 10^{-5}\ \text{s}$ y el de la pared posterior a los $9 \times 10^{-5}\ \text{s}$ (velocidad del sonido en el tejido: $1540\ \text{m/s}$). El esquema muestra los dos ecos.

1. a) Calcula la profundidad de cada pared, recordando el recorrido de ida y vuelta.
2. b) Deduce el grosor del órgano.
3. c) Explica cómo reconstruye el ecógrafo una imagen bidimensional a partir de muchos pulsos y ecos como estos, barriendo distintas direcciones.

Las ballenas se comunican con sonidos de unos $20\ \text{Hz}$.

1. a) Calcula la longitud de onda de ese sonido en el aire ($340\ \text{m/s}$) y en el agua de mar ($1500\ \text{m/s}$).
2. b) Razona, a partir del fenómeno de la difracción, por qué estas frecuencias tan bajas permiten la comunicación a cientos de kilómetros a pesar de los obstáculos del fondo marino.
3. c) La absorción del agua crece con la frecuencia (dato): justifica por qué las ballenas no utilizan para estas comunicaciones lejanas las frecuencias altas que emplean los delfines en distancias cortas.

En ecografía, el tamaño mínimo de estructura que puede distinguirse es del orden de una longitud de onda (dato: velocidad del sonido en el tejido $1540\ \text{m/s}$).

1. a) Calcula la longitud de onda y la resolución correspondiente para una sonda de $3\ \text{MHz}$ y para una sonda de $10\ \text{MHz}$, en milímetros.
2. b) La absorción de los tejidos aumenta con la frecuencia (dato): discute el compromiso entre resolución y profundidad de exploración.
3. c) Justifica qué sonda elegirías para examinar un órgano profundo como el hígado y cuál para una estructura superficial como la tiroides.