Las ondas sonoras y sus cualidades

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.

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.

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 bancos de peces.

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.

A $15\ \text{m}$ de un altavoz de concierto el nivel de intensidad medido es de $90\ \text{dB}$ (datos: $I_0 = 10^{-12}\ \text{W/m}^2$; $\pi = 3,14$).

1. a) Calcula la intensidad en ese punto.
2. b) Suponiendo radiación isótropa, calcula la potencia del altavoz con $P = I \cdot 4 \cdot \pi \cdot r^2$.
3. c) Comenta dos razones por las que el resultado es solo una estimación de la potencia real (piensa en la absorción del aire, la directividad del altavoz o las reflexiones del entorno).

El nivel de intensidad sonora se define como $\beta = 10 \cdot \log \frac{I}{I_0}$, medido en decibelios ($\text{dB}$), donde $I_0 = 10^{-12}\ \text{W/m}^2$ es la intensidad umbral de audición.

Calcula el nivel de intensidad de un sonido de $I = 10^{-5}\ \text{W/m}^2$.

Una conversación en voz alta tiene una intensidad $I = 5 \cdot 10^{-6}\ \text{W/m}^2$ (datos: $I_0 = 10^{-12}\ \text{W/m}^2$; $\log 5 \approx 0,7$).

Calcula su nivel de intensidad en decibelios con $\beta = 10 \cdot \log \frac{I}{I_0}$.

Un camión que pasa produce un nivel de $80\ \text{dB}$ y una biblioteca en silencio está a $40\ \text{dB}$.

1. a) Sin usar la calculadora, razona con la definición logarítmica del nivel de intensidad cuántas veces es más intenso (en $\text{W/m}^2$) el sonido del camión que el de la biblioteca.
2. b) Generaliza el resultado: ¿por qué factor se multiplica la intensidad por cada $10\ \text{dB}$ adicionales?

Una fuente sonora puntual emite con potencia $P = 0,5\ \text{W}$ uniformemente en todas las direcciones. La intensidad a una distancia $r$ es $I = \frac{P}{4 \cdot \pi \cdot r^2}$ (toma $\pi = 3,14$). El esquema representa la emisión isótropa.

Calcula la intensidad a $5\ \text{m}$ de la fuente.

Un altavoz de megafonía emite con potencia $P = 3\ \text{W}$ (datos: $\pi = 3,14$; $I_0 = 10^{-12}\ \text{W/m}^2$; $\log 2,4 \approx 0,38$).

1. a) Calcula la intensidad a $10\ \text{m}$ del altavoz con $I = \frac{P}{4 \cdot \pi \cdot r^2}$.
2. b) Calcula el nivel de intensidad en ese punto, en decibelios.

A $2\ \text{m}$ de un taladro el nivel de intensidad es de $90\ \text{dB}$ (dato: $\log 2 \approx 0,3$).

1. a) Al alejarse a $4\ \text{m}$, la intensidad se divide por $4$: calcula cuántos decibelios desciende el nivel y su nuevo valor.
2. b) Repite el cálculo para $8\ \text{m}$.
3. c) Enuncia la regla práctica que se deduce: ¿cuántos decibelios se pierden cada vez que se duplica la distancia a la fuente?