LABORATORIO DE SONIDOS ... Felicitas Iñigo

Bienvenidos al laboratorio de sonidos!... Aquí vamos a experimentar un poco con los sonidos, aprender como se producen y como se propagan. Para aprovechar mejor la visita a este laboratorio virtual nuestra computadora deberá tener instalada una placa de sonido con sus correspondientes parlantes y, si es posible, un micrófono. Pero si no tenemos esas cosas, también aprenderemos mucho.

      En "El sonido de los objetos", del capítulo de Experimentos de Física, decíamos:

     Todos hemos escuchado el sonido de una campana. Pero...cómo se produce ese sonido? La campana es un cuerpo metálico que vibra al ser golpeado, a su vez esas vibraciones del metal provocan vibraciones en el aire que las rodea y esas vibraciones viajan por el aire, en forma de ondas de sonido, hasta nuestros oídos, donde hacen vibrar el tímpano, allí se generan pequeñas corrientes eléctricas que van a nuestro cerebro y entonces...oímos la campana!...

 Las ondas de sonido.    Cualquier cosa que suene hace que se generen ondas de sonido u ondas acústicas, que viajan por el aire. Por esa razón, si llevásemos la campana a la Luna no podríamos oirla porque allá no hay aire, no hay atmósfera. Esas ondas viajan también por un cuerpo sólido: si apoyamos en una oreja el extremo de una regla o una varilla de cualquier material y raspamos el otro extremo, oiremos claramente el sonido que se genera.

Y por supuesto el sonido también viaja en los líquidos, en el agua. Las ballenas se pueden comunicar a través de grandes distancias en el océano produciendo sonidos como el que oiremos al hacer clic en la figura...

     Sonidos agudos, sonidos graves...   Pero, que son las ondas de sonido?  Cuando suena un parlante, por ejemplo, el cono que produce el sonido (que es de papel u otro material de pequeño espesor) se mueve hacia delante y hacia atrás. Cuando va hacia delante, comprime a las moléculas de aire, que se apretujan entre sí. Cuando va hacia atrás, deja más lugar a las moléculas, que se separan entre sí. Y el movimiento se repite una y otra vez, muy rápidamente ( para los sonidos que percibimos normalmente, entre unas 60 y 15.000 veces por segundo!). De esa manera se genera una onda longitudinal, que  viaja a través del aire y se va debilitando con la distancia. Cuanto más lejos estemos del parlante, más debilmente lo oiremos. Una onda de sonido se representa con una línea que sube en los lugares donde las moléculas del aire se comprimen, se juntan,  y baja donde las moléculas se expanden, se separan (como se ve en la figura). Si en el parlante el cono se mueve muy rápidamente, se producirá una onda de alta frecuencia y un  sonido agudo, mientras que un movimiento más lento producirá una onda de baja frecuencia y por lo tanto un sonido grave. La frecuencia será entonces la cantidad de "lomos" de la onda que se producen en cada segundo y medimos entonces la frecuencia del sonido en ciclos por segundo o c.p.s.

   

    Teniendo instalada la Plataforma Java en nuestra computadora, podremos ver una excelente imagen en movimiento de una onda longitudinal en el sitio  

    http://surendranath.tripod.com/Applets/Waves/LWave01/LW01.html , con la opción Proggresive wave (onda Progresiva).

    Vamos a mencionar un poco más adelante las ondas que se crean en un tubo abierto en un extremo o en los dos extremos.

   Y aquí podemos oir ejemplos de un sonido grave y un sonido agudo:

          Sonido grave...                                  Sonido agudo...

           Haciendo clic en cada una de las figuras,   oiremos los sonidos que le corresponden a cada una de ellas...                        

    Lo que oimos en los ejemplos anteriores fueron sonidos puros, o sea con una sola frecuencia. Podemos generar ese tipo de sonidos en el parlante de la PC con el programaSONI2.EXE , que deberemos bajar a nuestra computadora. Una vez instalado, lo activamos con un doble clic y le damos el valor de la frecuencia del sonido que queremos generar, que oiremos inmediatamente.

Los sonidos de la realidad.  Los sonidos que nos rodean en la vida diaria están formados generalmente por una mezcla complicada de distintas frecuencias o sonidos puros.  Es posible ver las ondas que corresponden a distintos sonidos usando un osciloscopio, que es un instrumento de laboratorio al cual se puede conectar un micrófono y que muestra esas ondas en una pantalla. Afortunadamente, en Internet podemos encontrar "osciloscopios virtuales" que nos permiten hacer experimentos muy interesantes.

Si disponemos en nuestra computadora de una placa de sonido con parlantes y un micrófono conectado, podremos hacer algunos experimentos luego de bajar elosciloscopio que se ofrecía originariamente en http://polly.phys.msu.ru  El archivo comprimido (.zip) contiene el programa del osciloscopio así como un manual de uso (en inglés). Después de descomprimir el archivo, ejecutamos WINSCOPE.EXE y tendremos el osciloscopio funcionando en una ventana, mientras que el Laboratorio de Sonido puede estar en otra ventana.

Algunos experimentos:

   Una vez que tengamos nuestro osciloscopio instalado en la pantalla, lo ponemos en marcha con el primer ícono que aparece en la barra de tareas : debe aparecer un trazo verde en la pantalla del instrumento. Al hablar en el micrófono, deberemos ver las ondas generadas como un trazo complicado (conviene que el cursor Y1 esté en la parte media de la escala y el cursor T debajo de todo, pero podemos probar con distintas posiciones). Si todo funciona bien, comenzamos con nuestros experimentos. Probemos por ejemplo:

-         Silbar frente al micrófono (pero no soplarle directamente...). Veremos que se genera una onda como la de los sonidos puros que mencionamos antes. Para saber cual es la frecuencia de esa onda, hacemos clic con el cursor en el ícono que presenta varios colores : pasamos al modo frecuencias y veremos una línea o señal. Si ubicamos el cursor sobre esa señal, veremos que aparece la frecuencia sobre la barra de abajo (por ejemplo F = 1525.1 Hz o sea 1525.1 ciclos por segundo). Al silbar un sonido más y más agudo, veremos como la señal se mueve hacia la derecha, a frecuencias cada vez mayores. Haciendo otra vez clic sobre el ícono de colores, el osciloscopio vuelve al modo anterior (modo ondas).

-         Hablar frente al micrófono. Veremos que en este caso las ondas son muy complicadas...Pronunciemos las distintas vocales y veremos como cada una de ellas tiene su onda característica. Cuando habla un varón, tendremos una onda con frecuencias relativamente bajas. Y cuando habla una mujer, naturalmente las frecuencias serán mayores.

-         Pulsar una cuerda de guitarra frente al micrófono. Al pulsar las cuerdas una por vez, veremos que la forma de las ondas es distinta para cada una, y que no son completamente regulares. Cuando vamos al modo frecuencias , comprobaremos que el sonido de cada cuerda está compuesto por varias frecuencias puras o sonidos puros. Probemos de “guardar” el sonido para estudiarlo mejor: en el modo frecuencias, hagamos clic sobre el segundo ícono de la barra de tareas  (pausa) luego de pulsar la cuerda más aguda. Veremos que aparece una frecuencia principal (señal más alta) y una serie de frecuencias más débiles que son múltiplos de la principal (por ejemplo, si 300 es la principal, aparecen otras a 600, 900, 1200, etc.). Esas otras frecuencias son los sobretonos de la principal y contribuyen al sonido característico de la guitarra. Pulsemos nuevamente el primer ícono  para volver al funcionamiento normal.

-         Generar un sonido con el programa SONI2.EXE, mencionado más arriba. Es posible usar este programa en otra ventana mientras tenemos el osciloscopio en funcionamiento. Si colocamos el micrófono cerca del parlante de la PC, podremos ver las ondas correspondientes a cada sonido. Veremos que esos sonidos a veces no son realmente puros, pues en el modo frecuencias aparecen dos o más señales. 

   Estas son unas pocas ideas acerca de los experimentos que pueden hacerse con el osciloscopio, utilizando solo los modos ondas o frecuencias (se pasa de uno al otro con el ícono de colores ) y los modos normal o pausa (se pasa de uno al otro con el segundo ícono ). El que quiera saber más sobre este osciloscopio virtual, tendrá que leer el manual de instrucciones que lo acompaña...

Los instrumentos musicales.

En los instrumentos musicales se generan ondas de sonido de distintas maneras. Por ejemplo haciendo vibrar un parche, como en un tambor (hacer clic en la figura para oir el sonido)...

...o haciendo vibrar cuerdas, como ocurre en una guitarra... ...o en un piano...

...o haciendo vibrar el aire contenido en un tubo, como en un órgano... ...o en una flauta...

...o también haciendo vibrar todo un cuerpo sólido, como cuando se golpea una campana...

   En una guitarra, por ejemplo, al pulsar una cuerda esta comienza a vibrar. De qué manera? Como los extremos están sujetos y no pueden moverse, la cuerda puede vibrar solo de determinadas maneras o modos. Algunos de esos modos se pueden ver con animación en el sitio

     http://surendranath.tripod.com/Applets/Waves/TWave01/TW01.html (requiere Java instalado)

eligiendo la opción String fixed at both ends (Cuerda fijada en ambos extremos). Si se modifica la frecuencia, puede verse como la cuerda puede vibrar solo con distintos modos, que difieren en una longitud de onda.

   En una flauta u otro instrumento de viento, en cambio, lo que vibra es el aire contenido dentro del  tubo que forma el instrumento y la frecuencia dependerá del largo y diámetro del tubo, de que tenga el extremo abierto o cerrado y de las aberturas que el tubo tenga en toda su longitud. También en este caso puede verse una animación muy buena de las ondas longitudinales que se generan en un tubo en el sitio:

    http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/ondas/acustica/tubos/tubos.htm (requiere Java instalado)

Alli encontraremos una explicación detallada de las ondas de sonido generadas en un tubo abierto por un extremo o por ambos extremos. Al final de esa página encontraremos la animación de ese tipo de ondas, donde haciendo click en Siguiente podremos cambiar la frecuencia de la onda acústica.

Se puede construir rápidamente un pequeño “instrumento musical” con un sorbete para beber refrescos. En el extremo de uno de esos tubitos de papel o de plástico hacemos dos cortes formando una "V" con una tijera, como muestra la figura. Luego aplastamos el tubito (con los dientes o con algún objeto duro) para que se formen un par de lengüetas, que deberán vibrar cuando soplemos por ese extremo. Quizás haya que probar varias veces hasta que funcione... Cuando logremos que produzca un sonido al soplar, podemos probar de cortar el tubito con una tijera, acortándolo, y oiremos un sonido cada vez más agudo. Quieren oír cómo suena? Hagan clic aquí... A ver si consiguen lo mismo?!...

Y para descansar un poco después de tanto estudio, hagamos clic en ORGANO para descargar a nuestra computadora un pequeño programita para producir notas musicales usando el teclado...

El efecto Doppler.   Y que es ese efecto?  Es un cambio de sonido que todos hemos oído alguna vez, quizás en una carrera de autos o en una autopista. Ese efecto aparece cuando algo que produce un sonido se acerca o se aleja de nosotros rápidamente. Por ejemplo una ambulancia haciendo sonar su sirena. Cuando la sirena se acerca a nosotros, las ondas de sonido se “apilan”, se “amontonan”, y entonces oiremos un sonido más agudo (longitud de onda más corta). En cambio, cuando la sirena se aleja de nosotros, las ondas se “alargan” y el sonido se hace más grave (longitud de onda más larga). Pero eso no significa que la frecuencia que produce la sirena vaya cambiando; esa frecuencia es siempre la misma pero cambia la velocidad relativa de la sirena con respecto a nosotros. Oigamos como suena la bocina de un auto que pasa delante nuestro a toda velocidad haciendo clic aquí con el cursor.

Para entender mejor este efecto, veamos una simulación muy buena en el sitio:

http://surendranath.tripod.com/Applets/Waves/Doppler/Doppler.html (requiere Java instalado)

La velocidad del sonido. En los días de tormenta muchas veces vemos caer un rayo y recién luego de algunos segundos oímos el trueno, que es el sonido causado por el rayo. Eso significa que la luz viaja mucho, pero mucho más rápido que el sonido! En el aire la velocidad de la luz es de unos 300.000 kilómetros por segundo, mientras que la velocidad del sonido es algo así como 340 metros por segundo, o sea cerca de un tercio de kilómetro por segundo. Qué diferencia!!!

Pero la velocidad del sonido depende de la sustancia en la cual se propague. En el agua de mar, por ejemplo, la velocidad es de 1500 metros por segundo, mucho mayor que en el aire. Y en el hierro es nada menos que de 5100 metros por segundo...

Podemos medir la velocidad del sonido haciendo algún experimento sencillo? Sí, es posible. Veamos que experimentos se pueden hacer...

- Con luz y sonido... En primer lugar, necesitaremos de alguien que nos ayude. En segundo lugar, necesitaremos algunos cohetes o petardos, como los que se usan en Año Nuevo, además de alguna persona mayor que se haga responsable de que los cohetes se usen de manera segura. En tercer lugar, los experimentadores deben ubicarse en sitios al aire libre y separados por una distancia conocida, que puede estar entre 800 y 1000 metros (medir esa distancia es la parte más difícil, aunque puede hacerse recorriendola con un auto y viendo cuánto marca el cuentakilómetros, siempre que mida fracción de kilómetro...). En cuarto lugar, necesitamos un cronómetro, para medir segundos y fracción de segundo. Lo demás parece fácil, pero hay que practicar: uno de los experimentadores hace estallar un cohete, que siempre produce luz (y que se verá mejor al anochecer) y el otro mide el tiempo transcurrido desde que ve la luz hasta que oye el sonido. Después es cuestión de dividir la distancia por el tiempo, y ya tendremos un valor para la velocidad del sonido.

El mismo experimento puede hacerse con una campana, por ejemplo, como fuente del sonido. Uno de los experimentadores golpea la campana y en ese momento su compañero, que está observando quizás con largavistas, activa el cronómetro y mide el tiempo hasta que oye el sonido...si la campana suena suficientemente fuerte...

También puede usarse el auto con el que se midió la distancia entre los experimentadores: uno de ellos hace sonar la bocina durante una fracción de segundo y simultáneamente enciende las luces durante el mismo tiempo. Su compañero deberá medir el tiempo transcurrido desde que ve la luz hasta que oye la bocina... Conviene remarcar que la bocina deberá ser realmente potente (quizás convenga además levantar el capot del motor) ya que no es fácil oir el sonido a 1 km de distancia...

Estos experimentos deben repetirse varias veces y después calcular un promedio de las medidas, para tener un valor confiable de la velocidad del sonido.