FISICA DEL SONIDOEJERCICIOS ONDAS SONORAS Y RAPIDEZ DEL
SONIDOPOR ZORAIDA CALDERON
1) Regin del espectro onda sonora 15 Hz.RTA> b.
Infrasnica.Segn la figura 14.2 de Espectro de Frecuencia del
sonido, el rango audible se encuentra entre 20 Hz y 20 kHz, debajo
de este se encuentra el rango infrasnico.
2) Una onda sonora en el aire:RTA> a. Es longitudinalSegn la
unidad 14.1 las ondas sonoras en gases y lquidos son principalmente
longitudinales, mientras que en los slidos tienen tambin
componentes transversales.
3) La rapidez del sonido es generalmente mayorRTA> a. En
slidos.En la tabla 14.1 se ve la rapidez en slidos, lquidos y
gases, siendo los slidos generalmente ms elsticos que los dems
medios, lo cual facilita la propagacin.
4) La rapidez del sonido en el aireRTA> d. Todas las
anterioresSegn el ejemplo 14.2 se tienen buenas aproximaciones de
1/3 Km/s y 1/5 mi/s para la temperatura ambiente, sin embargo es
claro que entre mayor sea la temperatura, mayor ser la velocidad de
propagacin de las ondas sonoras.
5) Por qu algunos insectos voladores producen zumbidos y otros
no?La vibracin de las alas produce un sonido que puede o no
encontrarse en el rango audible. En caso de que sean de una muy
alta frecuencia no podremos escucharlos.
6) Por qu el sonido viaja ms rpido en aire caliente que en fro?A
temperaturas ms altas, las molculas son ms enrgicas y pueden vibrar
ms rpido, por lo tanto, las ondas sonoras pueden viajar ms rpido a
travs del aire ms caliente.
7) Dos sonidos de distinta frecuencia son emitidos por el mismo
parlante, cual llega primero?Llegan al mismo tiempo ya que la
velocidad no depende de la frecuencia, sin embargo el sonido de
baja frecuencia sufre menor atenuacin que el de alta frecuencia, y
por lo tanto podr propagarse a una mayor distancia.
8) Que efecto tiene la humedad del aire sobre la rapidez del
sonido?Segn el ejemplo 14.3 el sonido viaja ms rpido en el aire
hmedo debido a la mayor cantidad de molculas de agua, las cuales
tienen una masa mayor que las molculas de oxgeno y nitrgeno
presentes en el aire seco, y facilitan la propagacin del
sonido.
9) El sonido de un relmpago es escuchado 3 segundos despus del
destello. Distancia?
10) Rapidez del sonido en el aire a 10 C y 20 C
11) Si la rapidez del sonido es 350 m/s, cual es la temperatura
del aire?
12) Seal ultrasnica de un sonar se recibe 2 segundos despus de
su emisin, que tan profundo es el lecho ocenico en ese
lugar?Tomando que la velocidad media del sonido en el agua es 1500
m/s tenemos
La distancia recorrida por la onda del sonar es de 3000 metros,
pero como esta es la distancia de ida y de vuelta, la profundidad
del lecho marino ser la mitad, es decir 1500 metros de
profundidad.
13) Rapidez de una onda en un lquido est dada por mdulo
volumtrico, mdulo de Young.Mdulo volumtrico del lquido y mdulo de
Young estn dados en Pascales [N/m2]=[Kg/(s2m)]La densidad se
expresa en Kilogramos sobre metros cbicos.
14) Cuerda 1 m longitud y masa 15 g se somete a una tensin de 35
N. Se tira de ella de manera que vibra en modo fundamental de onda
estacionaria.a) Frecuencia:
b) Longitud de onda del sonido? Temperatura ambiente velocidad
sonido es 343 m/s
15) Diapasn vibra a 256 Hz. a) Cuando aumenta la temperatura del
aire, la longitud de onda?La longitud de onda es proporcional a la
velocidad del sonido. Cuando aumenta la temperatura con ella
aumenta la velocidad, por lo tanto tambin aumentar la longitud de
onda.b) Vel sonido 0C = 331 m/s vel sonido 20C = 343 m/s
Cuando la temperatura aumenta 20 grados, la longitud de onda
aumenta 5 cm.
16) Partculas de 3x10-2 cm de dimetro se deben desprender
limpieza ultrasnica. Arriba de que frecuencia se producirn
longitudes de onda de este tamao y menores?
17) Ultrasonido mdico 20 MHz para diagnosticar. a) Si la rapidez
del sonido en un tejido es de 1.500 m/s cual ser el objeto
detectable ms pequeo?
b) Profundidad de penetracin es 200 longitudes de onda.
18) Latn es aleacin de cobre y zinc, agregar zinc causa aumento
rapidez del sonido?La rapidez del sonido en el cobre es de 3.500
m/s. En el zinc es de 3.200 m/s. Al agregarle zinc al cobre la
rapidez del sonido disminuye.
19) Rapidez sonido en el acero es 4,5 km/s. Se golpea un riel de
acero con un martillo, y un observador a 0,400 km tiene un odo
pegado al riel.a) Tiempo desde que sonido se escucha a travs del
riel hasta tiempo que se escucha a travs del aire. Temperatura 20 C
y no sopla viento.Velocidad sonido en acero = 4.500 m/s Velocidad
sonido en aire 20 C 343 m/s
El observador escuchar primero el sonido en el acero, y 1,077
segundos despus en el aire.b) Diferencia si el viento sopla hacia
el observador a 36 km/h desde el riel?
El observador escuchar primero el sonido en el acero, y 1,044
segundos despus con viento.
20) Rifle dispara bala 200 m/s y se escucha golpe 1 s despus.
Temperatura es 72 F. Distancia?Temperatura 72 F = (72 32) *5 / 9 =
22,22 C
21) Delfn agua dulce emite ultrasonido, presa devuelve eco 0,12
s despus. Distancia?
Distancia recorrida por sonido es 180 m de ida y vuelta. La
distancia a la presa es la mitad: 90 m.
22) Submarino detecta eco 2,32 s despus emisin. A
La distancia recorrida por el sonido fue 3480 m, es decir que el
objeto se encuentra a 1740 m del submarino. Mediante el arcoseno de
20 se calcula la profundidad del mismo.
23) Rapidez sonido en tejido 1500 m/s. Sonda de 3,5 MHz para
efectuar procedimiento.a) Profundidad efectiva 250 longitudes de
onda, hallar en metros.
b) Lapso de tiempo para viaje completo con reflexin a
profundidad efectiva.
Tiempo de ida es 71 us. El viaje completo es el doble, es decir
142,66 us.
c) Detalle mnimo detectable es de una longitud de onda. = 428,57
um
24) Tamao del tmpano determina lmite superior frecuencia
audible. Si longitud de onda es el doble del dimetro, temperatura
20 C. Que ancho tendr su tmpano?
Dimetro del tmpano es la mitad de longitud de onda, es decir
entre 8,6 y 10,7 mm.El tmpano humano tiene un dimetro aproximado de
1 cm. La respuesta si es razonable.
25) Se deja caer una piedra para determinar la altura de un
risco.a) Otro risco tiene el doble de altura que el primero. El
tiempo que el sonido tarda en subir?El tiempo que tarda en subir
desde que la piedra es soltada es la suma de dos movimientos:Tiempo
de cada libre + tiempo de vuelo de la onda sonoraEn cada libre el
tiempo que la piedra tarda en golpear el suelo ser t, siendo h la
altura del risco.
Tiempo que tarda en regresar la onda sonora es t2 = h/v.El
tiempo desde que la piedra se suelta y el golpe es escuchado
ser:
Cuando se duplica la altura tenemos:
Al duplicar la altura se duplica el tiempo de retorno de la
onda, pero el tiempo de cada libre es 1,4 veces, lo cual es menos
que el doble. Esto se debe a que el tiempo de cada no es
directamente proporcional a la altura, sino a su raz cuadrada.
b) Tiempo de vuelo es 4,8 s. Temperatura del aire 20 m/s,
rapidez 343 m/s. Altura del risco?
La ecuacin cuadrtica nos da dos valores de altura que cumplen
esta igualdad, sin embargo solamente el menor cumple la ecuacin
inicial para sumar 4,8 segundos. Altura es 101,4 metros.
c) Tercer risco es 3 veces ms alto que el primero (101,4 * 3 =
304,2 m). Tiempo sonido?
26) Murcilago se desplaza a 15 m/s, pared a 25 m, temperatura
cueva 8 C. Distancia eco?
25 mEn t0 la distancia d0 = 25 m
En t1 el sonido recorri los 25 m
dEn t2 el sonido regres al murcilago
Tiempo total vuelo onda = t1 + t2 siendo t1 la distancia inicial
y t2 la distancia final
Distancia recorrida hasta regreso del eco:
El tiempo t2 ser el tiempo que tarda el sonido en volver a la
nueva posicin del murcilago:
Distancia recorrida hasta regreso del eco:
27) Sonido se propaga a 30C, pasa por fro a 4C. Si f=2500Hz como
cambia longitud onda?
28) Si aumenta la temperatura del aire la intensidad del sonido
varia?RTA> Permanecer sin cambio, la temperatura no afecta la
intensidad del sonido.
29) La escala de decibeles est referida a una intensidad estndar
de:RTA> 10 E-12 W/m2 que corresponde a la mnima intensidad
percibida por el odo humano.
30) Si el nivel intensidad 20 dB se incrementa a 40 dB, cuanto
aumento la intensidad?
La intensidad debe aumentar 100 veces para incrementar 20
decibeles al nivel inicial.
31) Donde es mayor la intensidad y por que factor?a) Punto a
distancia R de una fuente de energa P
b) Punto a distancia 2R de una fuente de energa 2P
La intensidad decrece con el cuadrado de la distancia, por lo
que en el primer caso ser el doble de la intensidad recibida en el
segundo caso. Para conservar la intensidad al duplicar la distancia
se debe cuadruplicar la potencia emitida.
32) Por que se usan escalas logartmicas en Richter y
Decibeles?RTA> Debido a que estas escalas usan magnitudes de
energa muy elevadas, es ms fcil trabajarlas como potencias de 10
por medio de la escala logartmica.
33) Hay niveles negativos de decibeles? Por ejemplo -10
dB?RTA> Si, pueden representar una atenuacin o en el caso del
sonido, una intensidad inferior a la mnima percibida por el odo
humano (umbral de audicin).
34) Calcule la intensidad generada por una fuente de 1W.a) A 3 m
de la fuente
b) A 6 m de la fuente
Al duplicar la distancia a la fuente la intensidad se reduce a
la cuarta parte.
35) Se triplica la distancia desde una fuente puntual de
sonido.a) La intensidad cuanto ser?
Al triplicar la distancia la intensidad del sonido ser 1/9 veces
el valor original, ya que es inversamente proporcional al cuadrado
de la distancia.
b) Para reducir a la mitad la intensidad del sonido, cual debe
ser la distancia?
Para reducir la intensidad a la mitad, se debe incrementar la
distancia en 2 = 1,4 veces
36) Si el dimetro del tmpano es 1 cm cual ser la potencia
recibida por l?a) En el umbral de audicin?
b) En el umbral de dolor?
37) Piano toca el Do central (262 Hz) para afinar cuerda de
violin. Se escuchan 9 pulsaciones en 3 segundos.a) Que tanto esta
desafinada la cuerda del violin?9 pulsaciones en 3 segundos = 9 / 3
= 3 Hz
b) Se debe apretar o aflojar?La diferencia es de 3 Hz pero
pueden ser por encima o por debajo, as no se puede saber.
38) Calcule el nivel de intensidad para:a) El umbral de
audicin.
b) El umbral de dolor.
39) Encuentre los niveles de intensidad en decibeles:a) 10^-2
W/m2
b) 10^-6 W/m2
c) 10^-15 W/m2
40) Si la potencia de una fuente de sonido se duplica.a) El
nivel de intensidad a una distancia R
Si se duplica la potencia de la fuente la intensidad tambin se
ver duplicada. La intensidad es directamente proporcional a la
potencia emitida.
b) Niveles de intensidad a 10 m para fuentes de 5 y 10 W.
41) Niveles de intensidad de dos personas conversando son 60 y
70 dB, intensidad combinada?
42) Un individuo tiene prdida 30 dB, cual es la intensidad en el
umbral del dolor?
La intensidad en el umbral de dolor estar atenuada 1000
veces.
43) Intensidades mnima y mxima para tabla de aviones:AvinDesp
mindBIntensidadmW/m2Desp maxdBIntensidadmW/m2Aterr
mindBIntensidadmW/m2Aterr maxdBIntensidadmW/m2
73785,70,371597,75,888499,89,5499105,333,8844
74789,50,8913110,0100,0000103,823,9883107,860,2560
DC-1098,46,9183103,019,9526103,823,9883106,645,7088
L-101195,93,890599,38,5114101,413,8038102,819,0546
La intensidad mnima total para el despegue es equivalente a 85,7
dB
La intensidad mxima total para el despegue es equivalente a
110,0 dB
La intensidad mnima total para el aterrizaje es equivalente a
99,8 dB
La intensidad mxima total para el aterrizaje es equivalente a
107,8 dB
44) Si la distancia a una fuente sonora se reduce a la mitad.a)
El nivel de intensidad del sonido cambiar por un factor de?
Si la distancia se reduce a la mitad, la intensidad del sonido
de multiplicar 4 veces.
b) Cul es el cambio en el nivel de intensidad?
El nivel de intensidad se incrementa en 6,02 dB.
45) Una bocina da 100 W, ignorando las prdidas por el aire:a)
Distancia de umbral del dolor?
b) Distancia a la que parecera nivel de conversacin normal? 60
dB
Despreciando las prdidas del aire se pensara que a una distancia
cercana a los 3 km el nivel de ruido parecera una conversacin
normal, pero en la realidad se observa una atenuacin mayor.
46) Cul es el nivel de intensidad de un sonido de 23 dB.a)
Despus de ser amplificado 10 mil veces
b) Un milln de veces
c) Mil millones de veces
47) Si cada persona genera nivel de 80 dB, y nivel de sonido
total es 87 dB. Cuantas personas?
48) Ladrido de un perro es de 40 dB. Nivel de intensidad para 2
perros?
49) Una banda produce 110 dB de ruido. Cuantas bandas para
alcanzar umbral de dolor?
50) A 12 m de la fuente el nivel es 70 dB. A qu distancia el
nivel ser 40 dB?
51) Explosin de un cohete. Intensidad escuchada por cada uno
respecto a A.
150 m200 m300 mABCD
La intensidad en cada punto ser:
52) Nivel intensidad 50 computadoras es 40 dB. Nivel de
intensidad de 25 computadoras?
Si cada computador tiene un nivel de intensidad de 2E-10, al
dejar solo 25 computadores:
Si se alcanz la meta, ya que solamente deba bajar 3 dB que
corresponden a 1/2 IT
53) Bocina de 1000 Hz tiene nivel 100 dB a 2,5 m. Calcular
distancia para:a) 60 dB
b) Apenas escuchado. Umbral de sonido 0 dB
54) Receptor a 0,75 m el sonido parece tan fuerte como llanto de
un nio = 80 dBDurante la jugada, sonido al doble de la potencia de
salida, pero receptor apenas escucha como una conversacin normal =
60 dB. Estimar posicin del receptor.
Cuando duplica la potencia de salida escucha a 60 dB
55) Abeja produce zumbido apenas audible a 3 m. Cuantas abejas
para sonido 50 dB?
56) La interferencia constructiva y destructiva de las ondas
sonoras depende de:RTA> c. La diferencia de fase. Es la
diferencia en longitudes de onda lo que determina si estas se
sumarn o se anularn.
57) Las pulsaciones son el resultado directo de:RTA> a. La
interferencia. La diferencia entre las frecuencias de las ondas
genera interferencia constructiva y destructiva, las cuales se
manifiestan como pulsos.
58) El radar de la polica utiliza:RTA> c. Efecto Doppler. El
radar emite una onda a una frecuencia conocida, la cual sale hacia
el vehculo y una parte de ella es reflejada de regreso al radar,
pero debido a la velocidad del objetivo, esta onda sufre una
alteracin en su frecuencia que al ser comparada con la inicial nos
permite determinar la velocidad a la que se est desplazando.
59) Tienen que ver los pulsos de interferencia con el comps de
la msica?RTA> No. El comps es una figura musical que indica la
duracin del tono, pero los pulsos de interferencia se relacionan
directamente es con la diferencia de frecuencias entre los
tonos.
60) a) Hay un efecto Doppler si el observador y la fuente de
sonido se mueven a la misma velocidad?RTA> No, el efecto Doppler
se genera por la diferencia entre las velocidades. La nica forma de
que con la misma rapidez se genere efecto Doppler es que tengan
orientaciones distintas, que se estn alejando o acercando entre si,
o que sean oblicuas (diferentes direcciones son diferentes
velocidades).
b) Cul sera el efecto si una fuente mvil acelera hacia un
observador estacionario?RTA> La aceleracin es la variacin de la
velocidad a travs del tiempo. En este caso se presenta el mismo
efecto Doppler, solo que el cambio en frecuencia se va
incrementando gradualmente con el cambio de velocidad.
61) Persona camina entre parlantes con misma amplitud y
frecuencia. Por qu varia intensidad?RTA> Esto se debe a la
interferencia de las ondas que se encuentran. Durante su caminar
habrn lugares donde se presente interferencia constructiva y
escuchar una intensidad ms alta, mientras que en otras partes habr
interferencia destructiva y escuchar con menor intensidad.
62) Como medir posicin y movimiento de las nubes con radar
Doppler pronstico del tiempo?RTA> Esto no se puede hacer con
ondas sonoras debido a la gran longitud de onda que tienen, en
comparacin con las pequeas gotas de agua que flotan en el aire y
con las que se puede caracterizar la meteorologa de esa regin. Para
estos radares se usan frecuencias mucho mayores, alrededor de 2 GHz
llamadas microondas, con las que si se pueden detectar las
partculas de agua como lluvia y hielo, y de la misma forma se
calcula la velocidad de las nubes.
63) Dos fuentes puntuales frente a un observador y emiten tonos
de 1000 Hz. A que distancia se debe poner la fuente A detrs de B
para que no escuche ningn sonido? 20 C.La condicin para
interferencia destructiva es que
En este caso la menor distancia ser cuando m sea 1, es decir
cuando la distancia sea media longitud de onda, para la velocidad
del sonido a 20 C.
Por lo tanto la fuente A debe ser colocada detrs de B a una
distancia de 17,15 cm.
64) Violinista y pianista suenan notas de 436 y 440 Hz. Cul es
la frecuencia pulsante?RTA> La frecuencia pulsante ser la
diferencia entre ambos tonos: |436-440| = 4 Hz
65) Un violinista afina su instrumento con piano 264 Hz y
detecta 3 pulsos por segundo.a) La frecuencia del violn puede ser
mayor o menor que 264 debido a esta diferencia de 3 Hz. Como es el
valor absoluto de la diferencia no sabemos si es por encima o por
debajo. Con un ajuste en la tensin y un nuevo experimento se podra
saber si se debe seguir apretando o por el contrario se debe
aflojar esa cuerda.
b) La frecuencia del violn puede ser tanto de 261 Hz como de 267
Hz.
66) Cul es la frecuencia escuchada por una persona que viaja a
60 km/h hacia el silbato de una fbrica de 800 Hz si la temperatura
del aire es 0 C.
67) Temperatura 20 C sin viento una persona escucha 520 Hz de
una sirena estacionaria de 500 Hz. a) La persona se aleja o se
acerca a la fuente?Cuando la fuente est quieta, la forma de que el
observador escuche una frecuencia mayor que la original es si se
acerca a ella.
b) Cual es la rapidez de la persona? Velocidad sonido a 20 C =
343 m/s
68) Usted escucha silbato de un tren. Frecuencia emitida es 400
Hz. Si el tren viaja a 90 km/h y la temperatura del aire es 25 C
cual ser la frecuencia que usted escucha?a) Cuando el tren se
aproxima:
b) Cuando el tren se aleja:
98) Flauta es un tubo abierto en ambos extremos. Orificios
cambian la longitud del tubo.a) La posicin de la boquilla es un
nodo o antinodo?En una cuerda templada los nodos son los extremos
porque all la cuerda est fija y no hay movimiento. En los
instrumentos de viento es el aire el que vibra y por ende el lugar
por el que entra (boquilla) ser el punto de mayor desplazamiento
del aire, donde ser ms libre de moverse para entrar o salir y por
ello es un antinodo.
b) Si la frecuencia fundamental ms baja es de 262 Hz cual ser la
longitud a 20 C?
c) Si se desea un sonido de 440 Hz cual orificio se debe
abrir?
El orificio debera estar a 0,4 veces la longitud total de la
flauta, desde la boquilla.
99) Suponiendo que el tracto vocal es un tubo cerrado de 15 cm y
que la rapidez del sonido en el aire es de 331 m/s mientras que en
el helio es de 965 m/s. Cambio en la frecuencia?
Cuando la garganta se llena con helio la velocidad del sonido se
triplica y con ella la frecuencia del sonido producido por las
cuerdas bucales que tambin ser triplicada.