Energía sonora


Energía sonora: energía surgida de la vibración mecánica.
La energía desde el punto de vista tecnológico y económico, es un recurso natural primaro o derivado, que permite realizar trabajo o servir de subsidiario a actividades económicas independientes de la producción de energía. Como todas las formas de energía una vez convertidas en la forma apropiada son básicamente equivalentes, toda la producción de energía en sus diversas formas puede ser medida en las mismas unidades. Una de las unidades más comunes es la tonelada equivalente de carbón que equivale a :29.3·109 julios o 8138.9 kWh.
Una onda sonora es una variación local de la densidad o presión de un medio continuo, que se transmite de unas partes a otras del medio en forma de onda longitudinal periódica o casiperiódica.

Las variaciones de presión, humedad o temperatura del medio, producen el desplazamiento de las moléculas que lo forman. Cada molécula transmite la vibración a la de su vecina, provocando un movimiento en cadena. Esos movimientos coordinados de millones de moléculas producen las denominadas ondas sonoras, que producen en el oído humano una sensación descrita como sonido. El sonido (las ondas sonoras) son ondas mecánicas elásticas longitudinales u ondas de compresión. Eso significa que:

Para propagarse precisan de un medio (aire, agua, cuerpo sólido) que trasmita la perturbación. Es el propio medio el que produce y propicia la propagación de estas ondas con su compresión y expansión. Para que pueda comprimirse y expandirse es imprescindible que éste sea un medio elástico, ya que un cuerpo totalmente rígido no permite que las vibraciones se transmitan. Así pues, sin medio elástico no habría sonido, ya que las ondas sonoras no se propagan en el vacío.
Además, los fluidos sólo pueden transmitir movimientos ondulatorios en que la vibración de las partículas se da en dirección paralela a la velocidad de propagación o lo largo de la dirección de propagación. Así los gradientes de presión que acompañan a la propagación de una onda sonora se producen en la misma dirección de propagación de la onda, siendo por tanto éstas un tipo de ondas longitudinales (en los sólidos también pueden propagarse ondas elásticas transversales).

Propagación en medios Las ondas sonoras se desplazan también en tres dimensiones y sus frentes de onda en medios isótropos son esferas concéntricas que salen desde el foco de la perturbación en todas las direcciones. Por esto son ondas esféricas.

Aunque puede calcularse a partir de otras magnitudes como la intensidad sonora, también se pueden calcular otras magnitudes relacionadas,como la densidad o el flujo de energía acústica.
A partir de la definición de intensidad acustica, se puede calcular la energía acústica que atraviesa una superficie A, en un tiempo t como:
 Energ acute{imath} a  ac acute{u} stica  =  Intensidad ,  cdot , Superficie , cdot , Tiempo quad quad;
Energ acute{imath} a ac acute{u} stica = Intensidad , cdot , Superficie , cdot , Tiempo quad quad;
E_{acu}  =  I cdot , A , cdot , t
E_{acu} = I cdot , A , cdot , t


La densidad de energía acústica o energía acústica por unidad de volumen es la cantidad media de energía acústica ( ε ) que corresponde a un volumen unidad. Equivale también al cociente entre la intensidad sonora y la velocidad del sonido. La unidad de medida es el julio por metro cúbico, J/m3
 epsilon  =  {Energ acute{imath} a  ac acute{u} stica over Volumen}  = {Intensidad over velocidad} =  {I over v_{son}}
epsilon = {Energ acute{imath} a ac acute{u} stica over Volumen} = {Intensidad over velocidad} = {I over v_{son}}

Para una onda sonora plana, la densidad de energía se calcula a partir de la potencia cuadrática media (PRMS), la densidad del medio (ρo) y de la velocidad (vson2), según de la fórmula:
 epsilon  = { P_{RMS}^2 over rho , cdot , v_{son}^2}
epsilon = { P_{RMS}^2 over rho , cdot , v_{son}^2}

La densidad de energía acústica total (cinética más potencial) equivale al producto de la densidad del medio por el cuadrado de la velocidad de las partículas en la dirección de propagación de la onda.
quad epsilon  =  {rho}_o , cdot , u^2
quad epsilon = {rho}_o , cdot , u^2

Flujo de energía sonora

El flujo de energía acústica o sonora (simbolizado por q) se obtiene como la integral de la velocidad de la particula v por el diferencial de la superficie A , de modo que solamente las porciones de la velocidad perpendiculares a la superficie son importantes.
q = int overrightarrow{v} , overrightarrow{mathrm{d}A}
q = int overrightarrow{v} , overrightarrow{mathrm{d}A}

La unidad de medida es el vatio, (W).
El flujo de energía sonora señala el volumen delmedio de transmisión (aire) que, debido al exceso de la presión sonora, fluye por la unidad de tiempo(1 s) por una superficie A. Es la media del flujo de energía sonora para un período a través de un área especificada.
En un medio de transmision de densidad ρ, para ondas planas o esféricas libres que tengan una velocidad de propagación v, el flujo de energía a través del área A correspondiente a una presion sonora p es:
J = (p2A / ρ v) cos θ
donde θ = ángulo entre la dirección de propagación del sonido y la dirección normal (perpendicular) al área A.
Podemos distinguir entre flujo de energía acústica transmitida, flujo de energía acústica reflejada, flujo de energía acústica disipada y flujo de energía acústica incidente.

Conservación de la energía acústica

Como el resto de manifestaciones de la energía, debe cumplirse el principio de conservación de la energía. Si no hay otro tipo de transformaciones de energía, la energía incidente será igual a la suma de las energías transmitida, disipada y reflejada.
 E_{trans} , + , E_{disi}  , + , E_{refle}, = , E_{incid}
E_{trans} , + , E_{disi} , + , E_{refle}, = , E_{incid}

Disipación de la energía acústica

Al propagarse la energía acústica, una parte de la misma se disipa en el medio transmisor. En el caso del aire, esta absorción atmosférica se debe a la amortiguacion que sufren las ondas sonoras por el rozamiento interno y la conductividad calorífica del aire. Esa energía disipada se trransforma en calor o energia termica

Coeficiente de absorción acústica, α

Es el cociente entre la suma de los flujos de energía acústica transmitida y disipada, y el flujo de energía acústica incidente.
{alpha } ,  = , {{E_{trans} , + , E_{disi}} over E_{inci}}
{alpha } , = , {{E_{trans} , + , E_{disi}} over E_{inci}}

También se define como el cociente entre la energía absorbida por un material y la energía que incide sobre él.
{alpha } ,  = , {{E_{inci} , - , E_{refl}} over E_{inci}}
{alpha } , = , {{E_{inci} , - , E_{refl}} over E_{inci}}

Equivale a la diferencia entre la unidad y el coeficiente de reflexion.
{alpha } ,  = , 1 , - , R
{alpha } , = , 1 , - , R

Transductores acústicos

Los transductores son dispositivos que transforman un tipo de energia en otra. Los microfonoc y altavoses son transductores acústicos que transforman la energía acústica en energia electrica, o viceversa.
external image Altavoz_din%C3%A1mico.png El altavoz convierte energía eléctrica en energía acústica.
  • Un micrófono es un dispositivo que capta ondas sonoras de una determinada energía acústica y las transforma en una corriente electrica que reproduce
las características de la onda sonora original. En primer lugar, una lámina elástica fina, llamada diafragma, capta las variaciones de presión del medio de transmisión y las convierte en vibraciones mecánicas. A continuación, las vibraciones mecánicas del diafragma generan una señal eléctrica de voltaje e intensidad proporcionales.
  • Un altavoz funciona a la inversa, es decir, convierte energía eléctrica en energía acústica. En primer lugar, la señal eléctrica de entrada produce fuerzas electromagnéticas que provocan el movimiento de la membrana del altavoz. Ese movimiento mueve las partículas en contacto con la membrana y produce ondas de presión en el aire o el medio de transmisión que lo rodea.
La potencia electrica del altavoz condiciona su potencia sonora y la energía acústica transmitida al medio. De ella también depende la cantidad de aire que se pone en movimiento y las diferencias de presión entre unos puntos y otros. La frecuencia de la señal eléctrica determina la frecuencia o tono del sonido producido.
external image moz-screenshot-2.pngje.jpg
Una aplicacion interesante es por ejemplo hacer imagenes del interior del cuerpo humano usando ultrasonido. Esta aplicacion usa que la energia sonora es absorbida en forma distinta por objetos de distinta dureza por ejemplo (como los huesos y los tejidos). Lo transmitido tiene por tanto una "sombra" que permite hacer una imagen de los organos que mas absorben la energia sonora.