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Introducción al Sonido y Ultrasonido
Ondas, Propagación y Vibración
Como mencionamos anteriormente sabemos que el sonido es una propagación de energía mecánica a través de un medio. Pero hablemos un poco acerca de la naturaleza del sonido.
Si evaluamos como los seres humanos escuchamos podemos decir que el sonido se genera desde un punto en el espacio (una persona hablando) y el sonido viaje desde esa fuente hasta el sistema auditivo de la persona. Entonces podemos afirmar que el sonido viaja en el medio.
Si pensamos en como el sonido viaja deberíamos pensar en que toda onda audible es resultado de una vibración sonora, en el caso de una persona hablando seria la vibración de las cuerdas vocales. Si evaluamos la física de las vibraciones entenderemos que a partir de una oscilación se generan las ondas.
Como podemos ver las vibraciones mecánicas se caracterizan por tener movimientos ondulatorios. Dicho movimiento se propaga a través de las partículas del medio y es por ello que la existencia de un medio es fundamental para la propagación de las ondas. Ya que la energía se propaga de una partícula a la próxima para poder desplazarse.
Ese movimiento se realiza debido a que las partículas salen de su estado de equilibrio, el hecho de que la partícula salga de su estado de equilibrio genera esfuerzos internos que básicamente son energía cinética que se tiene acumulada.
Cuando la partícula sale del equilibrio genera compresiones y rarefacciones que básicamente se comportan como un resorte entre las partículas y esto produce dos cosas. La primera seria que el material vuelva a su posición original y por otra parte permite el movimiento de las ondas.
Propiedades Físicas de la Onda
- Periodo (T): El periodo (T) es el tiempo que le toma a la onda efectuar un ciclo, su unidad es el segundo.
- Ciclo: El ciclo se refiere al movimiento completo de la onda. Se puede definir como el movimiento que tiene que seguir para regresar al punto de partida, entre dos picos, por ejemplo.
- Longitud de Onda: Es la longitud de un ciclo. Se puede decir que es la distancia entre los picos. La longitud de onda se representa con el símbolo lambda (λ). La distancia entre un pico y otro también se puede definir como una compresión y una rarefacción.
- Amplitud: Define el tamaño de la onda. Se mide desde el eje central de la onda hasta el pico de la onda, tal y como se aprecia en la Figura 2.2.1.
- Frecuencia: La Frecuencia de una onda es el número de veces que una onda cumple un ciclo en una determinada cantidad de tiempo, generalmente representado por segundo. La frecuencia se mide en Hertz (Hz), en donde 1 Hz representa 1 ciclo por segundo. La frecuencia se puede calcular haciendo uso de la siguiente ecuación: F [Hz]= 1/(T [s])
Velocidad de la Onda
Como ya hemos comentado anteriormente sabemos que si la onda se propaga por un medio debe tener una velocidad de propagación.
Si usamos la definición de velocidad sabemos que podemos calcular la velocidad sabiendo la distancia recorrida y dividiéndola por el tiempo que tomo recorrer dicha distancia.
La velocidad se puede expresar en diversas unidades, pero para los sistemas ultrasónicos y para disminuir los cálculos matemáticos se suele utilizar la unidad de kilómetros por segundo [km/s], también se suele utilizar la unidad de centímetros por microsegundos [cm/µs].
Si hablamos de las ondas podemos calcular su velocidad de propagación, pero esta se ve afectada por diversos factores que hay que tomar en cuenta. Observemos la siguiente animación: (3.2)
Como podemos apreciar la onda tiene distintas velocidades dependiendo del medio de propagación que tenga. Para sintetizar un poco los factores que pueden afectar la velocidad de la onda establecemos los siguientes puntos:
- Densidad del material
- Elasticidad del material
- Modo de la onda
- Temperatura del material
A partir de los puntos a y b podemos decir que la velocidad de la onda variara dependiendo del material por el cual se propague.
En el croquis que se tiene de los estados de la materia se puede apreciar que no todos los estados son iguales y se ve como el estado sólido posee una mayor densidad de átomos, esto evidentemente tendrá un impacto en la propagación de la onda y por ende en su velocidad.
Del punto c podemos establecer que las ondas tienen diversos modos para su propagación. Dicho modo afectara la velocidad de la propagación. Mas adelante explicaremos los modos de propagación de las ondas.
Del punto d podemos decir que el cambio de temperatura afectara la velocidad de propagación.