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Este artículo tiene fines educativos. Te animamos a verificar con fuentes oficiales.

Características de las ondas sonoras

Relaciones fundamentales entre longitud de onda, frecuencia y velocidad en cualquier medio material

Relación velocidad-longitud-frecuencia law
v=λf
Formes alternatives
  • f=vλ — Para calcular frecuencia si conoces velocidad y longitud de onda
  • λ=vf — Para calcular longitud de onda en instrumentos musicales
SymboleSignificationUnité
vvelocidad de propagación de la onda
En el aire a 20°C: 343 m/s
m/s
\lambdalongitud de onda
Distancia entre dos crestas consecutivas
m
ffrecuencia de la onda
Número de oscilaciones por segundo
Hz

Dimensions : [L][T1]=[L][T1]

Exemple : Una flauta en Barquisimeto emite una nota con λ = 0.75 m. Si la velocidad del sonido es 346 m/s, calcula su frecuencia: f = 346 / 0.75 ≈ 461 Hz (nota La4)

Relación entre frecuencia y período definition
f=1T
SymboleSignificationUnité
ffrecuencia
Inversa del período
Hz
Tperíodo
Tiempo para una oscilación completa
s

Dimensions : [T1]=[T1]

Exemple : Un péndulo en Mérida tiene T = 2 s. Su frecuencia es f = 1/2 = 0.5 Hz

Velocidad de fase en un medio definition
v=λT
SymboleSignificationUnité
vvelocidad de fase
Velocidad a la que se propaga la fase de la onda
m/s
\lambdalongitud de ondam
Tperíodos

Dimensions : [L][T1]=[L][T1]

Exemple : En el Lago de Maracaibo, una onda en el agua tiene λ = 5 m y T = 2 s. Su velocidad es v = 5/2 = 2.5 m/s

Velocidad del sonido y temperatura

Fórmulas que relacionan la velocidad del sonido con las propiedades del medio, especialmente la temperatura del aire en ciudades venezolanas

Velocidad del sonido en el aire approximation
v=331+0.6T
Formes alternatives
  • T=v3310.6 — Para calcular temperatura si conoces la velocidad del sonido
SymboleSignificationUnité
vvelocidad del sonido en aire seco
A presión atmosférica estándar
m/s
Ttemperatura del aire
Temperatura ambiente en la ciudad
°C

Dimensions : [L][T1]=[L][T1]+[L][T1][Θ]

Exemple : En Caracas hoy hace 28°C. La velocidad del sonido es v = 331 + 0.6×28 = 347.8 m/s. ¡Más rápido que en Mérida donde hace 22°C (v=344.2 m/s)!

Velocidad del sonido en sólidos law
v=Eρ
SymboleSignificationUnité
vvelocidad del sonido en el sólido
Para ondas longitudinales
m/s
Emódulo de Young
Rigidez del material
Pa
\rhodensidad del material
Ejemplo: acero 7850 kg/m³, aluminio 2700 kg/m³
kg/m³

Dimensions : [L][T1]=[M][L1][T2][M][L3]=[L2][T2]

Exemple : El sonido viaja a 5100 m/s en el acero (E=200 GPa, ρ=7850 kg/m³). En cambio, en la madera de pardillo (E=11 GPa, ρ=650 kg/m³) viaja a solo 1300 m/s

Velocidad del sonido en líquidos law
v=Bρ
SymboleSignificationUnité
vvelocidad del sonido en el líquido
Para ondas longitudinales
m/s
Bmódulo de compresibilidad
Resistencia a la compresión
Pa
\rhodensidad del líquido
Ejemplo: agua 1000 kg/m³
kg/m³

Dimensions : [L][T1]=[M][L1][T2][M][L3]=[L2][T2]

Exemple : En el Mar Caribe frente a Los Roques, el sonido viaja a 1500 m/s en agua a 25°C (B=2.2 GPa, ρ=1025 kg/m³). ¡3 veces más rápido que en el aire!

Ondas de choque y truenos

Fórmulas que explican la formación de ondas de choque, como las que producen los truenos y los aviones supersónicos

Número de Mach definition
M=vobjetovsonido
SymboleSignificationUnité
Mnúmero de Mach
Adimensional. M>1: supersónico, M<1: subsónico
v_{\text{objeto}}velocidad del objeto
Ejemplo: avión, bala
m/s
v_{\text{sonido}}velocidad del sonido en el medio
Depende de la temperatura
m/s

Dimensions : []=[L][T1][L][T1]

Exemple : Un avión Mirage 50 de la Aviación venezolana vuela a 600 m/s sobre el Archipiélago de Los Roques donde el sonido viaja a 340 m/s. Su número de Mach es M = 600/340 ≈ 1.76 (supersónico)

Distancia del relámpago usando el tiempo del trueno law
d=vsonidoΔt
SymboleSignificationUnité
ddistancia al relámpago
En línea recta, no siguiendo el terreno
m
v_{\text{sonido}}velocidad del sonido
Depende de la temperatura local
m/s
\Delta ttiempo entre relámpago y trueno
Medido con cronómetro o app
s

Dimensions : [L]=[L][T1][T]

Exemple : En Valencia, ves un relámpago y 9 segundos después escuchas el trueno. Si la temperatura es 30°C (v=349 m/s), la tormenta está a d = 349 × 9 ≈ 3141 m (3.1 km) de distancia

Presión en una onda de choque approximation
ΔPρvsonidoΔv
SymboleSignificationUnité
\Delta Pcambio de presión en la onda de choque
Presión por encima de la atmosférica
Pa
\rhodensidad del aire
A nivel del mar: 1.225 kg/m³
kg/m³
v_{\text{sonido}}velocidad del sonidom/s
\Delta vcambio de velocidad del aire
Relacionado con la velocidad del objeto
m/s

Dimensions : [M][L1][T2]=[M][L3][L][T1][L][T1]

Exemple : Un camión a 30 m/s (108 km/h) en la Autopista Regional del Centro genera una onda de choque con Δ v ≈ 5 m/s. Δ P ≈ 1.225 × 343 × 5 ≈ 2100 Pa (2.1% de la presión atmosférica)

Energía e intensidad del sonido

Fórmulas que relacionan la potencia, intensidad y nivel de intensidad sonora con la distancia al foco emisor

Intensidad del sonido definition
I=P4πr2
Formes alternatives
  • P=I4πr2 — Para calcular la potencia si conoces la intensidad a cierta distancia
SymboleSignificationUnité
Iintensidad sonora
Potencia por unidad de área perpendicular a la propagación
W/m²
Ppotencia acústica de la fuente
Ejemplo: parlante, motor
W
rdistancia a la fuente
En metros desde el centro emisor
m

Dimensions : [M][T3]=[M][L2][T3][L2]

Exemple : Un parlante en un concierto en Barquisimeto emite P = 10 W. A 10 m de distancia, la intensidad es I = 10/(4×3.14×10²) ≈ 0.008 W/m²

Nivel de intensidad sonora (decibelios) definition
β=10log(II0)
SymboleSignificationUnité
\betanivel de intensidad sonora
Escala logarítmica
dB
Iintensidad sonora medidaW/m²
I_0intensidad umbral de audición
I₀ = 10⁻¹² W/m² a 1000 Hz
W/m²

Dimensions : [1]=10log([])

Exemple : En el mismo concierto, I = 0.008 W/m². β = 10×log(0.008/10⁻¹²) = 10×log(8×10⁹) ≈ 99 dB (¡como un camión a 10 m!)

Atenuación del sonido con la distancia law
I2=I1(r1r2)2
SymboleSignificationUnité
I_1intensidad a distancia r₁W/m²
I_2intensidad a distancia r₂W/m²
r_1distancia 1
Distancia más cercana
m
r_2distancia 2
Distancia más lejana
m

Dimensions : [M][T3]=[M][T3][]

Exemple : En el concierto, a 10 m la intensidad es I₁ = 0.008 W/m². A 40 m (4 veces más lejos), I₂ = 0.008 × (10/40)² = 0.008 × 0.0625 = 0.0005 W/m² (16 veces menos intenso)

Fuentes

  1. en.wikipedia.org
  2. web.archive.org
  3. doi.org
  4. search.worldcat.org
  5. ui.adsabs.harvard.edu
  6. arxiv.org
  7. api.semanticscholar.org
  8. www.osti.gov
  9. pubmed.ncbi.nlm.nih.gov
  10. www.grc.nasa.gov
  11. www.mdpi.com
  12. books.google.com
  13. www.dspguide.com