3. Velocidad, Frecuencia y Longitud de Onda

Sonido: Ondas mecánicas que se propagan a través de sólidos, líquidos y gases, con un rango de frecuencias de 16 a 20,000 hertz. La facilidad con la cual viaja el sonido depende de su frecuencia y la naturaleza del medio.

Ultrasonido: Ondas mecánicas con frecuencias mayores al límite superior del rango audible.

A tales frecuencias y gracias a su energía el ultrasonido es utilizado para rastrear el volumen de un material.

Un haz ultrasónico cumple con algunas reglas físicas de óptica por lo que es reflejado, refractado y difractado.

espectro1 espectro2

La propagación del ultrasonido está caracterizada por vibraciones periódicas de los átomos o partículas representadas por un movimiento ondulatorio.

movimiento ondulatorio

Una onda sonora está definida por cuatro características principales:

Período

El periodo (T), es el tiempo que toma una partícula en realizar un ciclo completo.

Frecuencia

La frecuencia (f), es el número completo de ciclos de una partícula en una unidad de tiempo. Las partículas de una onda sonora vibran a la misma frecuencia. La unidad internacional es el Hertzio donde:

ondas

tabla Hz

Como podemos ver el periodo y la frecuencia esta relacionados por:

frecuencia

Amplitud

La amplitud (A), es el máximo desplazamiento que realiza la partícula sometida a vibración, partiendo desde su posición de reposo.

Longitud de onda

La longitud de onda (λ), es la distancia entre dos planos en que las partículas se encuentran en el mismo estado de movimiento. La longitud de onda es inversamente proporcional a la frecuencia en cuanto que el periodo está relacionado con la longitud de onda.

ondas2

ondas3

formula long onda

Donde:

λ: Longitud de onda
V: velocidad del material
F: frecuencia

Velocidad acústica

La velocidad acústica (V), es la distancia recorrida por la onda en un medio, en una unidad de tiempo. En otras palabras es la velocidad de propagación del sonido en un medio. La velocidad acústica longitudinal es diferente para cada medio, pero es directamente proporcional a su densidad y modulo de elasticidad e inversamente proporcional al coeficiente de poison. La velocidad acústica transversal también es diferente para cada medio y es la raíz cuadrada del modulo de elasticidad dividido por la densidad del material.

Densidad (ρ) es una magnitud escalar referida a la cantidad de masa contenida en un determinado volumen de una sustancia.

Modulo de elasticidad (ξ)  es un parámetro que caracteriza el comportamiento de un material elástico, según la dirección en la que se aplica la fuerza.

Entonces la velocidad del sonido depende de:

  • Las constantes elásticas del medio.
  • La densidad del medio.
  • La temperatura.
  • El modo de onda.

La velocidad acústica es una característica del material y es una constante para cada material dado, para cualquier frecuencia y longitud de onda. Sin embargo esto no rigurosamente es exacto ya que la velocidad depende de lo antes expuesto.

El cálculo de la velocidad de propagación es el siguiente:

velocidad

La Velocidad de propagación del ultrasonido cambia en medios diferentes.

medios

Propiedades Acústicas

propiedades acustics

Presión acústica

En los puntos de gran densidad de partículas la presión es mayor que la presión normal, mientras que en las zonas dilatadas es menor.  Esto ocurre no solo en los gases sino que también en los líquidos y solidos.