L5. Ondas Ultrasónicas

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UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER FACULTAD DE CIENCIAS

ESCUELA DE FÍSICA LABORATORIO DE FÍSICA III L5. ONDAS ULTRASÓNICAS.

OBJETIVOS

1. Determinar la velocidad del sonido en el aire.

2. Observar pulsaciones de ondas ultrasónicas con el osciloscopio.

3. Observar la frecuencia de pulsación f_s y compararla con la diferencia de las frecuencias individuales f_a y . b f

4. Determinar la frecuencia de oscilación f y compararla con el valor medio de las frecuencias individuales f_a y f_b.

EQUIPO

Tres transductores ultrasónicos, 40 kHz.

Un amplificador de corriente alterna.

Dos generadores, 40 kHz.

Osciloscopio de dos canales. Lámina reflectora.

Cinta métrica.

MARCO TEÓRICO

Un ultrasonido es una onda acústica o sonora cuya frecuencia por encima del espectro audible del oído humano

(aproximadamente 20 kHz). Un sónar es un dispositivo que emite señales ultrasónicas pulsadas y mide el tiempo en el

cual se refleja una señal desde la superficie de un objeto hacia el receptor. Para simplificar la configuración, el transmisor y el receptor están en la misma ubicación. El tiempo entre la transmisión y la recepción se puede usar para determinar la distancia al objeto reflector (sí se conoce la velocidad del sonido) o para determinar la velocidad del sonido a partir de una distancia conocida. Este método es comúnmente usado por ejemplo para determinar las profundidades del agua en el océano.

En la primera parte de la práctica se usa el principio del sónar para determinar la velocidad del sonido en el aire. Dos transductores ultrasónicos sirven como transmisor y receptor, dependiendo de su conexión. Un piezoeléctrico convierte la energía eléctrica en energía mecánica.

Cuando se aplica al piezoeléctrico un voltaje de corriente alterna, el transductor configurado como transmisor suministra una amplitud sonora suficientemente alta a dos frecuencias de resonancia diferentes (aproximadamente 40 kHzy 48

kHz). En cambio, las ondas sonoras generan oscilaciones mecánicas en el transductor cuando está configurado como receptor. La amplitud del voltaje de corriente alterna resultante es proporcional a la amplitud de la onda sonora.

La superposición de dos ondas sonoras de frecuencias f_a y f_b ligeramente diferentes produce el fenómeno de

pulsaciones. La suma,

(

)

(

)

(

)

0sin 2 0sin 2 2 0cos sin 2 ,

2

b a

a b b a

f f

A πf t +A π f t = A _π f −f t_ _ π + t_

 

de las dos ondas individuales se puede entender como una oscilación con frecuencia media dada por,

. 2

a b

f f

f = +

y la amplitud que varía periódicamente, dada por,

( )

2

b a

f f

A t = A _ π − t_

2

El período de oscilación T_s entre dos mínimos consecutivos de la amplitud A t

( )

1 ,

s s f

T

= (4)

se llama la frecuencia de la pulsación. Esta muestra la relación,

.

s b a

f = f −f

Tres transductores ultrasónicos sirven como transmisores y receptores, dependiendo de su conexión.

Figura 1. Pulsación de ondas ultrasónicas.

TEMAS PARA CONSULTA

1. Ondas Ultrasónicas.

2. Pulsaciones de ondas ultrasónicas.

BIBLIOGRAFÍA

1. Serway, Raymond; Beichner, Robert J. Física. Sexta Edición Tomo 1, Capítulo XVIII. 2. Zajac, H. Óptica. Ed. Fondo Educativo Interamericano, 1977.

PROCEDIMIENTO

A. Medición de la velocidad del sonido. Montaje experimental.

- Realice el montaje mostrado en la Figura 2.

- Conecte el transductor ultrasónico (a) al generador y ajuste el generador a operación continúa.

- Conecte el transductor ultrasónico (b) al canal 1 del osciloscopio a través del amplificador de corriente alterna. - Reduzca al mínimo la ganancia del amplificador de corriente alterna y observe la señal recibida en el osciloscopio. - Ajuste la frecuencia del generador de modo que la señal recibida alcance la amplitud máxima.

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- Conecte el transmisor (a) al generador de 40 kHz.

- Conecte el trigger output del generador al trigger output del osciloscopio, y ajuste el osciloscopio a “ext. trigger” mode. - Conecte el transductor ultrasónico (b) al canal 1 del osciloscopio a través del amplificador de corriente alterna. - Ajuste la escala vertical del osciloscopio a 0.5 V/DIVISIÓN y la escala horizontal a 1ms/DIVISIÓN.

Llevando a cabo el experimento.

a. Ubique la lámina reflectora a una distancia d =0.5 m.

b. Lea el tiempo de tránsito t a partir de la señal recibida por el osciloscopio (ver Figura 2). c. Escriba los valores d y t en la Tabla 1 de la hoja de datos sugerida.

d. Cambie la distancia d (distancia entre la lámina reflectora y los transductores) y repita la medición (ver Tabla 1 de la hoja de datos sugerida).

Figura 2. Montaje experimental para determinar la velocidad del sonido, vista superior.

B. Pulsaciones de ondas ultrasónicas. Montaje experimental.

a. Realice el montaje mostrado en la Figura 3.

b. Ajuste ambos generadores al modo de señal continúa.

c. Ajuste la sensibilidad del canal 1 del osciloscopio (escala vertical) a 0.2 V/DIV y el tiempo base (escala horizontal) a 0.1 ms/DIV.

d. Encienda el generador (a) y apague el generador (b).

e. Observe la señal recibida en el osciloscopio y varíe la frecuencia f_a del generador (a) hasta que se alcance el máximo de amplitud de la señal recibida.

Sí la señal recibida está distorsionada:

f. Reduzca la ganancia del amplificador de corriente alterna o incremente la distancia entre el transmisor y el receptor.

Llevando a cabo el experimento.

B1. Medición del período T_a para una sola oscilación.

a. Lentamente reduzca la frecuencia f_a hasta que la amplitud A_a de la señal recibida se reduzca a la mitad.

b. Escriba en su tabla de datos el período de oscilación T_a de la señal recibida para una oscilación.

B2. Medición del período T_b para una sola oscilación.

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b. Observe la señal recibida en el osciloscopio y varíe la frecuencia f_b del generador (a) hasta que se alcance el máximo de

amplitud de la señal recibida.

c. Lentamente reduzca la frecuencia f_b hasta que la amplitud A_b de la señal recibida se reduzca a la mitad.

d. Escriba en su tabla de datos el período de oscilación T_b de la señal recibida para una oscilación.

B3. Medición del período de pulsación T_s y el período de oscilación T.

a. Encienda los dos generadores.

b. Lea el período de pulsación y el período de oscilación a partir de la señal recibida por le osciloscopio y escríbalo en su hoja de datos.

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ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE DATOS. PARTE A.

1. Complete la siguiente tabla de datos:

[ ]

d m d1

[ ]

t s t1

Tenga en cuenta que des la distancia total recorrida por la onda ultrasónica, es decir dos veces la distancia que hay entre

los transductores y el tablero reflector.

2. Realice una gráfica en una hoja con escala milimétrica de t Vs. d

3. Calcule por el método de mínimos cuadrados (regresión lineal) la pendiente el punto de corte y la correlación de la anterior gráfica.

4. Teniendo en cuenta que la relación entre la distancia recorrida por la onda ultrasónica y el tiempo empleado para

realizar dicho recorrido está dada por 1 ,

s

t d

v

= donde v_s es la velocidad del sonido, encuentre la velocidad experimental

del sonido.

PARTE B.

1. Teniendo en cuenta la relación (2) encuentre la frecuencia de oscilación f, compárela con el valor registrado en la Tabla 2 de su hoja de datos.

2. Teniendo en cuenta la relación (5) encuentre la frecuencia de pulsación ,

s

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TABLA PARA LA TOMA DE DATOS (SUGERIDA) L5. ONDAS ULTRASÓNICAS

Fecha: Grupo: Subgrupo:

PARTE A.

Tabla 1.

PARTE B.

[ ]

a

T s fa

[

]

[ ]

[

]

[ ]

[

]

[ ]

[

]

Tabla 2.

[ ]