Ultrasonidos (Fiz0312)

Latest revision as of 16:46, 4 October 2018

[edit] Ultrasonidos

[edit] Objetivo

Estudiar las propiedades de ondas ultrasónicas.

[edit] Introducción

El ultrasonido es imperceptible al oído humano y su dispersión cromática en el aire es despreciable. Tiena una frecuencia mayor a 20 kHz y su longitud de onda menor a 10 milimetros aproximadamente.

La velocidad de fase del sonido a presión normal y 20°C en aire seco está dada por:

$c =343 \rm{m}/\rm{s} \qquad\qquad\qquad (1)$

En este experimento se utilizara un emisor de ondas ultrasonicas, no olvidar que el frente de onda que genera es una onda esférica, por lo tanto para poder trabajar en la aproximación de onda plana la fuente (emisor) debe estar alejada de los objetos con que se pretende trabajar.

[edit] Equipamiento

- Par de transductores ultrasónicos: emisor y detector.

- Brazo articulado con transportador.

- Osciloscopio.

- Regla.

- Red de difracción para ultrasonidos.

- Papel milimetrado.

[edit] Montaje y Procedimiento Experimental

i) Conecte el cable coaxial del detector a una entrada del osciloscopio, como indica la figura 1.

ii) Utilice el Trigger interno del osciloscopio.

iii) Seleccione en el osciloscopio una amplitud de señal en el rango de $20mV/div$ y una escala temporal de $1 \mu s /div$ .

iv) Encienda el emisor seleccionando el modo continuo y apúntelo hacia el receptor, de modo que aparezca la señal sinusoidal correspondiente a la onda ultrasónica en la pantalla del osciloscopio.

v) Con el osciloscopio determine la frecuencia de la onda ultrasónica.

vi) Determine la longitud de onda del ultrasonido generado por el emisor, utilizando la ecuación (1)

[edit] I) Determinación de la Velocidad del Sonido

1. Ubique el generador y detector de ultrasonido uno frente a otro, separados una distancia del orden de $1m$ , como muestra la figura 1.

2. Conecte el amplificador de detector de ultrasonido y el generador de señal de ultrasonido al osciloscopio, registrando ambas señales.

3. Encienda el emisor de ultrasonido seleccionando modo pulsado. Encienda el amplificador del detector.

4. Ajuste la perilla de sensibilidad del amplificador, la amplificación y base de tiempo, para que en estas condiciones de operación, la pantalla del osciloscopio muestre una señal como la de la figura 2. El pulso cuadrado inicial corresponde a una señal de referencia para la emisión del pulso de ultrasonido que se observa con posterioridad. El tiempo transcurrido entre el inicio del pulso cuadrado y el inicio del pulso de ultrasonido corresponde al tiempo que demora el ultrasonido en viajar desde el emisor hasta el detector.

5. Repita los pasos anteriores para distintas distancias entre el emisor y el receptor registrando el tiempo t.

6. Usando este método de medición, construya un gráfico $distancia$ $versus$ $tiempo$ , y determine la velocidad de propagación del sonido.

7. Compare la velocidad del sonido teórica y experimental mediante una diferencia porcentual.

[edit] II) Reflexión de Ultrasonidos

1. Arme el montaje que se muestra en la figura 3, donde $L$ representa una superficie metálica. $P$ es una pantalla, de algún material como plumavit o cartón, que tiene por objeto impedir la llegada de ultrasonido directamente del emisor al receptor, sin incidir sobre la superficie reflectante.

2. Ponga el emisor en modo continuo y coloque el Trigger interno del osciloscopio.

3. Con las posiciones del emisor fija, en un angulo $\theta_i$ entre la dirección de la onda incidente y la normal a la superficie de la placa, gire el detector, siguiendo un arco de circunferencia (ver figura 3), registrando el ángulo $\theta_r$ para el cual la intensidad de ultrasonido que mide el osciloscopio resulta máxima.

4. Estime la incerteza angular en la determinación del máximo.

5. Construya una tabla y un gráfico de $\theta_i$ $versus$ $\theta_{\rm{max}}$ , para $10^0 <\theta_i<80 ^0$ .

[edit] III) Interferencia de Ultrasonidos

1. Coloque el emisor apuntando en algún ángulo incidente a la lámina metálica, con el fin de superponer la onda emitida y la onda reflejada, luego coloque el detector donde pueda recibir la señal de ambas ondas.

2. Desplazando el detector a traves de un circulo mida con el osciloscopio el perfil de la interferencia en el detector.

3. Grafique y explique el resultado obtenido.

[edit] IV) Difracción de Ultrasonidos

Cuando un frente espacialmente uniforme y monocromático de ondas incide sobre una apertura de dimensiones comparables a la longitud de onda, se puede apreciar efectos de difracción. Estos consisten básicamente en que al otro lado de la apertura se produce una distribución espacial bien definida de máximos y mínimos de intensidad de onda.

Si el frente de onda, con longitud de onda $\lambda$ incide sobre una apertura que consiste de un par de rendijas largas y angostas, separadas a una distancia $d$ , la distribución angular de máximos de intensidad al otro lado de las rendijas, para una aproximación de onda plana incidente, está dada por:

$n \lambda = d \cdot [\sin(\theta_i)\pm \sin(\theta_r)] \qquad\qquad\qquad (2)$

donde $\theta_i$ es el ángulo de incidencia, $\theta_r$ es el ángulo de reflección, y $n$ representa cada uno de los máximos sucesivos, a partir del máximo central.

Experimento

1. La red de difraccion para ultrasonidos consiste en una placa de cartón en la que se cortaron rendijas de $1cm$ de ancho, con idéntica separación de $d=2cm$ .

2. Coloque el emisor a una distancia de la red de difrección donde se cumpla la aproximación de onda plana, con $\theta_i=0$ .

3. Mida la intensidad al otro lado, desplazando el receptor en forma circular como se muestra en la figura 6, colocando el receptor a una distancia donde se cumpla la aproximación de Fraunhoffer. En este caso la aproximación de Fraunhoffer significa que la distancia entre la red de difracción y el receptor debe ser mucho más grande que el ancho de las rendijas.

4. Con los datos obtenidos construya un gráfico $A$ (amplitud de la presión relativa) $versus$ $\sin(\theta)$ .

[edit] Análisis y Discusión de Resultados, Para cada actividad

1. Construya una curva de distancia vs tiempo para calcular la velocidad de fase del sonido. Compare la velocidad de fase del sonido obtenida de manera experimental con la velocidad de fase del sonido existente en la literatura y con el valor teórico de la misma.

2. Estudie el gráfico de $\theta_i$ $versus$ $\theta_{\rm{max}}$ , para $10^0 <\theta_i<80 ^0$ , calculando errores de medición.

3. Haga un calculo teórico para obtener el perfil de intereferencia y comparelo con los resultados obtenidos en el experimento.

4. Compare los resultados experimentales con la formula teórica.

[edit] Partes Adicionales

Usando materiales asociados a los montajes previos, y algunos recursos extra disponibles en el laboratorio, usted podría estudiar:

1. Influencia de la humedad ambiental en la velocidad del sonido

Humedeciendo el aire entre emisor y receptor (por ejemplo, usando un aspersor de agua o algún otro método de su ocurrencia) usted puede estudiar las diferencias que se producen en la velocidad del sonido por las variaciones del ambiente.

2. Influencia de la temperatura en la velocidad del sonido

Usando distintos medios para cambiar la temperatura del gas entre emisor y receptor (por ejemplo, un secador de pelo o un mechero bunster para calentar), usted puede estudiar las diferencias que se producen en la velocidad del sonido por las variaciones en temperatura.

3. Difracción de ondas en bordes

Utilizando un borde de una tabla o algún similar, usted puede estudiar el fenómeno de difracción de ondas en bordes

4. Interferencia de ondas provenientes de distintas fuentes emitiendo la misma señal

Utilizando dos emisores distintos, usted puede estudiar interferencia de ondas en el espacio (sin necesidad de una reflexión en una pared)

En esta sección, usted debe elegir al menos uno de estos fenómenos para estudiar. Debe registrar en su Acta lo que está analizando, cómo lo hace, los inconvenientes y resultados obtenidos, análisis, etc. Si usted se le ocurre algo interesante de medir, dentro del contexto del curso, puede agregarlo a la lista de “Adicionales”

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-===Introducción===
+==='''Introducción'''===
-El ultrasonido es imperceptible al oido humano y su dispersión en el aire es despreciable. Es generado por ondas mecanicas cuya frecuencia es mayor a 20 Khz y su longitud de onda menor a 10 milimetros aproximadamente.
+El ultrasonido es imperceptible al oído humano y su dispersión cromática en el aire es despreciable. Tiena una frecuencia mayor a 20 kHz y su longitud de onda menor a 10 milimetros aproximadamente.
-La velocidad de fase del sonido está dada por  <math>c =343 \rm{m}/\rm{s}  </math>.
+La velocidad de fase del sonido a presión normal y 20°C en aire seco está dada por:
+:<center> <m>c =343 \rm{m}/\rm{s} \qquad\qquad\qquad (1) </m>  </center>
 En este experimento se utilizara un emisor de ondas ultrasonicas, no olvidar que el frente de onda que genera es una onda esférica, por lo tanto para poder trabajar en la aproximación de onda plana la fuente (emisor) debe estar alejada de los objetos con que se pretende trabajar.
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 - Papel milimetrado.
-===Procedimiento Experimental===
+===Montaje y Procedimiento Experimental===
-: i) Conecte el cable coaxial del detector a una entrada del osciloscopio.
+[[File:S1_1.png|center|thumb|500px|]]
+: i) Conecte el cable coaxial del detector a una entrada del osciloscopio, como indica la figura 1.
 : ii) Utilice el Trigger '''interno''' del osciloscopio.
-: iii) Seleccione en el osciloscopio una amplitud de señal en el rango de <math>20mV/div</math> y una frecuencia de barrido de <math>1 \mu s /div</math>.
+: iii) Seleccione en el osciloscopio una amplitud de señal en el rango de <m>20mV/div</m> y una escala temporal de <m>1 \mu s /div</m>.
 : iv) Encienda el emisor seleccionando el modo '''continuo''' y apúntelo hacia el receptor, de modo que aparezca la señal sinusoidal correspondiente a la onda ultrasónica en la pantalla del osciloscopio.
@@ Line 41: / Line 41: @@
 : v) Con el osciloscopio determine la frecuencia de la onda ultrasónica.
-: vi) Determine la longitud de onda del ultrasonido generado por el emisor.
+: vi) Determine la longitud de onda del ultrasonido generado por el emisor, utilizando la ecuación (1)
-== I) Determinación de la Velocidad del Sonido ==
+== '''I) Determinación de la Velocidad del Sonido''' ==
-[[File:S1.png|center|thumb|500px|]]
-: 1. Ubique el generador y detector de ultrasonido uno frente a otro, separados una distancia del orden de <math>1m</math>, como muestra la figura 1.
+: 1. Ubique el generador y detector de ultrasonido uno frente a otro, separados una distancia del orden de <m>1m</m>, como muestra la figura 1.
-[[File:So2.png|right|thumb|200px|]]
+[[File:So2_2.png|right|thumb|200px|]]
-: 2. Conecte el amplificador de detector de ultrasonido al canal 1 del osciloscopio, y el generador de señal de ultrasonido al canal 2  y al trigger '''externo'''del osciloscopio.
+: 2. Conecte el amplificador de detector de ultrasonido y el generador de señal de ultrasonido al osciloscopio, registrando ambas señales.
 : 3. Encienda el emisor de ultrasonido seleccionando modo '''pulsado'''. Encienda el amplificador del detector.
-: 6. Ajuste la perilla de sensibilidad del amplificador, la amplificación y base de tiempo, como para que en estas condiciones de operación, la pantalla del osciloscopio muestre una señal como la de la figura 2. El pulso cuadrado inicial corresponde a una señal de referencia para la emisión del pulso de ultrasonido que se observa con posterioridad. El tiempo transcurrido entre el inicio del pulso cuadrado y el inicio del pulso de ultrasonido corresponde al tiempo que demora el ultrasonido en viajar desde el emisor hasta el detector.
+: 4. Ajuste la perilla de sensibilidad del amplificador, la amplificación y base de tiempo, para que en estas condiciones de operación, la pantalla del osciloscopio muestre una señal como la de la figura 2. El pulso cuadrado inicial corresponde a una señal de referencia para la emisión del pulso de ultrasonido que se observa con posterioridad. El tiempo transcurrido entre el inicio del pulso cuadrado y el inicio del pulso de ultrasonido corresponde al tiempo que demora el ultrasonido en viajar desde el emisor hasta el detector.
-: 7. Usando este método de medición, construya un gráfico <math>distancia</math> <math>versus</math> <math>tiempo</math>, y determine la velocidad de propagación del sonido.
+: 5. Repita los pasos anteriores para distintas distancias entre el emisor y el receptor registrando el tiempo t.
-== II) Reflección de Ultrasonidos==
+: 6. Usando este método de medición, construya un gráfico <m>distancia</m> <m>versus</m> <m>tiempo</m>, y determine la velocidad de propagación del sonido.
+: 7. Compare la velocidad del sonido teórica y experimental mediante una diferencia porcentual.
+== '''II) Reflexión de Ultrasonidos'''==
 [[File:So3(1).png|center|thumb|400px|]]
-: 1. Arme el montaje que se muestra en la figura 3, donde <math>L</math> representa una superficie metálica. <math>P</math> es una pantalla, de algún material como plumavit o cartón, que tiene por objeto impedir la llegada de ultrasonido directamente del emisor al receptor, sin incidir sobre la superficie reflectante.
+: 1. Arme el montaje que se muestra en la figura 3, donde <m>L</m> representa una superficie metálica. <m>P</m> es una pantalla, de algún material como plumavit o cartón, que tiene por objeto impedir la llegada de ultrasonido directamente del emisor al receptor, sin incidir sobre la superficie reflectante.
 : 2. Ponga el emisor en modo '''continuo''' y coloque el Trigger interno del osciloscopio.
-: 3. Con las posiciones del emisor fija, en un angulo <math>\theta_i</math> entre la dirección de la onda incidente y la normal a la superficie de la placa, gire el detector, siguiendo un arco de circunferencia (ver figura 3), registrando el ángulo <math>\theta_r</math> para el cual la intensidad de ultrasonido que mide el osciloscopio resulta máxima.
+: 3. Con las posiciones del emisor fija, en un angulo <m>\theta_i</m> entre la dirección de la onda incidente y la normal a la superficie de la placa, gire el detector, siguiendo un arco de circunferencia (ver figura 3), registrando el ángulo <m>\theta_r</m> para el cual la intensidad de ultrasonido que mide el osciloscopio resulta máxima.
 : 4. Estime la incerteza angular en la determinación del máximo.
-: 5. Construya una tabla y un gráfico de <math>\theta_i</math> <math>versus</math> <math>\theta_{\rm{max}}</math>, para <math>10^0 <\theta_i<80 ^0  </math>.
+: 5. Construya una tabla y un gráfico de <m>\theta_i</m> <m>versus</m> <m>\theta_{\rm{max}}</m>, para <m>10^0 <\theta_i<80 ^0  </m>.
-== III) Interferencia de Ultrasonidos ==
+== '''III) Interferencia de Ultrasonidos''' ==
-: 1. Coloque el emisor  apuntando en algun angulo incidente a la lamina metalica y coloque el detector en algun lugar donde pueda recibir la onda incidente y la onda reflejada.
+: 1. Coloque el emisor apuntando en algún ángulo incidente a la lámina metálica, con el fin de superponer la onda emitida y la onda reflejada, luego coloque el detector donde pueda recibir la señal de ambas ondas.
 [[File:So4.png|center|thumb|400px|]]
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 : 2. Desplazando el detector a traves de un circulo mida con el osciloscopio el perfil de la interferencia en el detector.
-==IV) Difracción de Ultrasonidos==
+: 3. Grafique y explique el resultado obtenido.
+=='''IV) Difracción de Ultrasonidos'''==
 Cuando un frente espacialmente uniforme y monocromático de ondas incide sobre una apertura de dimensiones comparables a la longitud de onda, se puede apreciar efectos de difracción. Estos consisten básicamente en que al otro lado de la apertura se produce una distribución espacial bien definida de máximos y mínimos de intensidad de onda.
-Si el frente de onda, con longitud de onda <math>\lambda</math> incide sobre una apertura que consiste de un par de rendijas largas y angostas, separadas a una distancia <math>d</math>, la distribución angular de máximos de intensidad al otro lado de las rendijas, para una aproximación de onda plana incidente, está dada por:
+Si el frente de onda, con longitud de onda <m>\lambda</m> incide sobre una apertura que consiste de un par de rendijas largas y angostas, separadas a una distancia <m>d</m>, la distribución angular de máximos de intensidad al otro lado de las rendijas, para una aproximación de onda plana incidente, está dada por:
-:<center><math>n \lambda = d \cdot (\sin(\theta_i)\pm \sin(\theta_r)) \qquad\qquad\qquad (1)</math>        </center>
+:<center><m>n \lambda = d \cdot [\sin(\theta_i)\pm \sin(\theta_r)] \qquad\qquad\qquad (2)</m>        </center>
-donde <math>\theta_i</math> es el ángulo de incidencia, <math>\theta_r</math> es el ángulo de reflección, y <math>n</math> representa cada uno de los máximos sucesivos, a partir del máximo central.
+donde <m>\theta_i</m> es el ángulo de incidencia, <m>\theta_r</m> es el ángulo de reflección, y <m>n</m> representa cada uno de los máximos sucesivos, a partir del máximo central.
+'''Experimento'''
+: 1. La red de difraccion para ultrasonidos consiste en una placa de cartón en la que se cortaron rendijas de <m>1cm</m> de ancho, con idéntica separación de <m>d=2cm</m> .
-: 1. La red de difraccion para ultrasonidos consiste en una placa de cartón en la que se cortaron rendijas de <math>1cm</math> de ancho, con idéntica separación de <math>d=2cm</math> .
+[[File:So5.png|right|thumb|300px|]]
-[[File:So5.png|right|thumb|200px|]]
+: 2. Coloque el emisor a una distancia de la red de difrección donde se cumpla la aproximación de onda plana, con <m>\theta_i=0</m>.
-: 2. Coloque el emisor a una distancia de la red de difrección donde se cumpla la aproximación de onda plana, con <math>\theta_i=0</math>.
+: 3. Mida la intensidad al otro lado, desplazando el receptor en forma circular como se muestra en la figura 6, colocando el receptor a una distancia donde se cumpla la aproximación de Fraunhoffer. En este caso la aproximación de Fraunhoffer significa que la distancia entre la red de difracción y el receptor debe ser mucho más grande que el ancho de las rendijas.
-: 3. Mida la intensidad al otro lado, desplazando el receptor perpendicular a la red, colocando el receptor a una distancia donde se cumpla la aproximación de Fraunhoffer. En este caso la aproximación de Fraunhoffer significa que la distancia entre la red de difracción y la pantalla debe ser mucho más grande que el ancho de las rendijas.
+: 4. Con los datos obtenidos construya un gráfico <m>A</m> (amplitud de la presión relativa) <m>versus</m> <m>\sin(\theta)</m>.
-: 4. Con los datos obtenidos construya un gráfico <math>A</math> (amplitud de la presión relativa) <math>versus</math> <math>\sin(\theta)</math>.
+[[File:Difflab_1.png|center|thumb|300px|]]
 == Análisis y Discusión de Resultados, Para cada actividad==
@@ Line 111: / Line 112: @@
 : 1. Construya una curva de distancia vs tiempo para calcular la velocidad de fase del sonido. Compare la velocidad de fase del sonido obtenida de manera experimental con la velocidad de fase del sonido existente en la literatura y con el valor teórico de la misma.
-: 2. Estudie el gráfico de <math>\theta_i</math> <math>versus</math> <math>\theta_{\rm{max}}</math>, para <math>10^0 <\theta_i<80 ^0  </math>, calculando errores de medición.
+: 2. Estudie el gráfico de <m>\theta_i</m> <m>versus</m> <m>\theta_{\rm{max}}</m>, para <m>10^0 <\theta_i<80 ^0  </m>, calculando errores de medición.
 : 3. Haga un calculo teórico para obtener el perfil de intereferencia y comparelo con los resultados obtenidos en el experimento.
 : 4. Compare los resultados experimentales con la formula teórica.
+== Partes Adicionales ==
+Usando materiales asociados a los montajes previos, y algunos recursos extra disponibles en el laboratorio, usted podría estudiar:
+: 1. Influencia de la humedad ambiental en la velocidad del sonido
+Humedeciendo el aire entre emisor y receptor (por ejemplo, usando un aspersor de agua o algún otro método de su ocurrencia) usted puede estudiar las diferencias que se producen en la velocidad del sonido por las variaciones del ambiente.
+: 2. Influencia de la temperatura en la velocidad del sonido
+Usando distintos medios para cambiar la temperatura del gas entre emisor y receptor (por ejemplo, un secador de pelo o un mechero bunster para calentar), usted puede estudiar las diferencias que se producen en la velocidad del sonido por las variaciones en temperatura.
+: 3. Difracción de ondas en bordes
+Utilizando un borde de una tabla o algún similar, usted puede estudiar el fenómeno de difracción de ondas en bordes
+: 4. Interferencia de ondas provenientes de distintas fuentes emitiendo la misma señal
+Utilizando dos emisores distintos, usted puede estudiar interferencia de ondas en el espacio (sin necesidad de una reflexión en una pared)
+En esta sección, usted debe elegir al menos uno de estos fenómenos para estudiar. Debe registrar en su Acta lo que está analizando, cómo lo hace, los inconvenientes y resultados obtenidos, análisis, etc. Si usted se le ocurre algo interesante de medir, dentro del contexto del curso, puede agregarlo a la lista de “Adicionales”

Ultrasonidos (Fiz0312)

Latest revision as of 16:46, 4 October 2018

Contents

[edit] Ultrasonidos

[edit] Objetivo

[edit] Introducción

[edit] Equipamiento

[edit] Montaje y Procedimiento Experimental

[edit] I) Determinación de la Velocidad del Sonido

[edit] II) Reflexión de Ultrasonidos

[edit] III) Interferencia de Ultrasonidos

[edit] IV) Difracción de Ultrasonidos

[edit] Análisis y Discusión de Resultados, Para cada actividad

[edit] Partes Adicionales

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