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UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER

LABORATORIO FISICA III

L7 Y L10 ULTRASONIDOS

INTEGRANTRES: Diego Rico Alejandro Cadena Alejandra Gómez

PRESENTADO A: Luis Alejandro Prada

BUCARAMANGA 13 AGOSTO DE 2015

INTRODUCCIÓN

Son ondas mecánicas vibratorias o sea para que se propague el ultrasonido, se requiere que las partículas del medio ya sea líquido, aire o sólido oscilen alrededor de sus posiciones de equilibrio. Son de la misma naturaleza que las ondas sonoras, la diferencia es su frecuencia que es mucho mayor de 20000 Hz. La intención de la presente práctica fue el de demostrar y estudiar el principio de la ecosonda, y ultrasonido, mediante lo establecido respectivamente para dicho laboratorio.

OBJETIVOS

 Determinar el ángulo de reflexión y medir la intensidad reflejada en un ángulo fijo de incidencia como función angular del receptor.  Evaluar la relación ángulo de incidencia y ángulo de reflexión.  Demostrar el principio de la ecosonda.  Determinar la velocidad del sonido en el aire a partir del tiempo de tránsito de un pulso sonoro y la distancia al objeto reflectante.  Determinar la distancia midiendo el tiempo de tránsito del pulso sonoro.  Evaluar y medir el cambio de frecuencia cuando es percibido por un observador en reposo, como función de la velocidad y de la fuente de ultrasonidos.  Determinar la velocidad del sonido en el aire.  Confirmar y determinar la proporcionalidad entre el cambio de frecuencia Δf y la velocidad de la fuente de ultrasonidos.

RESUMEN TEÓRICO

Efecto doppler:

Un observador O se mueve hacia una fuente S que se encuentra en reposo. El medio es aire. El observador O comienza a desplazarse hacia la fuente con una velocidad vo. La fuente de sonido emite un sonido de velocidad v, frecuencia f y longitud de onda λ. Por lo tanto, la velocidad de las ondas respecto del observador no será la v del aire, sino la siguiente:

.

El medio no cambia, la longitud de onda será la misma, por lo tanto si:

Pero como mencionamos en la primera explicación de este efecto, el observador al acercarse a la fuente oirá un sonido más agudo, esto implica que su frecuencia es mayor. A esta frecuencia mayor captada por el observador se la denomina frecuencia aparente y la simbolizaremos con f'.

El observador escuchará un sonido de mayor frecuencia debido a que

Analicemos el caso contrario: Cuando el observador se aleje de la fuente, la velocidad v' será v' = v − vo Cuando un observador se mueve con respecto a una fuente en reposo, la frecuencia aparente percibida por el observador es:

Ahora consideraremos el caso donde el observador se encuentra en reposo y la fuente se mueve. Cuando la fuente se desplace hacia el observador, los frentes de onda estarán más cerca uno del otro. En consecuencia, el observador percibe sonidos con una menor longitud de onda. Esta diferencia de longitud de onda puede expresarse como:

Por tanto, la longitud de onda percibida será:

Como

podemos deducir que:

Haciendo un razonamiento análogo para el caso contrario (fuente alejándose), podemos concluir que la frecuencia percibida por un observador en reposo con una fuente en movimiento será:

. Principio de la ecosonda:

https://www.youtube.com/watch?v=bDNAa_iN3Bghttps://www.youtube.com/watch? v=bDNAa_iN3BgUna ecosonda es un instrumento para detección acústica usado para medir la distancia existente entre la superficie del agua y objetos suspendidos en el agua o que reposan en el fondo. Es un equipo esencial para la navegación segura ya que el ecosonda detecta los objetos sumergidos emitiendo pulsos sónicos que envía el transductor, el cual se instala en el casco o se hace descender hasta la profundidad deseada a fin de medir los ecos reflejados. Al igual que el sonar, la ecosonda consta de un "gabinete" o pantalla y de un "transductor". Normalmente el gabinete se instala en el puente de mando y está compuesto de un registrador, un transmisor y un receptor. El registrador hace funcionar el transmisor y marca el eco después de que el receptor lo ha amplificado cerca de un millón de veces. El transductor, que está instalado en el fondo de la embarcación, trabaja como un parlante para el transmisor y como un micrófono para el receptor. En la unidad registradora, los ecos son marcados por una pluma o aguja que pasa sobre un papel especial o grabados en cinta magnética para su utilización digital.

Ultrasonido: El ultrasonido es una onda acústica cuya frecuencia está por encima del límite perceptible por el oído humano (aproximadamente 20 KHz). Muchos animales como los delfines y los murciélagos lo utilizan de forma parecida al radar en su orientación. A este fenómeno se lo conoce como eco localización. Se trata de que las ondas emitidas por estos animales, son tan altas que “rebotan” fácilmente en todos los objetos alrededor de ellos, esto hace que creen una “imagen” y se orienten en donde se encuentran. Detección de ultrasonidos Ya hemos visto diversos métodos que permitían generar ondas ultrasónicas. Nos preguntamos ahora por la existencia de sistemas de detección y medida de ultrasonidos. Estos sistemas son importantes puesto que, en ciertas ocasiones, necesitaremos medir un campo ultrasónico para conocer sus características; otras veces, la energía recibida habrá que convertirla en otro tipo de energía; y habrá otros casos en los que el objetivo último sea simplemente la detección cualitativa de los ultrasonidos. Veamos los distintos tipos de detectores que existen.     

Detectores mecánicos. Detectores eléctricos. Detectores electrónicos. Detectores calorímetros. Detectores ópticos

PROCEDIMIENTO -Parte A Realizar el respectivo arreglo. Se fijó un ángulo a =45o, posterior a esto se empezó a variar el ángulo’ de 30o a 60o, en pasos de 1o midiendo la amplitud del voltaje de l señal del receptor. Confirmando la ley de reflexión Se ubicó el ángulo ’=80o, y determinando el ángulo de reflexión, al variar’ encontrando la lectura máxima de voltaje.

-Parte B Demostración cualitativa del principio de una ecosonda. Realizar el respectivo montaje para esta parte. Se procedió a variar la distancia entre los dos transductores ultrasónicos y la placa de reflexión, observando la señal del receptor del osciloscopio. Se coloco un segundo objeto entre las placas y los transductores, y se observó la señal.

TABLAS β

U[V] 45 48 51 54 57 60 63 66

3 2,2 1,2 1 0,8 0,7 0,3 0,25

U2[V] 9 4,84 1,44 1 0,64 0,49 0,09 0,0625

α=90-α 10 20 30

β=90-β 10,5 19 27

ANALISIS E INTERPRETACION DE DATOS Parte A 1. Grafique la intensidad reflejada (cuadro de la amplitud de voltaje U 2 en el receptor) como una función de ángulo β para un ángulo fijo α=45. Analice como es la distribución de intensidad. Determine la anchura angular del valor medido de la distribución de intensidad. β

U[V] 33 36 39 42 45 48 51 54 57 60 63 66

U[V] 0,2 0,25 1 2,2 3 2,2 1,2 1 0,8 0,7 0,3 0,25

0,04 0,0625 1 4,84 9 4,84 1,44 1 0,64 0,49 0,09 0,0625

Intensidad reflejada vs. β 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 30

35

40

45

50

55

60

65

70

Según la gráfica se observa que la intensidad es mayor para un ángulo determinado dicho ángulo es denominado ángulo de incidencia; de acuerdo a la ley de reflexión la intensidad es mayor cuando tanto el ángulo de incidencia como el ángulo de reflexión son el mismo. Tomando como referencia el β=45 o ángulo de incidencia se observa que a medida que se aleja de esta posición la intensidad reflejada disminuye considerablemente 2. Grafique el ángulo de reflexión β vs. el ángulo de incidencia α. Halle la pendiente. ¿Se confirma la ley de reflexión? ¿Con que exactitud? (Determine el factor de correlación de la regresión lineal y la diferencia del valor obtenido con el valor esperado) α=90-α 10 20 30

β=90-β 10,5 19 27

β vs. α 30 f(x) = 0.83x + 2.33

25 20 15 10 5 0

5

10

15

20

25

30

35

Si se confirma la ley de reflexión, con una exactitud del 99% de acuerdo al factor de correlación; la correlación lineal es positiva (si sube el valor de una variable sube el de la otra). La correlación es tanto más fuerte cuanto más se aproxime a 1.

PARTE B

t(s) para s=d

d(m)

V=

d t

t(s) para s=2d

0,2

0,000675

0,00135

0,4

0,0012

0,0024

0,6 0,8

0,001725 0,0025

0,00345 0,005

1

0,00304

0,00608

1,2

0,0035625

0,007125

V (m/s) 296,2962 963 333,3333 333 347,8260 87 320 328,9473 684 336,8421 053

V

V

1=

0,2 0,000675 = 296,29

prom =

327,2

s=2d 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

m s

m s

t 0,00135 0,0024 0,00345 0,005 0,00608 0,007125

0.01

0.01

0.01

f(x) = 0.01x + 0

0.01

0.01

0.01

0.01

Tiempo de transíto [s]

0

0

0

0

0

0

0 0

0

0.2

0.4

0.6

0.8

Distancia s=2d [m]

V= 331,6

m s

Para T= 25°C V= 346,6 °C

+ ( 0,6

m T s ) °c

1

1.2

1.4

5.)

experimental |Valor te ó rico−Valor |∗100 Valor te ó rico

Error =

|346,6−327,2 |∗100=5,5972 346,6

Error =

Error =5,5972

NJ

CONCLUSIONES



Según lo observado en la primera grafica podemos decir que la intensidad aumenta para el ángulo de incidencia, y se demuestra que la ley de reflexión, donde en cuanto el ángulo de incidencia y el ángulo de reflexión es igual, la intensidad aumenta.

 A medida que nos acercábamos al emisor y receptor en la segunda parte del nuestro experimento, se encontraban una mayor cantidad de aberraciones, lo cual hizo imprecisa la lectura de los datos y por ende se puede presentar mayor porcentaje de errores. 

De la gráfica de la primera parte se observa que la intensidad es mayor para el ángulo de incidencia; de acuerdo a la ley de reflexión la intensidad es mayor cuando tanto el ángulo de incidencia como el ángulo de reflexión



son el mismo. Podemos ver que para la segunda parte el error de la velocidad el sonido es algo bajo, lo que nos lleva a concluir que la toma de datos aunque no fue totalmente precisa, se realizó de forma adecuada.