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Formación para la Investigación Escuela de Física, Facultad de Ciencias Universidad Industrial de Santander Construimos Futuro

I6. COMPROBACION EXPERIMENTAL DEL PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LA ECOSONDA. Joan Sebastián Martínez 2152647 – Ing. Civil. Juliana Torres Gómez 2132034 – Ing. Industrial. Laura Daniela Reyes Mardini 2151012 – Ing. Civil.

¿Por qué esta magnífica tecnología científica, que ahorra trabajo y nos hace la vida más fácil, nos aporta tan poca felicidad? La repuesta es ésta, simplemente: porque aún no hemos aprendido a usarla con tino. Albert Einstein.

RESUMEN El sonido es una de las principales ondas mecánicas de las cuales se vale el ser humano, el sonido comparte algunas cualidades con las ondas electromagnéticas como lo son una propagación en tres dimensiones, y los fenómenos de reflexión y refracción, estos últimos son la base teórica para la construcción de ecosondas usadas para determinar distancias entre objetos conociendo la velocidad del sonido o conocer la velocidad del sonido conociendo la distancia, precisamente las ecosondas así como la comprobación experimental de la teoría de los fenómenos de reflexión , refracción y determinación de la velocidad del sonido fueron el objeto de la practica llevada a cabo y su síntesis se halla en el presente informe.

INTRODUCCIÓN El principio de funcionamiento de la ecosonda, es básicamente el mismo principio del sonar, transmitir fuertes impulsos sonoros para luego captar y clasificar los ecos que servirán para ubicar la situación del objeto que los produce. La diferencia consiste en que, el ecosonda, mantiene la cara radiante (cristal), del transductor, siempre en posición vertical fija, dirigida hacia el fondo del mar; Y el transductor del sonar puede operar horizontal y lateralmente a voluntad. Al igual que el sonar, la eco-sonda consta de pantalla y de un “transductor”. Normalmente la pantalla 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.

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METODOLOGÍA Fase uno: En esta primera fase se observará la generación de las ondas de ultrasonido y se verificará la ley de la reflexión. Para esto, se contará con un transductor como transmisor ubicado en el punto focal de un reflector cóncavo, con el fin de formar una onda plana, la cual se propaga en el aire hasta una superficie reflectora. Luego la onda reflejada será captada por un transductor en modo receptor, el cual estará acoplado a un osciloscopio que registrará la onda de voltaje, cuya amplitud es proporcional a la amplitud de la onda de ultrasonido captada.

Fase dos: en ésta fase se verificará el principio de la ecosonda con el fin de obtener la velocidad del sonido y la distancia entre dos obstáculos. Para esto se realizará el montaje indicado en la foto. Se deben disponer los dos transductores piezoeléctricos, emisor y receptor, juntos y a la misma distancia d de la placa reflectora.

Fase tres: en esta fase se procesará la información obtenida en las primeras fases con el objetivo de demostrar la ley de la reflexión, verificar el principio de la ecosonda y obtener la velocidad del sonido.

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TRATAMIENTO DE DATOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS. 

PARTE A: Calcular la intensidad reflejada como función de la posición angular del transductor receptor. ALFA = 90° BETA(°)

U (v)

U^2

30

2.4

5.76

33

3.2

10.24

36

8.8

77.44

39 42 45

11.2 30.4 37.6

125.44 924.16 1413.76

48

18.4

338.56

54 57 60

12.8 4 1.6

163.84 16 2.56

TABLA 1.

U^2 (v)

βeta Vs U^2 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 0

10

20

30

40

50

60

70

βeta (grados °)

GRÁFICO 1.

La anchura angular del valor medio de la intensidad es el mismo ancho de la banda y corresponde aproximadamente a la mitad de la altura.

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Formación para la Investigación Escuela de Física, Facultad de Ciencias Universidad Industrial de Santander Construimos Futuro Para los siguientes cálculos tenemos los siguientes datos:

β Vs α

β(°)

Umax(V)

10

13

25.6

80

20

24

36.8

60

30

34

40

40

45

38.4

50

54

37.6

60

64

36.8

α (°)

α(°)

40 y = 1.0171x + 3.4 R² = 0.9992

20 0 0

10

20

30

40

50

60

70

β (°)

TABLA 2.

GRÁFICO 2. Al realizar la regresión encontramos una recta con pendiente 1.0171 con corte en el eje e igual a 3.4 y un factor de correlación de 99,92%. Analizando el comportamiento vemos que la gráfica es una línea recta con pendiente que tiende a la unidad, mostrando así una relación directa entre el ángulo de incidencia y el ángulo de reflexión lo que confirma la ley de la reflexión. 

PARTE B: Cálculo de la velocidad del sonido en el aire.

Convertimos todo al sistema internacional y hallamos la velocidad teniendo en cuenta que 𝑆 = 𝑉 ∗ 𝑡 → 2𝑑 𝑉= 𝑡 2d(m) 0.3 0.5 0.7 0.9 1.1 1.3 1.5

2d/t (m/s) 23.0769231 26.3157895 29.1666667 30 31.4285714 31.7073171 31.9148936

t(s) 0.013 0.019 0.024 0.03 0.035 0.041 0.047

Vprom= 29.08716591

TABLA 3.

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t Vs 2d 2

2d(m)

1.5 1 0.5 y = 356.47x - 0.1643

0 0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

t(s)

GRÁFICO 3. Al aplicar la regresión lineal obtuvimos una f(x)= 356.47x - 0.1643 la cual tiene una pendiente m=356.47 y representa el valor experimental de la velocidad del sonido. Teóricamente la velocidad del sonido corresponde a 𝑽 = 𝟑𝟑𝟏. 𝟔 + 𝟎. 𝟔𝑻 donde T corresponde a la temperatura; entonces tomando una T aproximada tenemos que: 𝑽 = 𝟑𝟑𝟏. 𝟔 + 𝟎. 𝟔(𝟐𝟔) 𝒎 𝑽 = 𝟑𝟒𝟕. 𝟐 ( ) 𝒔 Calculamos el error porcentual y obtuvimos que: %𝑒 =

𝑉𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜 − 𝑉𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙 ∗ 100 𝑉𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜

%𝑒 =

347.2 − 356.47 ∗ 100 = 𝟐. 𝟔𝟕% 347.2

PARTE C: Medición de distancias con la ecosonda. Se cambió todo al sistema internacional y se usó V=29.09(m/s) EXPERIMENTAL Δt(s) Δd(m)

CACULADO Δd(m) Error %

0.4

0.032

0.46544

0.5

0.027

0.392715 -27.3187935

0.6

0.022

0.31999

0.66

0.019

0.276355 -138.823253

0.7

0.016

0.23272

TABLA 4. 5

14.0598144 -87.5058596 -200.79065

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CONCLUSIONES ANEXOS

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