Experimento: ondas de ultrasonido

Autor: S. Gil y E. Rodríguez.
Fuente: Física re-creativa.

Para cursos “un poquito” avanzados. El objetivo de este experimento es realizar un estudio experimental de ondas sonoras de alta frecuencia, fenómenos de reflexión, transmisión, interferencia y difracción. También se estudiará la respuesta de un sistema emisor-receptor de ultrasonido en función de la frecuencia, así como un análisis de Fourier de señales periódicas.
Se dispone de un emisor acústico que puede emitir ondas puras de alta frecuencia (ultrasonido a una frecuencia de 20 kHz) y de un receptor de estas ondas. Ambos dispositivos están en un circuito como el de la figura, de modo tal de poder comparar las señales de emisión y recepción tanto en sus formas de onda, amplitudes y fases relativas.
Se trata de un dispositivo experimental para estudiar la propagación de ondas de ultrasonido. El mismo consiste en un emisor de ultrasonido excitado por un generador de funciones (GF), una resistencia que permite medir la corriente que pasa por el mismo. Esta señal se conecta a uno de los canales de un osciloscopio. El otro canal del mismo se conecta a la salida del receptor de ultrasonido.

Primea actividad: Respuesta en frecuencia del sistema.
Colocar el receptor enfrentado al emisor a una distancia de unos pocos centímetros.
Obtener la curva de respuesta del par emisor-receptor en función de la frecuencia de excitación del emisor, cuando se lo excita con un voltaje alterno sinusoidal.
Medir con el osciloscopio la amplitud de la señal recibida por el receptor, Vr, y la amplitud de la excitación del emisor, Ve.
Representar gráficamente Vr/Ve en función de la frecuencia f de excitación. Determinar las frecuencias de resonancias (si hubiese más de una) y el semiancho de dichas curvas.
Determinar el factor de mérito (o factor de calidad) del sistema definido como Q=fo/Df, donde fo es la frecuencia de resonancia y Df es el semiancho de la curva de transferencia de potencia del sistema. Evaluar Q para cada frecuencia de resonancia.
¿Se puede decir si este factor de calidad es una propiedad del emisor, del receptor o de ambos elementos?
Estudiar la variación de fases relativas alrededor de las frecuencias de resonancia. Usando el osciloscopio en el modo XY, medir la diferencia de fase de las señales y discutir cómo varían estas figuras cuando las señales están en fase o desfasadas en p/2.
Cómo determinar la velocidad del sonido:
Trabajando en una frecuencia de resonancia, la más conspicua que se encuentre, estudiar la variación de las fases al variar la distancia emisor-receptor. ¿Qué observa? ¿Cómo explica sus resultados?
Representar en un gráfico la distancia entre emisor y receptor para las que se verifica que ambas señales están en fase, en función del orden n (=1,2,3, …) a las que se cumple tal condición.
¿Cómo se puede determinar la longitud de onda, l, de la onda de ultrasonido a partir de este gráfico? Explicar los argumentos.
Usando este resultado determinar la velocidad de propagación de las ondas en estudio. Estimar las incertidumbres de estas determinaciones. Discutir de qué factores (cantidades de influencia) pueden depender estos resultados.
Diseñar un experimento para medir la velocidad del sonido en un gas distinto del aire y estudiar el problema en función de la temperatura y presión del gas.
Para calcular la dependencia de la intensidad con la distancia:
Variar la distancia emisor-receptor, d, y medir Vr en función de d. ¿Qué ley obtiene para la función Vr(d)? ¿Se puede aproximar Vr(d) por una función potencial, es decir Vr µ dn? ¿Qué exponente n se encuentra? Analizar el resultado obtenido.

Segunda actividad: Análisis de Fourier.
Del primer estudio se deduce que los transductores de ultrasonido tienen resonancias muy agudas, siendo por lo tanto excelentes filtros de frecuencia fija. Utilizando una señal cuadrada de frecuencia f0 (una de las frecuencias de resonancia encontradas) aplicada al emisor, se puede bacer un barrido de frecuencia (en sentido descendente, discutir la razón de variar la frecuencia en sentido decreciente y no ascendente) y observar para cuáles frecuencias se observa máxima amplitud en el receptor.
¿Qué relación se encuentra entre los resultados y el desarrollo de Fourier de una onda cuadrada?
Realizar lo mismo con un voltaje de excitación triangular. ¿Qué se puede concluir de este estudio experimental acerca del teorema de Fourier?
¿Se puede reconstruir las ondas cuadrada y triangular a partir de los datos obtenidos?

Tercera actividad: Óptica física con ultrasonido.
Reflexión: Ubicar el receptor enfrentado a una pantalla plana y del mismo lado del emisor y medir la onda reflejada. Estudiar cómo varía el ángulo de reflexión en función del ángulo de incidencia. ¿Qué se puede concluir acera de la reflexión de ondas de ultrasonido?
Difracción: Colocar entre el emisor y el receptor una pantalla con una ranura de ancho a comparable a la longitud de onda l de las ondas en estudio. Desplazar el receptor perpendicularmente a la dirección de propagación de la onda. Para obtener un patrón de difracción del tipo de Fraunhofer los frentes de ondas incidentes deben ser planos. ¿Se cumple esta condición en el experimento? Tener esto en cuenta cuando se analizan los resultados. ¿Cómo se comparan los resultados con las preediciones teóricas? Repetir el experimento anterior colocando una pantalla con varias rendijas. Realizar el experimento usando distintos números de rendijas. ¿Qué conclusión se obtiene del análisis de todos estos resultados?

Contiene cálculos y fórmulas demostrativas.

Para descargar este experimento hacer clic aquí: http://www.mediafire.com/?yh3ov0mvj4eisc2