I6

I6. COMPROBACIÓN EXPERIMENTAL DEL PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LA ECOSONDA INTEGRANTES:   

LIBARDO PINILLA RODRÍGUEZ GLORIA PATRICIA GOMEZ CACERES CESAR AUGUSTO APARICIO URIBE

2151042 ING MECANICA 2150773 ING INDUSTRIAL 2143674 ING METALURGICA

Si la música es la filosofía del sonido, el silencio es el pentagrama de la oración.  Anónimo.

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 objeto de la practica llevada a cabo cab o y su síntesis se halla en el presente informe elaborado al décimo día del mes de junio del 2017.

INTRODUCCIÓN El sonido es una onda mecánica es decir necesita un medio para su propagación, y la velocidad con que se propaga en un medio que no presenta cambios considerables en su presión o temperatura se considera constante y será determinada principalmente por la temperatura (ecuación 1). v  s  s ≈331.4+0.61·t  ecuación 1: donde 331.4 m/s es la velocidad del sonido en el aire a 0ºC. Para temperaturas cercanas al ambiente, la velocidad del sonido en el aire varía aproximadamente de forma lineal con la temperatura

Reporte de investigación del subgrupo 2, grupo O4 A, presentado al profesor NOMBRES APRELLIDOS en la asignatura de Laboratorio de Física III. Fecha: 13/06/2017.

conociendo la velocidad del sonido, se puede emitir este y medir el tiempo que tarda la onda en viajar desde el punto de emisión a un punto de reflexión y de regreso al punto de emisión con estos datos se puede cuantificar la distancia e incluso generar imágenes en lugares donde la visión falla. A este mecanismo se le conoce como ecosonda y en su desarrollo intervienen varios fenómenos como lo son la generación de ondas por efecto piezoeléctrico en un cristal de cuarzo estas ondas que se pueden generar son ultrasónicas es decir por encima de los 20000 Hz y no son perceptibles al oído humano algunos animales como los delfines y los murciélagos las usan en un proceso similar conocido como eco localización. Por último y no menos importantes los fenómenos de reflexión y difracción, entiéndase como reflexión el rebote de una onda de sonido en una superficie dura. El sonido que llega al obstáculo se llama sonido incidente y el sonido que se devuelve es el sonido reflejado. Cuando un sonido se refleja, generalmente cambia de dirección en que se propaga y pierde una cantidad de energía. La reflexión varía según la naturaleza de material reflectante. La ley de la reflexión describe la relación entre esos ángulos: El rayo reflejado está en el plano de incidencia. El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión (ver figura 1).

Y la refracción es un fenómeno que afecta a la propagación del sonido, y que consiste en la desviación que sufren las ondas en la dirección de su propagación, cuando el sonido pasa de un medio a otro distinto.

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La refracción es la curvatura de las ondas cuando entran en un medio donde su velocidad es diferente.

METODOLOGIA La práctica de laboratorio se llevó a cabo en tres fases metodológicas. En la primera fase se analizará la relación entre el voltaje y el ángulo del receptor  β a través del uso de ondas ultrasónicas, para esta fase se utiliza una superficie reflectante, un reflector cóncavo, transductores en modo transmisión y recepción, y finalmente un osciloscopio. El proceso a seguir consiste en fijar el emisor con un ángulo fijo α en 45°con la normal luego se ajustará el ángulo entre el receptor y la normal β en 30°, se varia el ángulo β cada tres grados y para cada ángulo se registra el valor de la amplitud de la onda voltaje así hasta llegar a β igual a 60°. En la segunda fase se utiliza el mismo montaje (figura1) para comprobar la ley de la reflexión. Se fijará los dos ángulos α y β  en 45° con la normal, enseguida se ajustará un nuevo ángulo α, y nuevamente se realizará un barrido para registrar el ángulo β que corresponda a la máxima intensidad captada por el receptor, es decir el ángulo de reflexión.

Figura 1 Montaje de las fases 1 y 2 de la practica.

Fuente: Video explicativo de YouTube Recuperado de: https://www.youtube.com/watch?v=np_ES3ac7dQ

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En la tercera fase se comprobará el principio de ecosonda para ello se divide la fase en dos partes. En la parte A, se realizará el proceso para determinar la velocidad experimental, se registra el valor de la temperatura, se toman ocho valores de distancias a la placa de receptor cada 10 cm y el tiempo de transito de la señal en cada una de las distancias. En la parte B, se analizará la distancia experimental por lo que se involucra un obstáculo, se deja la placa a una distancia constante y se varia la distancia del obstáculo tres veces cada 10 cm y se re gistran dos tiempos en cada caso, uno con respecto a la placa y el otro con resp ecto al obstáculo. Montaje de la figura2.

Figura 2 Montaje fase tres de la practica

Fuente: Video explicativo de YouTube Recuperado de: https://www.youtube.com/watch?v=np_ES3ac7dQ

TRATAMINETO Y ANALISIS DE DATOS Fase uno 40 (k Hertz) B (°) Voltaje 30 3,84 33 3,20 36 2,72 39 6,72 42 22,8 45 36,0 48 24,0 Reporte de investigación del subgrupo 2, grupo O4 A, presentado al profesor NOMBRES APRELLIDOS en la asignatura de Laboratorio de Física III. Fecha: 13/06/2017.

51 54 57 60

6,60 5,74 2,72 3,28

Voltaje vs B 40

36.0

35 30

22.8

24.0

25

El valor medio de la distribución de intensidad corresponde a la mitad de la máxima intensidad reflejada, para nuestro caso U Max= 36 [V]  U medio= 18[V]

   e    j    a    t 20     l    o    V

6.60

6.72

15

3.20

10

5.74

2.72

2.72

3.84

3.28

5 0 0

10

20

30

40

50

60

B (Receptor)

Para conocer la anchura angular del valor medio de la distribución de intensidad, debo conocer los valores dé los ángulos en nuestro caso va de (40 -41) ° a (47-48) °.

Fase dos  Alpha 10 20 30 40 50 60 70 80

B 11 22 31 41 49 61 69 78

Relacion entre angulos incidente y reflejado 90 80 70 60    a     h 50    p     l 40    A 30 20 10 0

y = 0.9548x + 2.2857 R² = 0.9987

Series1 Linear (Series1)

0

50

100

B

 Al realizar la regresión encontramos una recta con pendiente 0,9548 con corte en el eje e iguala 2,2857 y un factor de correlación de 99,87%. Analizando el comportamiento vemos que la gráfica es una línea recta con pendiente que Reporte de investigación del subgrupo 2, grupo O4 A, presentado al profesor NOMBRES APRELLIDOS en la asignatura de Laboratorio de Física III. Fecha: 13/06/2017.

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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.

Fase tres Parte A T= 26,1 [°C] d[m] t[s] 0,21 0,0013 0,31 0,0019 0,41 0,0025 0,51 0,0030 0,61 0,0036 0,71 0,0042 0,81 0,0048 0,91 0,0054 V prom= 333,65625

Vel [m/s] 323,07 326,31 327,99 339,99 338,88 338,09 337,55 337,37 [m/s]

Cálculos para d= 0,21 y t=0,0013 utilizando la ecuación s=v t --> S=2d V= 2d/t --> V = ((2) (0,21)/0,0013)= 323,07 m/s V=331,6 + 0,6T V=331,6 + 0,6(26,1) = 347,26 %Error= ((347,26-333,65) /347.26) * 100= 3,91%

Parte B d obst[m] 0,30 0,40 0,50

T= 26,1 [°C] d placa= 0.70m cte V obst t placa t obst[s] [m/s] [m/s] 0,0016 375,00 0,0045 0,0021 380,95 0,0042 0,0029 344,82 0,0044

V placa [m/s] 133,33 195,22 227,27

 Δt

 Δd

0.0029 0.0021 0.0015

0.40 0.30 0.20

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 A partir de los datos de la diferencia de tiempo Δt, es decir el tiempo del pulso entre los dos obstáculos y usando la velocidad del sonido calculada anteriormente (323.07), se encontrará la distancia entre los obstáculos ( Δd). S=vt pero como s=2d entonces: 2d= 333.65 (0.0029) d=0.48 luego el %E= ((0.48) -(0.40) /0.48) *100=16.6% 2d= 333.65 (0.0021) d= 0.35 luego el %E= ((0.35) -(0.30) /0.35) *100=14.2% 2d= 333.65 (0.0015) d= 0.25 luego %E= ((0.25) – (0.20) / 0.25) *100=20 %

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