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UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Física
Laboratorio de Física III

B-L7 ULTRASONIDOS: Reflexión, Principio de una ecosonda. Efecto Doppler
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 quelas ondas sonoras, la diferencia es su frecuencia que es mucho mayor de 20000 Hz. Para materiales metálicos: se opera entre 1 y 5Mhz pero se pueden trabajar con frecuencias mucho mayores. Para materiales no metálicos: ej: cerámicos, trabajan con frecuencias menores de 1Mhz (¼, ½Mhz). Los ultrasonidos son de tres tipos: onda longitudinal: se propaga en tres medios. Onda transversal: se propaga ensólidos únicamente y Onda Rayleigh: se propaga en sólidos únicamente. En el estudio de ondas ultrasónicas se utilizan dos transductores idénticos, uno sirve de emisor y el otro de receptor. Las ondas ultrasónicas son generadas por oscilaciones mecánicas de un dispositivo piezoeléctrico del transductor. Inversamente las ondas ultrasónicas excitan oscilaciones mecánicas en cuerpos piezoeléctricos.OBJETIVOS • Medir la intensidad reflejada en un ángulo fijo de incidencia como función de la posición angular del receptor • Determinar el ángulo de reflexión • Confirmar la relación "ángulo de incidencia = ángulo de reflexión" • Demostrar el principio de una eco sonda. • Determinar la velocidad de sonido en el aire 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. • Medir el cambio de frecuencia percibido por un observador en reposo como una función de la velocidad v de la fuente de ultrasonidos. • Confirmar la proporcionalidad entre el cambio de frecuencia Δf y la velocidad v de la fuente de ultrasonidos. • Determinar la velocidad del sonido v en el aire. FUNDAMENTOS TEÓRICOS Dostransductores ultrasónicos - resonadores de flexión - sirven como transmisor y receptor, dependiendo de su conexión. Un cuerpo piezoeléctrico convierte energía eléctrica a mecánica. Cuando el voltaje de CA se aplica al cuerpo piezoeléctrico, el transductor configurado como transmisor proporciona una amplitud sonora suficientemente alta a dos frecuencias de resonancia diferentes (aprox. 40kHz y 48kHz).Recíprocamente, las ondas sonoras generan las oscilaciones mecánicas en el transductor cuando se configuró como receptor. La amplitud del voltaje de CA del piezoeléctrico resulta proporcional a la amplitud sónica. El primer transductor que puede ser considerado como una fuente ultrasónica tipo puntual, se pone en el punto focal de un reflector cóncavo para que se forme una onda plana. La señaldel segundo transductor, el receptor, se da en un osciloscopio vía un amplificador de CA. El cuadrado de la amplitud de esta señal sirve como una medida de la intensidad reflejada. La ley de reflexión "ángulo de incidencia = ángulo de reflexión" también se aplica a los ultrasonidos. El ángulo de reflexión está definido como el ángulo entre la perpendicular (con respecto a la superficie reflejada) yla máxima intensidad reflejada (vea la Fig. 1).

Figura 1A reflexión de ultrasonidos planos en una superficie plana α = ángulo de incidencia β = ángulo de reflexión

Los ultrasonidos se reflejan en las superficies de la frontera entre medios con diferentes resistencias a las ondas sonoras. Una dispositivo eco sonda (o "sonar") emite señales de impulsos ultrasónicos y mide el tiempo en el queuna señal se refleja de tal límite de superficie al receptor. Para simplificar la configuración, el transmisor y el receptor están en el mismo lugar. El tiempo entre la transmisión y la recepción se puede utilizar para determinar la distancia al objeto reflectante (si la velocidad del sonido se conoce), o para determinar la velocidad del sonido sobre una distancia conocida. Este método se...
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