Actividad P42: Ondas de Sonido(Salida de poder, Sensor de sonido)

Equipo Necesitado Cantidad Equipo Necesitado CantidadSensor de Sonido (CI-6506B) 1 Altavoz (WA-9303) 1

Instrumento Musical 1 Diapasones (SF-9326) 1 set

¿Que opinas?

Si tu pudieras ver un sonido, a qué se parecería? ¿Pudiera un tono musical

puro lucir diferente que un grito? ¿Qué acerca de un estornudo?

Toma tiempo para responder la pregunta “¿qué opinas?” en el informe de

laboratorio.

Fondo

La mayoría de los sonidos que escuchamos son ruidos. El impacto de un

objeto al caer, el aplauso de manos, el sonido del tráfico, y la mayoría del

habla humano son ruidos. El ruido corresponde a una vibración irregular del

tímpano producido por algunas fuentes irregulares de vibración.

El sonido de una música tiene una característica diferente, teniendo más o

menos tonos periódicos producidos por alguna fuente de vibración regular.

(Por supuesto, los instrumentos musicales pueden hacer ruido de la misma

forma). Un gráfico que pueda representar sonidos musicales tiene una forma

que se repite a si misma una y otra vez. Dichos gráficos pueden ser

mostrados en la pantalla de un osciloscopio cuando la señal eléctrica de un

Sensor de Sonido es medida.

Pitágoras encontró que las notas tocadas juntas en instrumentos musicales

fueron satisfactorias para el oído cuando los radios de la longitud del cuerda

fueron radios de alta intensidad. Galileo introdujo el concepto de frecuencia.

Una secuencia de notas de frecuencia creciente crea una escala musical.

Muchas escalas diferentes existen. La escala musical más simple en muchas

culturas del oeste es “mayor escala” (por ejemplo, “do-re-mi-fa-so-la-ti-do”).

En esta escala, el radio entre frecuencias de dos notas sucesivas es 9:8, 10:9,

o 16:15. Por ejemplo el radio de “re” (297 Hz) a “do” (264 Hz) es 9:8 (o

1,125). La mayoría de la música escrita en el mundo del oeste utiliza la

“escala templada”, la cual contiende 30 notas y 12 intervalos. El radio entre

todas las notas sucesivas es exactamente el mismo (1,05946).

Para que tu lo hagas:

Esta actividad tiene dos partes. En la primera parte, utilizar el programa

DataStudio o el programa ScienceWorkshop para generar señales de salida a

un altavoz. Utilizar el sensor de sonido para medir sonidos del altavoz. En la

segunda parte, utilizar el sensor de sonido para medir sonidos de un

instrumento tal como una armónica o una grabadora y de una voz humana.

Utilizar el programa para monitorear y mostrar señales de entrada medidas

por el sensor de sonido.

PARTE IA: Configuración de la Computadora.

1. Conectar la interface de ScienceWorkshop a la computadora,

encenderla, y encender la computadora.

2. Conectar el conector DIN del sensor de sonido al canal análogo A.

3. Conectar el altavoz al puerto de ‘SALIDA’ en la interface.

4. Abrir el documento titulado como se muestra:

DataStudio ScienceWorkshop(Mac) ScienceWorkshop(Win)P42 Sound.DS P32 Ondas de

Sonido(Sound Waves)P32_SOUN.SWS

El documento abre con una visualización de amplitud (Scope) y una

visualización de transformación rápida de Fourier (FFT). La salida

del generador de señales está puesta para comienzo y detención

automáticos con grabación de datos.

El archivo de DataStudio también tiene una visualización de libro de

trabajo. Lea las instrucciones en el libro de trabajo.

El archivo de ScienceWorkshop también tiene una ventana del

Generador de Señales.

PARTE IIA: Calibración de Sensor y Configuración de Equipo.

No se necesita calibrar el sensor de sonido.

1. Colocar el sensor de sonido en frente del altavoz, así el sensor de

sonido puede detectar la señal.

PARTE IIIA: Grabación de Datos – Generar Tonos Musicales.

1. Comenzar a grabar datos. (En DataStudio, hacer click a ‘Start’. En

ScienceWorkshop, click a ‘MON’.)

2. Mantener el sensor de sonido cerca del altavoz. Colocar la primera

frecuencia del generador de señales a 264 Hz. (‘do’ en ‘mayor escala

justa’).

Click en ‘Frecuencia’ para vetear el valor y escribir el nuevo valor.

Presionar <enter> o <backspace ó return> para activar la nueva

frecuencia.

3. Examinar la visualización del FFT. Comparar el valor de la frecuencia

fundamental en el FFT a la salida de frecuencia en el generador de

señales.

Utilizar la ‘Herramienta Inteligente ó Smart Tool’ (en DataStudio) o el

‘Cursor Inteligente ó Smart Cursor’ (en ScienceWorkshop) para medir

la frecuencia fundamental en el FFT.

4. Repetir el proceso para el resto de las frecuencias en la primera escala

musical (la escala diatónica).

Nota Nombre de Letra Frecuencia(Hz)Do C 264Re D 297Me E 330Fa F 352So G 396La A 440Ti B 495do C(alto octavo) 528

5. Repetir el proceso para las frecuencias en la segunda escala musical (escala cromática

templada).

Nota Nombre de Letra FrecuenciaDo C 262

C Fino 277Re D 294

D Fino 311Me E 330Fa F 349

F Fino 370So G 392

G Fino 415La A 440

A Fino 466Ti B 494do C (Octavo alto) 524

6. Click en ‘Stop’ para terminar.

PARTE IB: Configuración de la Computadora.

1. Utilizar la misma configuración como en la parte A. Sin embargo, no

necesitarás utilizar la característica de ‘salida’ ó ‘output’. Click en el

botón ‘AUTO’ en la ventana del generador de señales para apagar la

salida de señales automática.

2. Desconectar el altavoz de la interface.

PARTE IIB: Calibración del Sensor y Configuración del Equipo.

Tu no necesitas calibrar el sensor de sonido.

1. Colocar el instrumento musical, entonces podrás reproducir tonos

musicales en el sensor de sonido.

Parte IIIB: Grabación de Datos – Instrumentos Musicales.

1. Comenzar a grabar datos. (Recuerda: Hacer click en ‘MON’ en Science

Workshop). Los datos deberían aparecer en la visualización de

amplitud (Scope) y en las visualizaciones de FFT.

2. Reproducir una sola nota (por ejemplo, medio C) dentro del sensor de

sonido.

3. Examinar la forma de la onda del sonido musical en la visualización de

amplitud (Scope)

4. Medir la frecuencia fundamental en la visualización de FFT. Si la forma

de la onda tiene frecuencias armónicas, utilizar la ‘herramienta

Esta parte es más fácil de hacer con una pareja quien pueda correr la computadora y

mantener el sensor de sonido mientras tu puedas reproducir el instrumento musical.

inteligente’ (‘SmartTool’) ó ‘cursor inteligente’ (SmartCursor) para

medir y grabarlos todos también.

¿Cómo puedes distinguir las armónicas de una frecuencia fundamental

en la visualización FFT?

5. Repetir el proceso para una noda diferente.

6. Hacer click en Stop para terminar.

PARTE IC: Configuración de la Computadora.

Utilizar la misma configuración como en la parte B.

PARTE IIC: Calibración de Sensor y Configuración de Equipo.

No necesitas calibrar el sensor de sonido.

1. Colocar el sensor de sonido para que grabe tu voz.

PARTE IIIC: Grabación de Datos – Voz

1. Comenzar a grabar datos. (Recuerda: Hacer click en ‘MON’ en

ScienceWorkshop) Los datos deberían aparecer en las visualizacións de

amplitud (Scope) y FFT.

2. “Cantar” un solo tono en el sensor de sonido.

3. Examinar la forma de la onda de tu canto en la visualización de

amplitud(Scope). Experimenta tratando diferentes sonidos vocales

aproximadamente la misma afinación. Por ejemplo, cambia de “OO” a

“EE” a “AH” a “UU” a “AY”. Trata otras formas bucales.

4. Medir las frecuencias fundamentales y armónicas en la visualización

FFT.

5. “Silba” una sola nota en el sensor. Examinar la forma de la onda en el

amplitud (Scope) y mide las frecuencias fundamentales y armónicas en

la visualización FFT.

6. Cambia la afinación de tu silbato. Examina la onda y mide las

frecuencias.

7. Detener el monitoreo de datos.

Nombre _________________ Clase ___________ Fecha ___________

Informe de Laboratorio – Actividad P42: Ondas de Sonido.

¿Qué piensas?

Si pudiéramos ver un sonido. ¿Cómo parecería? ¿Podría un tono musical puro lucir

diferente que un grito? ¿Qué acerca de un estornudo?

Preguntas.

Analizando los datos: Generar Tonos Musicales.

1. ¿Cómo se comparan las notas en la escala diatónica de sonido con las

notas en la escala cromática?

2. ¿Algunas notas en cualquier escala tienen frecuencias armónicas?

Analizando los datos: Instrumento Musical

1. Describe la forma de la onda de una sola nota en el instrumento

musical. ¿Tiene frecuencias armónicas?

2. Si la nota tiene frecuencias armónicas, ¿Cómo el valor de cada

armónica se comparan con la frecuencia fundamental?

Analizando los datos: Voz.

1. Describe la forma de la onda de uno de tus tonos de canto. ¿Tiene

frecuencias armónicas.

2. ¿Cómo la forma de la onda de uno de tus tonos de canto se compara

con la forma de la onda de una sola nota del instrumento musical?

3. Si el tono tiene frecuencias armónicas, ¿Cómo el valor de cada

armónica se comparan con el valor de la frecuencia fundamental?

4. ¿Cuáles sonidos vocales tienen la onda menos compleja? ¿y cuál tiene

la más compleja?

Nombre _________________ Clase ___________ Fecha ___________

Actividad P43: Modos de Resonancia – SonómetroModos de Resonancia de una cuerda estirada.

(Amplificador de Poder, Sensor de Voltaje)Equipo Necesitado Cantidad Equipo Necesitado Cantidad

Amplificador de Poder (CI-6552) 1 Equipo Masivo (SE-8705) 1Sensor de Voltaje (CI-6503) 1 Sonómetro con bobinas (WA-

9757)1

¿Que opinas?

Una cuerda en un instrumento musical como una guitarra vibrará a una frecuencia

específica cuando se arrancan. La cuerda vibra a una frecuencia diferente si la longitud o

la tensión son cambiadas.

Si la tensión de la cuerda es constante, ¿Qué relación hay entre la longitud de una cuerda

estirada y las frecuencias en las cuales la resonancia ocurre.

Fondo.

Ondas Estáticas.

Una simple onda senoidal viajando a través de una cuerda estirada puede ser descrita por

la ecuación:

Donde y es amplitud, Ym es máxima amplitud, X es distancia horizontal, λ es longitud de onda, t es tiempo, y n es el número de antinodos.

Si la cuerda es fija en un final, la onda reflectará de nuevo cuando choca ‘ese’ fin. La onda reflejada interferirá con la onda original.

La onda reflejada puede ser descrita por la ecuación:

Asumiendo las amplitudes de estas ondas son suficientemente pequeñas para que el límite de elasticidad de la cuerda no se exceda, la forma de la onda será justo la suma de dos ondas:

Esta ecuación tiene algunas características interesantes. En un tiempo fijo, t0, la forma de la cuerda es senoidal con una amplitud máxima de:

En una posición fija en la cuerda, x0, la cuerda está en un movimiento armónico simple, con una amplitud de:

Por lo tanto, en los puntos de la cuerda donde x0 = λ/4, 3λ/4, 5λ/4, 7λ/4, etc., la amplitud de las oscilaciones serán un máximo (oscilaciones de ambas ondas refuerzan unas con otras). En los puntos de la cuerda donde x0 = λ/2, λ, 3λ/2, 2λ, etc., el amplitud de las oscilaciones serán cero. (oscilaciones de ambas ondas se cancelan unas con otras).

Esta onda es llamada la onda estática, porque no hay propagación de la onda a lo largo de

la cuerda. Cada punto de la cuerda oscila arriba y abajo con su amplitud determinada

dependiendo de las ondas que interfieren que refuerzan o se cancelan unas con otras. Los

puntos de máxima amplitud son llamados antinodos. Los puntos de cero amplitud son

llamados nodos.

Resonancia.

El análisis anterior asume que la onda estática está formada por la superposición de una

onda original y una onda reflejada. De hecho, si la cuerda es fija en ambos finales, cada

onda será reflejada cada vez que alcanza cualquiera fin de la cuerda. En general, las ondas

múltiples reflejadas no estarán todas en fase, y la amplitud del patrón de la onda será

pequeño. Sin embargo, en ciertas frecuencias de oscilación, todas las ondas reflejadas

están en fase, resultando en una onda de alta amplitud. Estas frecuencias son llamadas

frecuencias de resonancia o resonantes.

En esta actividad, la relación entre la longitud de la cuerda y las frecuencias en las cuales

la resonancia ocurre es investigada. Es demostrado que las condiciones de resonancia son

más fáciles de entender en término de longitud de onda del patrón de onda, más que en

términos de frecuencia. En general, la resonancia ocurre cuando la longitud de onda (λ)

satisface la condición:

Otra forma de declarar esta misma relación es decir que la longitud de la cuerda es igual a

un número de integrales de la mitad de la longitud de las ondas. Esto significa que la onda

estática es que el nodo de un patrón de onda existe naturalmente en cada final fijo de la

cuerda.

Para que tu hagas

En esta actividad, utiliza una bobina conductora conectada al amplificador de poder para

hacer vibrar un cable delgado que está estirado por dos puntos en un Sonómetro. Utiliza

el generador de señales en los controles de ScienceWorkshop o DataStudio controla la

frecuencia en la cual el cable vibra. Utiliza un sensor de voltaje conectado al detector de la

bobina en el sonómetro para medir la amplitud del cable que vibra.

Utiliza el ScienceWorkshop o DataStudio para mostrar la señal de salida que controla la

bobina conductora, y la señal de entrada del detector de la bobina. Determina las

frecuencias resonantes del cable estirado por ver la amplitud de la señal de entrada del

detector de bobina.

PARTE I: Configuración de la Computadora.

1. Conecta la interface del ScienceWorkshop en la computadora, prende la interface

y prende la computadora.

2. Conecta el conector del Sensor de Voltaje DIN al canal análogo A en la interface.

3. Conectar el amplificador de poder al canal análogo B de la interface.

4. Abrir el documento titulado como se muestra:

DataStudio ScienceWorkshop (Mac) ScienceWorkshop (Win)P43 Sonometer.DS P34 Resonance Modes 1 P34_SONO.SWS

El documento de ScienceWorkshop se abre con la ventana del Generador de

Señales, una visualización de amplitud(Scope), y una visualización de Espectro de

Frecuencia (FFT).

La visualización de amplitud (Scope) es puesta para mostrar el voltaje de un

amplificador de poder (salida de voltaje) y el voltaje del detector de bobina

(Voltaje, Canal A).

PARTE II: Sensor de Calibración y Configuración de Equipo.

No necesitas calibrar el sensor de voltaje o amplificador de poder.

1. Colocar el sonómetro al extremo de una tabla, entonces la palanca de tensión se

extiende más allá de la tabla.

2. Comenzar con los puentes 60cm aparte. Seleccionar uno de los cables que está

incluído con el sonómetro. Adjuntar el cable a la clavija en el cilindro con mando

de ajuste de la cuerda, y a la ranura redonda en la sección vertical de la palanca de

tensión.

3. Colgar una masa de aproximadamente 1kg de la segunda muesca en la palanca de

tensión. Utilizar el mando de ajuste de la cuerda para apretar o aflojar el cable

mientras que la palanca de tensión es horizontal.

4. Posiciona la bobina conductora aproximadamente 5cm de uno de los puentes.

Conectar los conectores de la bobina banana a la salida del amplificador de poder.

5. Posiciona el detector de la bobina cerca del centro del cable entre los dos puentes.

Adjunta el conector BNC en el cable en el cable del detector de la bobina al

adaptador de enchufes BNC banana. Conectar los enchufes banana del sensor de

voltaje en los enchufes del adaptador de enchufes.

6. Calcular la tensión en el cable multiplicando el número de muescas en la palanca

de tensión por el peso de la masa colgante (masa(kg) x 9,8N/Kg).

7. Grabar la longitud, tensión y densidad linear del cable en la sección del informe de

laboratorio.

PARTE IIIA: Grabación de Datos – Frecuencia Fundamental.

Frecuencia Fundamental.

La frecuencia fundamental es la frecuencia natural en la cual el cable vibra cuando

está suspendido.

1. Utilizar la visualización de Espectro de Frecuencia (FFT) para medir el valor

aproximado de la frecuencia fundamental del cable en el sonómetro.

Desactivar la ‘señal automática de salida’. Hacer click en ‘AUTO’ en la ventana de

generador de señales para desactivar la característica de salida de señal

temporalmente.

Comenzar a medir. Hacer click en ‘MON’ en ScienceWorkshop o ‘Start’ en

DataStudio para comenzar a monitorear datos.

Suspender el cable cerca del centro de su longitud. Como el cable vibra, la

visualización del espectro de frecuencias (FFT) mostrará la frecuencia fundamental

grabada por del detector de bobina. Utiliza el cursor inteligente (SmartCursor)

(ScienceWorkshop) o la herramienta inteligente ‘SmartTool’ (DataStudio) para

encontrar la frecuencia fundamental del cable.

Click en ‘STOP’ para terminar de medir.

2. Configurar el generador de señales. Click en la ventana del generador de señales

para hacerlo activo y colocar la frecuencia en la ventana del generador de señales,

en un valor que es aproximadamente la mitad de la frecuencia fundamental del

cable. (Por ejemplo, si la frecuencia fundamental es 110 Hz, colocar la frecuencia

en la ventana del generador de señales a 55 Hz.

3. Activar la ‘Señal automática de salida’. Click en ‘AUTO’ en el generador de señal

para activar la característica de señal automática de salida.

Ajuste de Frecuencia.

En la ventana del generador de señales, tu puedes entra un valor para la

frecuencia desde el teclado. Click en el valor de frecuencia para marcarla. Escribe

el nuevo valor y presiona <return> o <enter> para aceptar el valor.

También puedes ajustar la frecuencia en el generador de señales utilizando el

cursor.

En DataStudio, click en las flechas ‘derecha-izquierda’ para cambiar el incrementeo

de frecuencia. Click en los botones ‘sumar-restar’ para ajustar la frecuencia.

En ScienceWorkshop, click en las flechas ‘arriba/abajo’ para ajustar la frecuencia.

En ScienceWorkshop, ajusta la cantidad de cambio frecuencia para cada click de

‘arriba/abajo’ con las siguientes teclas:

Tecla (con click) Cambio de Frecuencia Tecla (con click)Macintosh ® Windows ™Tecla Shift 100 Hz Tecla ShiftTecla “N” 10 Hz Tecla “No”Tecla de control 0 Hz Tecla Ctrl (control)Tecla de opción 0,1 Hz Tecla AltTecla de comando 0,01 Hz Teclas Ctrl + Alt

NOTA: La razón por la cual la conducción de frecuencia en el generador de señales debería ser

aproximadamente la mitad de la frecuencia fundamental, es porque la bobina conductora (un

electroimán) empuja en el metal del cable dos veces por ciclo. Por tanto, si tu colocar la

frecuencia conductora a 60 Hz, el cable vibrará a 120 Hz.

Grabar el modo de resonante fundamental.

1. Click en ‘MON’ o ‘Start’ para empezar a medir de nuevo. Observa la mitad del área

del cable, y las trazas en la visualización de amplitud (Scope).

Las frecuencias que resultan en máxima amplitud (vibración de cuerda) son

frecuencias resonantes. Cuando la resonancia ocurre, el voltaje del detector de

bobina estará a su máxima amplitud.

2. Ligeramente ajusta la señal de la frecuencia arriba y abajo. Observa el cable y las

trazas en la amplitud. La menor frecuencia a la cual la resonancia (y máxima

amplitud) ocurre es la primer, o la fundamental, modo resonante. Cuando tu estás

satisfecho de que el cable está en su modo resonante fundamental, graba la

frecuencia del generador de señales.

Segundo Modo Resonante.

3. Encuentra el segundo modo resonante. Desliza el detector de bobina lejos de la

bobina conductora para que el detector de bobina esté a una posición aproximada

de tres cuartos de distancia entre los puentes.

4. Coloca la frecuencia del generador de señales a dos veces su frecuencia original.

Observa la vibración del cable. Ajusta la frecuencia arriba y abajo hasta que

pienses que el cable esté en su segundo modo resonante. Graba la frecuencia del

generador de señales. Calcule y grabe la frecuencia en el cual el cable está

vibrando.

“Recuerda que la frecuencia del generador de señal es la mitad de la frecuencia de

vibración”

Medir Posiciones de Antinodos.

5. Ligeramente ajusta la posición del detector de bobina como estaba antes y

adelante. Observa el cambio en amplitud de la traza en la visualización de

amplitud. Cuando creas que la bobina del detector esté debajo de un antinodo en

el cable, graba la posición del detector de bobina. Desliza el detector de bobina

hasta la posición central entonces estará debajo de un nodo en el cable (donde el

voltaje del detector está a su mínima amplitud).

Continúa deslizando el detector de bobina hasta que esté debajo de otro antinodo (a

aproximadamente un cuarto de la distancia entre los puentes). Mira la amplitud de

voltaje en la visualización de amplitud.

Cuando creas que el detector de bobina está debajo de un antinodo, graba la

posición de la bobina del detector.

“Nota: la distancia entre los antinodos es la mitad de la longitud de onda”

Modos Resonantes más altos.

6. Graba las frecuencias del generador de señales y las distancias entre los antinodos

adyacentes para los siguientes tres modos resonantes ajustando la frecuencia en la

ventada del generador de señales y deslizando el detector de bobina de un

antinodo al siguiente antinodo.

7. De tus resultados, calcula y graba la frecuencia de la vibración del cable y la

longitud de onda para cada patrón de resonancia que hayas descubierto.

(Recuerda que los nodos adyacentes son la mitad de longitud de onda de

alejamiento).

Graba tus datos en la sección del Informe de Laboratorio.

Nombre _________________ Clase ___________ Fecha ___________

Informe de Laboratorio – Actividad P43: Modos de Resonancia-Sonómetro

¿Qué opinas?

Una cuerda en un instrumento musical como una guitarra, vibrará a una frecuencia

específica cuando se suspende. La cuerda vibra a una frecuencia diferente si la longitud o

la tensión es cambiada.

Si la tensión de la cuerda es constante, ¿Qué relación hay entre la longitud de una cuerda

estirada y las frecuencias en la cual la resonancia ocurre?

Datos:

Distancia entre puentes = m

Densidad Linear = g/m

Tensión (muesca x masa x ‘g’) = N

Modo Señ. Gen. Freq. (Hz) Frecuencia de Cable (Hz)

Distancia de antinodo (m)

Longitud de onda (m)

PrimeroSegundoTerceroCuartoQuinto

Preguntas.

1. ¿Qué opinas de la relación que hay entre la longitud de una cuerda estirada y las

frecuencias en la cual la resonancia ocurre?

2. ¿Cuál es la forma de cada forma de onda?

3. ¿Qué relación hay entre el número de segmentos de antinodos y el número del

modo resonante?

4. ¿Qué relación hay entre la longitud de onda y la frecuencia de cada modo

resonante?

5. ¿Qué relación matemática hay entre la mínima frecuencia resonante y las

frecuencias altas en las cuales ocurre la resonancia?