Física (plan 2002) 2023-2

Optativas, Introducción a la Acústica Contemporánea

Materia de 9 créditos, 6 horas a la semana: Horario tentativo: Martes y Jueves de 11:00 a 14:00 horas. Cita para presentar temario y discutir horario definitivo: jueves 26 y viernes 27 de Enero, 11:00 horas, Laboratorio de Acústica del Instituto de Ciencias Aplicadas y Tecnología, (ICAT) (otro horario laboratorio de fotofisica y películas delgadas ICAT).

Temario:

OBJETIVO GENERAL: Que el alumno se familiarice con la acústica a través de experimentos contemporáneos.

Metodología:

El curso consta de 6 experimentos. Cinco de ellos son básicos, presentados en la primera parte del temario, los cuales pretenden proveer al alumno de la herramienta conceptual, experimental y computacional básica de la acústica y de los parámetros acústicos más importantes. El sexto experimento se presenta como un proyecto adicional a desarrollar en donde se hace uso de los fundamentos aprendidos en los 5 primeros experimentos. Para este proyecto se presentan tres experimentos a modo de ejemplo o sugerencia, sin ánimo de restringir las propuestas que el profesor y/o el alumno pudieran plantear. Cada experimento presenta una somera descripción y el /los objetivos que se quieren alcanzar, así como las referencias particulares. Cada experimento está diseñado para desarrollarse en 2 ó 3 semanas, aunque los 3 últimos pretenden sentar las bases para posteriores desarrollos exhaustivos, y pueden ser ampliados en tiempo.

Materia Optativa, 9 créditos, 3 horas teoría, 3 horas laboratorio semanales.

Pre-requisitos: Fenómenos Colectivos.

Los tres primeros experimentos que se presentan a continuación utilizan una PC multimedia para reproducir y grabar sonidos. En estos experimentos se utiliza un paquete matemático computacional y se introducen los conceptos fundamentales de la acústica.

Experimentos 1. Generación de sonidos.

Descripción: Se introduce a los alumnos en el manejo de un paquete matemático computacional para el análisis y síntesis de sonidos. A si mismo se les enseña a programar la tarjeta de sonidos para adquirir, grabar y reproducir sonidos. Aprenden intuitivamente el teorema de muestreo, convertidores digital- analógico y analógico - digital y acondicionamiento de señales.

Objetivo: 1. Generar sonidos senoidales de diferentes intensidades, frecuencias, duración y formas de onda.

Objetivo 2.- Ilustrar diversos fenómenos psicofísicos de percepción sonora. Altura tonal, sonoridad, timbre, etc.

Referencias.

1.- Virginia Stinick and Kevin Bradley. Labs for signals and systems using MATLAB. Ed. PWS Publishing Company, 1996

2.- Stephen E. Derenzo. Interfacing a laboratory Approach using the microcomputer for Instrumentation, Data Analysis and Control. Prentice Hall, 1990.

3.- C. Sidney Burrus, J. H. Mc Clellan, A. V. Oppenheim, T. W. Parks, R. W. Schafer, H. W. Schuessler. Computer –Based Exercises for Siganal Proccesing using MATLAB. Prentice Hall, 1994.

Experimento 2.- Análisis de señales complejas.

Descripción: Se graban y analizan sonidos complejos como sonidos musicales y de voz y se analizan sus características temporales y en frecuencia.

Objetivo: El alumno conocerá la herramienta de análisis en tiempo y frecuencia, se enseñará el concepto de FFT. Se analizarán los conceptos de discretización, el teorema de muestreo y truncamiento o uso de ventanas de análisis.

Referencias.

1.- Jay M. French M. “ Data Acquisition using PC Multimedia Functions”. Sound and Vibrations, pp. 16-19. Febrary 2000

2.- E. Oran Brigham. The Fast Fourier Transform. Prentice Hall, 1980.

3.- Hwei P. HSU. Análisis de Fourier. Addison-Westewy, Iberoamericana, 1987.

Experimento 3. Principio de incertidumbre en tiempo - frecuencia.

Descripción: Este experimento con ondas clásicas, permite utilizar algunos de los conceptos e instrumentos utilizados en las dos primeras prácticas donde además se puede demostrar el principio de incertidumbre Df*Dt ³ 1. Aquí Dt es la longitud en tiempo de un pulso de onda mientras que Df es el rango de frecuencias en el pulso. Se da una derivación simple de esta relación. Se utiliza un generador de señales, un altavoz para reproducir la señal y un micrófono conectada a una computadora a través de una tarjeta de sonido, para almacenar señales de diferente duración. La señal detectada con el micrófono se analiza con FFT, determinando su ancho de banda.

Objetivo: Que el alumno aplique los conceptos aprendidos en las dos prácticas anteriores y que demuestre el principio de incertidumbre en tiempo - frecuencia.

Referencias:

1.-Charles A. Sawichi. “ Simple Uncertainty- Principle Experiment”. The Physics Teacher. Vol. 41, pp, 84-87, 2003

Los siguientes 2 experimentos extienden los conceptos en acústica como son impedancia acústica, respuesta impulso, velocidad de partícula, etc. Además de que permiten al estudiante aplicar lo aprendido y manipular algunos instrumentos de la acústica, como son micrófonos, generador de señales tubo de impedancias, además del análisis de resultados.

Experimento 4. Ondas sonoras en un ducto.

Descripción: El alumno aprende características como la respuesta en frecuencia de distintas señales y la respuesta al impulso de la presión sonora y la velocidad de partícula en distintos puntos a lo largo del ducto, las frecuencias de resonancia (frecuencias naturales), las componentes de onda viajera de la presión sonora, y las distribuciones de presión sonora y velocidad de partícula a lo largo del ducto en condiciones de resonancia (modos naturales).

El dispositivo experimental recomendado para este experimento consta de un ducto de PVC (diámetro 4 pulgadas) con perforaciones (diámetro 1/2 pulgada) distribuidas uniformemente a todo lo largo (cada 10 cm) y cerradas con tapones de hule. El sonido se produce mediante un altavoz colocado en uno de los extremos del tubo. Se utilizan dos micrófonos colocados en dos perforaciones contiguas del tubo y sus señales se procesan para determinar, - con referencia al punto medio entre los micrófonos -, la señales de presión sonora, velocidad de partícula y ondas viajeras de presión sonora en ambos sentidos. Los micrófonos se colocan en los distintos pares de perforaciones del tubo a fin de realizar mediciones en distintas posiciones. Se realizan dos series de mediciones; el extremo del tubo opuesto al altavoz estará abierto en un caso, y cerrado con una tapa de PVC en el otro.

Objetivo: El alumno podrá determinar y aprender diferentes características del campo sonoro dentro de un ducto, en el régimen de ondas planas.

Referencias.

1. Felipe Orduña Bustamante, Marco Antonio Escobar Reina, Juan Ignacio Cervantes Cruz, ``El multímetro acústico: un sensor de ondas de sonido en ductos'', Memorias del XVI Congreso de la Sociedad Mexicana de Instrumentación SOMI, Querétaro, México, del 15 al 19 de octubre de 2001.

2. Marco Antonio Escobar Reina, Felipe Orduña Bustamante, ``Realización electrónica digital de un multímetro acústico'', Memorias del XVI Congreso de la Sociedad Mexicana de Instrumentación SOMI, Querétaro, México, del 15 al 19 de octubre de 2001.

3. Juan Ignacio Cervantes Cruz, Felipe Orduña Bustamante, ``Realización electrónica analógica de un multímetro acústico'', Memorias del XVI Congreso de la Sociedad Mexicana de Instrumentación SOMI, Querétaro, México, del 15 al 19 de octubre de 2001.

Experimento 5. Medición de la impedancia acústica.

En este experimento se utiliza el método del tubo de impedancia para medir el coeficiente de absorción acústica y la impedancia acústica específica de distintas terminaciones y distintos materiales, así como también la impedancia acústica y el coeficiente de pérdida por transmisión en una cámara de expansión y en un silenciador de automóvil. Se utiliza el mismo material del experimento 4.

Objetivo: El alumno aprenderá los conceptos de impedancia y atenuación, y podrá determinar coeficientes de absorción sonora en incidencia normal en materiales.

Referencia.

1. Thomas D. Rossing, ``Experiments with an impedance tube in the acoustics laboratory'', American Journal of Physics 50(12), pp. 1137-1141, Dec. (1982).

Los siguientes experimentos son ejemplos de proyectos de investigación contemporáneos a desarrollar para fin de curso que pueden ser instrumentados entre otros que el profesor proponga.

Experimento 6.- Oscilador Termoacústico.

Descripción: El alumno construye un oscilador termoacústico con base en materiales sencillos y fáciles de conseguir. Este tipo de oscilador genera sonido utilizando el flujo de calor que ocurre de una región hacia otra de menor temperatura. Para entender el funcionamiento del oscilador, se hace uso de la teoría que describe el fenómeno termoacústico aplicando la simplificación de la “máquina corta”, de tal manera que las ecuaciones resultantes para describir el fenómeno sean relativamente simples. El análisis de estas ecuaciones permite además elegir las características geométricas adecuadas y los materiales propicios para optimizar el funcionamiento del oscilador. Se propone emplear el oscilador construido y las ecuaciones obtenidas para estudiar las ondas estacionarias. El material a usarse consiste en un tubo de ensaye, una resistencia eléctrica, un pedazo de convertidor catalítico de desecho, y una fuente de corriente.

Objetivo: Que el alumno conozca y comprenda las propiedades básicas de las ondas sonoras estacionarias y resonadores, así como la interacción de las ondas sonoras con fronteras sólidas. Se espera que además el alumno sea capaz de interpretar el fenómeno termoacústico.

Referencias:

1.- G. W. Swift, “Thermoacoustic Engines”, J. Acoust. Soc. Am., 84(4), 1988.

2.- S. L. Garrett and S. Backhaus, “The Power of Sound”, American Scientist, Vol. 88, No. 6 Noviembre-Diciembre 2000.

Experimento 7.- Mediciones Fotoacústicas.

Descripción: En el efecto fotoacústico se generan señales acústicas con pulsos cortos de ondas electromagnéticas. Se presenta el modelo fenomenológico de la generación de señales fotoacústicas, se introducen conceptos de estado sólido, de velocidad de sonido en sólidos y transiciones de fase. Se enseñan los principios básicos del uso de láseres y transductores ultrasónicos. Se utilizan láseres pulsados de pulsos cortos (7 ns) y se detecta la señal acústica generada con sensores piezoeléctricos ultrasónicos.

Objetivo: El alumno se familiariza con el efecto fotoacústico y lo aplique para determinar velocidad de sonido en materiales homogéneos y determina una transición de fase en una cerámica.

Referencias.

1.- L.R.F. Rose. “Point-source representation for laser-generated ultrasound”. J. Acoust. Soc. Am. Vol. 75, No. 3, pp. 723, 1984.

2.-Terry Sandertson, Charles Ume, Jacek Jarzynski. “Laser generated ultrasound: a thermoelastic analysis of the source” Ultrasonics. Vol. 35, pp. 115, 1997.

3.- Mayo Villagrán, Rosalba Castañeda, Vicente Torres. " photoacoustic effect Applied to Sound Speed Measurement”, SPIE-Int. Soc. Opt. Eng. Proceedings of Spie - The International Society for Optical Engineering,USA, Vo. 4588, pp. (2002).

4.- R. Castañeda Guzmán. “Análisis de transiciones de fase en materia condensada por fotoacústica de láser pulsado “ Tesis Doctorado. IIM, UNAM. 2002.

Experimento 8.- Sonoluminiscencia.

Descripción: La sonoluminiscencia es el fenómeno inverso a la fotoacústica, es decir se produce luz a partir de una excitación acústica de alta frecuencia. Se observan pulsos de 100 picosegundos de luz emitida por pequeñas burbujas atrapadas en agua. Las burbujas absorben la energía sonora, se expanden hasta 100 micrómetros y después colapsan hasta unos pocos micrómetros emitiendo luz. Repitiéndose el fenómeno periódicamente. La energía del sonido es concentrada un billón de veces (12 órdenes de magnitud) y emitida en forma de luz visible o ultravioleta. Hay una espectacular concentración de energía.

La producción del fenómeno de sonoluminiscencia es relativamente fácil de instrumentar y requiere material poco sofisticado. Un matraz lleno de agua desgasificada (se le ha extraído el aire) un amplificador de sonido, dos piezoeléctricos y un osciloscópio, instrumentos que se enseña a utilizar. Una burbuja de aire se inyecta en un matraz con agua y se la somete al sonido simétrico de dos transductores piezoeléctricos que generan un nivel de intensidad sonora de 110 dB.

Objetivo: Que el alumno conoce el fenómeno de sonoluminscencia, se familiariza con alguno de los modelos actuales que explican el fenómeno y puede observarlo.

Referencias.

1.- http://eureka.ya.com/abmartin/indice_menu.htm http://webpages.ull.es/users/mmateo/SONO/SONOES.htm

2.-Yuri T. Didenko, William B. McNamara III, Kenneth S. Suslick “ Effect of Noble Gases on Sonoluminescence Temperatures during Multibubble Cavitaction”, Phys. Rev. Lett. Vol. 84, No. 4 pp 777, 2000.

3.- V. Talanquer, David W. Oxtoby. “ Nucleation of Bubbles in binary fluids”. Chem. Phys. Vo. 102 No. 5, pp. 2156, 1995.

(Tenemos cámara anecoica y reverberante, analizadores de Fourier, generadores y sensores de sonido, láseres y demás instrumentación).