Laboratorio de Acústica

Catalina E. Stern Forgach (Coordinadora)
Manuel Alvarado Reyes
Carmen Bazúa Durán
Marcos Ley Koo
Lucía Medina Gómez
Gerardo Ruiz Chavarría
Andrés Porta Contreras
Margarita Puente Leos

Objetivos

El objetivo fundamental del laboratorio de acústica del Departamento de Física de la Facultad de Ciencias de la UNAM es la formación de un grupo de trabajo que se dedique por un lado al desarrollo y la implementación de técnicas modernas para estudiar fenómenos acústicos, y por otro, al desarrollo e implementación de métodos que utilicen la propagación de ondas acústicas para estudiar diversos medios.

Sin embargo, también se desarrollan otros proyectos cuya liga directa con la acústica no es tan evidente. Por un lado, se hacen experimentos en fluidos puesto que hay un pequeño túnel de viento y un jet supersónico. Eventualmente estos estudios servirán para investigaciones más avanzadas en acústica. También se estudian nuevos métodos de adquisición y tratamiento de señales ya que éstos son fundamentales para analizar todos los datos experimentales. Además se trata de asesorar en lo posible a estudiantes que tengan alguna inquietud en acústica. Por ejemplo, se está estudiando el espectro de frecuencias de una guitarra según el lugar en el que es pulsada y se ve la posibilidad de colaborar por un lado con la escuela de laudería de Querétaro y por otro con el análisis de señales acústicas de Delfines.

Todos los colaboradores nacionales, profesores, investigadores y estudiantes, participan semanalmente (los martes a las 5 PM en el laboratorio de acústica, 3er piso de Física) en un seminario en el que se discuten ampliamente los avances y problemas de cada subproyecto o se invita a algún experto en alguno de los temas de interés.

Proyectos de Investigación

• Utilización de la difusión Rayleigh para estudiar la propagación de ondas acústicas en gases transparentes que fluyen a altas velocidades.
• Utilización de la difusión de ultrasonido para estudiar la vorticidad en flujos lentos.
• El estudio de las condiciones de adherencia entre dos sólidos a través de la transmisión de ultrasonido.
• El estudio de resonancias en piezoeléctricos laminados y en guías de ondas, un análogo acústico del efecto Stark.
• Diseño e integración de un excitador/receptor digital de pulsos de ultrasonido.
• Modificación de la estela producida por un cilindro inmerso en un flujo uniforme.
• Estudio estadístico de la turbulencia
• Acústica de delfines

Breve descripción de los proyectos:

Utilización de la difusión Rayleigh para estudiar la propagación de ondas acústicas en gases transparentes que fluyen a altas velocidades

Cuando se envía un haz de luz monocromática, como la de un láser, sobre un gas transparente, las moléculas dispersan la luz en todas direcciones. La suma de toda la luz dispersada da información sobre las fluctuaciones de densidad en el gas. En particular se puede mostrar que con la técnica montada en el laboratorio se puede obtener directamente la transformada de Fourier espacial, en función del tiempo, de las fluctuaciones de densidad. Las fluctuaciones de densidad pueden ser de origen térmico o deberse a cambios de presión. Estas últimas son ondas acústicas. En este proyecto tratamos de estudiar la propagación de ondas acústicas dentro de flujos rápidos utilizando la dispersión Rayleigh. Es la única técnica que permite hacerlo ya que no tendría sentido meter un micrófono dentro de un flujo rápido. Esta misma técnica nos permite medir la velocidad del flujo. También se ha desarrollado en el laboratorio una novedosa técnica de visualización de ondas de choque a través de la dispersión Rayleigh.

Este proyecto se lleva a cabo en colaboración con la École Polytechnique de Francia. Actualmente hay dos estudiantes de licenciatura y uno de maestría haciendo sus tesis en este proyecto.

Utilización de la difusión de ultrasonido para estudiar la vorticidad en flujos lentos

Una de las características más importantes de un flujo viscoso es la vorticidad que está relacionada con la velocidad angular local en un fluido. Esta propiedad es muy difícil de medir y normalmente es necesario medir primero el campo de velocidades y derivarlo. Sin embargo se ha encontrado que la señal obtenida a partir de la difusión de ondas acústicas es proporcional a la transformada de Fourier espacial de una componente de la vorticidad.

Este nuevo experimento está a punto de montarse y se realizará en colaboración con la Universidad de Grenoble y la Ecole Normale Supérieure de Lyon.

Una de las características más importantes de un flujo viscoso es la vorticidad que está relacionada con la velocidad angular local en un fluido. Esta propiedad es muy difícil de medir y normalmente es necesario medir primero el campo de velocidades y derivarlo. Sin embargo se ha encontrado que la señal obtenida a partir de la difusión de ondas acústicas es proporcional a la transformada de Fourier espacial de una componente de la vorticidad.

Este nuevo experimento está a punto de montarse y se realizará en colaboración con la Universidad de Grenoble y la Ecole Normale Supérieure de Lyon.

El estudio de las condiciones de adherencia entre dos sólidos a través de la transmisión de ultrasonido

Se trata de desarrollar un método no intrusivo para determinar las condiciones de adherencia entre dos sólidos, por ejemplo, las condiciones de una soldadura dentro de una tubería. Generalmente, estos estudios de adherencia se realizan destruyendo las piezas. En el laboratorio se está estudiando la relación entre las condiciones de adherencia y la transmisión de ultrasonido.

Ya se hizo una tesis de licenciatura en este tema y se continúa con el desarrollo del método.

El estudio de resonancias en piezoeléctricos laminados y en guías de ondas, un análogo acústico del efecto Stark

Se investigará la presencia de cierto tipo de resonancias en piezoeléctricos laminados y guías de ondas. Las resonancias de interés son similares a las Escaleras de Stark que descubrió Wannnier en 1962 que aparecen en el espectro de energías de los electrones de un cristal electrificado. En particular, interesa diseñar algunos sistemas piezoeléctricos y elásticos que sean fáciles de fabricar y que presenten estas resonancias. Se buscarán en piezocompuestos laminados y en guías de onda elásticas, primero con modelos teóricos, luego numéricos y finalmente físicos.

En este proyecto colaboran el Dr. Reinaldo Rodríguez y el estudiante de doctorado José Antonio Otero Hernández ambos de la Habana.

Diseño e integración de un excitador/receptor digital de pulsos de ultrasonido

Se pretende diseñar un control, que incluya un procesador de señales digitales, para la activación de convertidores DC-DC que exciten transductores de ultrasonido a diferentes voltajes; así como la etapa correspondiente a la recepción del pulso.

Es bien conocido que para números de Reynolds entre 50 y 200 un cilindro produce una estela consistente en 2 hileras de vórtices alternados. Introduciendo la rotación del cilindro (la velocidad angular puede ser constante o dependiente del tiempo) como un factor adicional, es posible modificar la emisión de vórtices y eventualmente eliminarlos. Usando técnicas de velocimetría de hilo caliente y de ultrasonidos se ha estudiado la supresión de la emisión de vórtices y las estructuras que se forman en la vecindad del cilindro. Para la realización de esta investigación se cuenta con la colaboración de un estudiante de licenciatura.

Estudio estadístico de la turbulencia

La turbulencia es un problema abierto en la física contemporánea que se aborda en el laboratorio mediante un enfoque estadístico. Con el fin de determinar si una señal es determinista o estocástica, en el pasado Kolmogorov y Shannon han introducido el concepto de entropía. El estudio que realizamos consiste en determinar las modificaciones que se producen en este comportamiento en una capa límite turbulenta y comparar con las predicciones que da el modelo multifractal de la turbulencia. En este tema hay un estudiante que realiza su tesis de licenciatura.

Nos encontramos en el tercer piso del Departamento de Física.