Manual de Simulación de Diferencia de Fase entre Ondas Sonoras

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Table of Contents

Introducción

Con esta completa simulación, puede visualizar y medir la diferencia de fase entre dos ondas sonoras utilizando dos micrófonos conectados a un osciloscopio. Además, puede determinar la velocidad del sonido en el aire midiendo la distancia entre los dos micrófonos cuando sus formas de onda están en fase, teniendo en cuenta la frecuencia de la onda sonora controlada por el generador de ondas sinusoidales.

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Simulación de osciloscopio que mide la diferencia de fase entre ondas sonoras utilizando dos micrófonos y un generador de señales — Simulación de Diferencia de Fase entre Ondas Sonoras

Usuarios Objetivo

Esta simulación es instrumental e informativa para estudiantes que desean realizar el experimento virtualmente sin necesidad de un laboratorio real (o en caso de escasez de equipo de laboratorio). Pueden registrar mediciones de diversas magnitudes físicas, como el desfase entre las dos formas de onda, la longitud de onda de la onda sonora y la frecuencia de la onda sonora, y a partir de estos resultados, pueden determinar la velocidad del sonido en el aire. La temperatura ambiente de este experimento está entre 25 °C y 30 °C.

La simulación también es invaluable y útil para profesores e instructores de laboratorio que desean involucrar a sus estudiantes en la realización de actividades de laboratorio sobre el sonido y sacar conclusiones y descubrir los principios subyacentes.

Recomiendo a los instructores que deseen aprovechar esta simulación que introduzcan el experimento con un enfoque de descubrimiento dirigido. De esta manera, se guía a los estudiantes en la repetición del experimento para descubrir los principios subyacentes, en lugar de recibirlos.

Importancia de la Simulación

Preparar experimentos para visualizar las ondas sonoras en un osciloscopio es complejo y puede resultar costoso. Su equipo no se encuentra fácilmente en todos los laboratorios escolares. Por lo tanto, esta simulación facilita a estudiantes de secundaria y licenciatura realizar una actividad asequible que les permite adquirir las habilidades y los conocimientos necesarios en este tema.

Por supuesto, es mucho mejor realizar un experimento real siempre que sea posible. Sin embargo, el experimento virtual es muy útil en caso de escasez de equipo o como actividad preliminar para preparar a los estudiantes para el laboratorio real.

Los diseñadores instruccionales y los creadores de cursos pueden encontrar que esta simulación facilita su trabajo.

Ondas Sonoras y la Velocidad del Sonido

Definiciones

El período: es el tiempo que tarda un ciclo completo de vibración en pasar por un punto determinado de la onda. Su unidad base del SI es el segundo.

La frecuencia: es el número de crestas de onda que pasan por un punto en un segundo (la cresta de una onda es el pico de la onda). Su unidad base del SI es el hercio.

La amplitud: es el desplazamiento máximo que recorre un punto de una onda medido desde su posición de equilibrio.

La siguiente figura ilustra el concepto del período y la amplitud.

La longitud de onda: es la longitud de la parte repetida más corta de la onda, como se muestra en la siguiente figura.

Nota importante: Las dos figuras anteriores son gráficos completamente diferentes. La primera representa las variaciones de la amplitud en función del tiempo, mientras que la segunda representa las variaciones del desplazamiento en función de la posición.

La fase de un punto de una onda: es la fracción de un período que un punto completa después de su último paso por la referencia.

En fase: Dos ondas de la misma frecuencia están en fase cuando están perfectamente alineadas, es decir, cuando las crestas o los valles de las dos ondas ocurren en los mismos instantes de tiempo. La siguiente figura ilustra este concepto.

Desfase: Si dos ondas no están en fase, se dice que están desfasadas. La siguiente figura ilustra este concepto.

En antifase: Se dice que dos ondas de la misma frecuencia están en antifase cuando las crestas de una ocurren en el mismo instante que los valles de la otra, como se muestra en la siguiente figura.

Cálculo de la Diferencia de Fase φ entre Dos Formas de Onda en el Osciloscopio

Uno de los usos de esta simulación es practicar la determinación de la diferencia de fase entre dos formas de onda en la pantalla del osciloscopio. La siguiente figura ilustra este concepto.

Primero, mida el desplazamiento (el número de divisiones X) entre las dos formas de onda en el eje x. Su unidad es la división (div). También mida la longitud de un período en divisiones (T). Tenga en cuenta que una diferencia de tiempo de un período corresponde a una diferencia de fase angular de 2 $\pi$ rad. Por lo tanto:

$T\ (div) \rightarrow 2\pi\ (rad)$

$\text{X\ }\left( \text{div} \right) \rightarrow \phi\ (rad)$

Por multiplicación cruzada, concluimos que:

$\phi = \frac{X}{T}\ \cdot 2\pi\ (rad)$

Determinación de la Velocidad del Sonido en el Aire

Una aplicación de esta simulación es determinar la velocidad del sonido en el aire. El equipo utilizado es un osciloscopio, un generador de ondas sinusoidales, un altavoz y dos micrófonos.

Como se muestra en la siguiente figura, el altavoz está conectado a la salida del generador de ondas sinusoidales, y los dos micrófonos están conectados a los dos canales de entrada del osciloscopio. El generador de ondas sinusoidales alimenta al altavoz con una señal eléctrica sinusoidal, por lo que el altavoz convierte esta señal eléctrica en una onda sonora. Esta onda sonora se denomina “sonido puro” por ser monótona. Los dos micrófonos reciben el sonido emitido por el altavoz y lo convierten en señales eléctricas que se introducen en los canales del osciloscopio.

Las dos señales de entrada se muestran simultáneamente en la pantalla del osciloscopio al seleccionar el modo “Dual”. Inicialmente, los dos micrófonos están a la misma distancia del altavoz, por lo que las ondas sonoras que reciben están en fase, al igual que sus formas de onda en la pantalla del osciloscopio. Al alejar uno de los micrófonos, observará que la amplitud de la forma de onda disminuye al alejarlo, ya que el sonido que recibe se debilita. Sin embargo, lo importante es que la forma de onda se desplaza horizontalmente en la pantalla, por lo que se produce una diferencia de fase entre las dos formas de onda y se dice que están desfasadas. Continúe moviendo el micrófono hasta que las dos formas de onda vuelvan a estar en fase por primera vez, como se muestra en la siguiente figura. En este punto, la distancia entre los dos micrófonos es igual a la longitud de onda de la onda sonora que reciben. Mida esta distancia y multiplíquela por la frecuencia de la onda sonora (que es la frecuencia proporcionada por el generador de ondas sinusoidales) y obtendrá la velocidad del sonido. Matemáticamente:

$v = \lambda \cdot f$

donde $v$ es la velocidad del sonido, $\lambda$ es la longitud de onda de la onda sonora, y $f$ es la frecuencia de la onda sonora.

Si además mueve el micrófono hasta que las dos formas de onda vuelvan a estar en fase por segunda vez, la distancia entre los dos micrófonos será el doble de la longitud de onda, y así sucesivamente. Matemáticamente:

$d_{\text{enfase}} = k \cdot \lambda$

donde $k$ es un número entero.

Alternativamente, puede mover un micrófono hasta que las formas de onda estén en antifase por primera vez, como se muestra en la siguiente figura. En este caso, la distancia entre los dos micrófonos es la mitad de la longitud de onda. Debe multiplicarla por dos para obtener la longitud de onda.

Además, si mueve el micrófono aún más hasta que las formas de onda se vuelvan en antifase por segunda vez, la distancia entre los dos micrófonos será tres veces la mitad de la longitud de onda, y así sucesivamente. Matemáticamente:

$d_{\text{antifase}} = \left( 2k + 1 \right) \cdot \frac{\lambda}{2}$

donde $k$ es un número entero.

Por supuesto, hay otros experimentos con un conjunto diferente de equipos para medir la velocidad del sonido en el aire.

Instrucciones de Uso de la Simulación

En esta sección, repasaremos cada elemento de la simulación y explicaremos su función.

Controles Generales

Botón de alternancia Maximizar / Minimizar: Haga clic en este botón para entrar en modo de pantalla completa o para restaurar el modo de ventana.

Botón para silenciar el sonido: Haga clic en este botón para activar o desactivar el sonido.

Mostrar marcadores: Marque este botón de verificación para habilitar la visibilidad de los marcadores verticales. Cuando desee medir la distancia horizontal entre los dos micrófonos, arrastre estos marcadores y coloque uno en un micrófono y el otro en el otro micrófono, y la distancia entre los dos micrófonos se mostrará dentro del cuadro de texto denominado “Distancia entre marcadores”.

Distancia entre marcadores: Este cuadro muestra la distancia entre los marcadores verticales.

Generador de Ondas Sinusoidales

Generador de ondas sinusoidales: Este instrumento proporciona una señal eléctrica de onda sinusoidal. La señal se introduce al altavoz mediante cables de conexión. Tenga en cuenta que debe encenderlo para operar el altavoz.

Interruptor de ENCENDIDO/APAGADO: Se utiliza para encender o apagar el generador de ondas sinusoidales.

Perilla de frecuencia: Puede girar esta perilla para variar el valor de la frecuencia.

Rangos de frecuencia: Puede seleccionar un rango para variar la frecuencia según corresponda utilizando la perilla de frecuencia.

Perilla de amplitud: Puede girar esta perilla para variar el valor de la amplitud de la señal.

Altavoz y Micrófonos

Altavoz: Este instrumento recibe la señal eléctrica del generador de ondas sinusoidales y la convierte en una señal de sonido.

Micrófonos: Se utilizan para recibir el sonido emitido por el altavoz. Tenga en cuenta que puede arrastrarlos.

Osciloscopio

Osciloscopio: se utiliza para visualizar señales eléctricas.

Interruptor de ENCENDIDO/APAGADO: Se utiliza para encender o apagar el osciloscopio.

La pantalla del osciloscopio: es donde se muestran las señales de entrada. Las señales mostradas son “formas de onda”. El eje vertical representa el voltaje y el eje horizontal representa el tiempo. Observe que la pantalla está dividida en cuadrados. Cada cuadrado es una división “div”. Cada división se divide en cinco subdivisiones. Por lo tanto, cada subdivisión equivale a 0,2 div.

Selector de canal: se utiliza para seleccionar la entrada que se mostrará en la pantalla.

Canal I y Canal II: El osciloscopio tiene dos entradas y puede rastrear las dos señales de entrada simultáneamente o por separado.

Entradas: Cada canal dispone de una entrada donde se puede conectar la sonda.

Selector AC/DC/GND: Cuando se configura en “AC”, se filtra la parte DC de la señal. Cuando el selector está en “GND”, la pantalla mostrará cero voltios. Esto se utiliza para calibrar el nivel cero de la pantalla. Cuando el selector está en “DC”, se mostrará la señal completa.

Sensibilidad vertical: Cada canal tiene su propia sensibilidad vertical, que es la escala a la que se traza la señal de entrada en la pantalla. En otras palabras, determina cuántos voltios se representan en una división vertical.

Posición Y: Cada canal tiene una perilla para desplazar la señal hacia arriba o hacia abajo. Esto es útil en las mediciones y comparación de señales.

Botón Invertir: Se utiliza para invertir (voltear) la señal verticalmente.

Sensibilidad horizontal (Base de tiempo): Utilice esta perilla para cambiar la escala de tiempo en el eje horizontal. En otras palabras, determina cuántos milisegundos o microsegundos se representan en una división horizontal.

Botón de barrido: Se utiliza para activar o desactivar el barrido. Si el barrido está desactivado, la pantalla mostrará un punto luminoso. De lo contrario, mostrará una curva.

Posición X: Utilice esta perilla para desplazar la forma de onda horizontalmente hacia la izquierda o hacia la derecha. Esto es útil en la medición.

Intensidad: Utilice esta perilla para controlar la intensidad de las líneas luminosas mostradas en la pantalla.

Conclusión

Con esta simulación, rica en controles y elementos visuales, el alumno puede observar y practicar la medición de la diferencia de fase entre dos formas de onda en el osciloscopio. También puede determinar la velocidad del sonido en el aire. Con las metodologías didácticas adecuadas, el instructor podrá fomentar el sentido de descubrimiento en los alumnos e introducir el concepto de sincronización de las ondas sonoras y cómo medir la velocidad del sonido en una presentación clara y visualmente enriquecedora, permitiéndoles alcanzar los objetivos de aprendizaje requeridos.

Vale la pena mencionar que esta simulación está codificada con las últimas herramientas web HTML5/JavaScript.

Agradecimiento

Mi sincero agradecimiento al Ing. Miguel Angel Ibanez, Director Académico Tec. Univ. Telecomunicaciones, Director de Redes Óptica a Distancia, y Docente Investigador CONEAU en la Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional Buenos Aires (UTN.BA), Secretaría de Cultura y Extensión Universitaria (SCEU), por proporcionar amablemente la traducción al español de este manual.

Manual de Simulación: Diferencia de Fase entre Ondas Sonoras