Proyecto Amplificador de ondas sonoras para estudio de ondas estacionarias en Tubo de Rubens

Laboratorio de física.
Ingeniería Eléctrica.
Profesor:
Ing. Guillermo Villalba
Amplificador de ondas sonoras para estudio de ondas estacionarias en
Tubo de Rubens
Gabriel Ramón Servián Romero.
(E-mail: [email protected] 0971461156)
Edgar Arnaldo Galeano Rios. (E-mail: [email protected] 0973593304)
Miguel Mathias Chamorro Caballero. (E-mail: [email protected] 0983265496)
Resumen
Este proyecto pretende demostrar
gráficamente la presencia de ondas estacionarias
mediante la interacción entre una onda sonora y
la presión de un gas. Con un amplificador y un
altavoz se emiten, amplifican y reproducen
ondas sonoras en un tubo metálico al que se le
han hecho perforaciones. Paralelamente el gas
inflamable arde dentro del tubo permitiendo
visualizar las variaciones de presión existentes
en el sonido mediante llamas que dibujan la
longitud y la frecuencia de la onda.
1. Objetivos.

Objetivo general.
-

Construir un amplificador de
sonido acoplado al tubo de Rubens
para la visualización de las ondas
estacionarias.
Objetivos Específicos.
- Establecer el concepto del
amplificador de sonido.
Determinar las aplicaciones
del amplificador de sonido.
Indicar las principales
funciones del amplificador de
sonido y el tubo de Rubens.
2. Introducción
En general, un amplificador es un
circuito que permite aumentar el nivel, ya
sea de la corriente o del voltaje, de alguna
1
señal eléctrica. En la actualidad existen una
gran variedad de amplificadores lo cuales
son utilizados para aplicaciones específicas,
entre los distintos tipos se encuentran los de
audio, los de señal de televisión, los de
potencia utilizados para controlar motores,
etc.
Basándonos en la definición descrita en
el párrafo anterior sobre un amplificador, se
puede definir que un amplificador de audio
viene siendo un dispositivo que toma una
señal de entrada (audio frecuencias) y
aumenta el nivel de está, incrementando para
ello la amplitud de dicha señal mediante
corrientes de polarización en el transistor de
salida
Básicamente un amplificador de audio
está
conformado
por
una
etapa
preamplificadora, un regulador de tono, una
etapa de potencia y una etapa de
alimentación.
3. Marco Teórico
3.1 Ondas Sonoras:
Según [1], La definición más general del
sonido es una onda longitudinal en un
medio, generalmente el aire, aunque el
sonido puede viajar por cualquier gas,
liquido o sólido.
Las ondas sonoras más sencillas son las
senoidales, las cuales tienen la frecuencia,
la amplitud y la longitud de onda
completamente especificadas. El oído
humano es sensible a las ondas en el
intervalo de frecuencias de 20 a 20.000 Hz,
llamada gama audible.
Las ondas sonoras suelen dispersarse en
todas direcciones a partir de la fuente
sonido, con una amplitud que depende de la
dirección y la distancia a la fuente.
interfieren. Tiene puntos que no vibran
(nodos), que permanecen inmóviles,
estacionarios, mientras que otros (vientres o
antinodos) lo hacen con una amplitud de
vibración máxima.
3.2 Amplificador:
Conforme a [2] , Un amplificador es todo
dispositivo que, mediante la utilización de
energía, magnifica la amplitud de un
fenómeno. Amplificar es agrandar la
intensidad de algo, por lo general, sonido.
En términos particulares, un amplificador
es un aparato al que se le conecta un
dispositivo de sonido y aumenta la
magnitud del volumen.

Potencia máxima del amplificador
En [3], Potencia máxima eficaz, o
potencia media a régimen continuo es
la potencia eléctrica real verificable
con
instrumentos
que
puede
proporcionar la etapa de salida durante
un minuto a una frecuencia de 1 kHz
(kilo hertzio) sobre la impedancia
nominal especificada por el fabricante
(normalmente 4, 6 u 8 Ohmios) y viene
dada por la expresión:
𝑃=
𝑉2
𝑅
Donde V es el voltaje (rms) de salida y R la
resistencia (impedancia) del parlante.
3.3 Onda estacionaria:
Según [4], Las ondas estacionarias son
aquellas ondas en las cuales, ciertos puntos
de la onda llamados nodos, permanecen
inmóviles.
El perfil de las ondas estacionarias puede
observarse a las frecuencias a las que se
cumple la relación:
𝜆
𝐿=𝑛×
2
0,1,2,3 …
>> 𝑓 = 𝑛 ×
𝑉
2𝐿
𝑛=
Siendo L la longitud del tubo, f la
frecuencia, V la velocidad del sonido y λ
longitud de la onda.
3.4 Tubo de Rubens:
En [5], Es un experimento físico inventado
por el físico alemán Heinrich Rubens en
1905 para demostrar gráficamente la
relación entre una onda sonora y la presión
de un gas.
El dispositivo consiste en un cilindro de
metal con perforaciones equidistantes en la
parte superior y los extremos sellados. Un
extremo es alimentado por un gas
inflamable y en el otro extremo se instala
una bocina o un generador de frecuencia.
Se alimenta el gas y se enciende el gas que
escapa por las perforaciones superiores. Si
se emite una onda estacionaria variará la
presión interna del gas dependiendo de su
ubicación a lo largo del cilindro debido a la
compresión y descompresión del gas
interno de acuerdo al principio de
Bernoulli.A continuación se muestra el
esquema del tubo.
Una onda estacionaria se forma por
la interferencia de dos ondas de la misma
naturaleza con igual amplitud, longitud de
onda (o frecuencia) que avanzan en sentido
opuesto a través de un medio.
Se producen cuando interfieren dos
movimientos ondulatorios con la misma
frecuencia y amplitud pero con diferente
sentido a lo largo de una línea con una
diferencia de fase de media longitud de
onda.
Las
ondas
estacionarias permanecen
confinadas en un espacio (cuerda, tubo con
aire, membrana, etc.). La amplitud de
la oscilación para cada punto depende de su
posición, la frecuencia es la misma para
todos y coincide con la de las ondas que
2
4. Lista de
utilizados.


Materiales
a
ser
Resistencias (1/4W): Se
oponen al paso de la corriente
eléctrica.
1 de 120KΩ (R1). Fig. N° 1

2 de 390Ω (R11, R12). Fig. N° 7
Fig. N° 1

Fig. N° 7
2 de 1,5KΩ (R2, R3). Fig. N° 2
 Condensadores: es un dispositivo
pasivo capaz de almacenar energía
sustentando un campo eléctrico.

Electrolíticos:
Fig. N° 2

1 Potenciómetro doble de 20KΩ (R4). Fig.
 1 de 10uF / 50V (C1). Fig. N° 8
N° 3
Fig. N° 8
 2 de 2u2 / 25V (C2, C3). Fig. N° 9
Fig. N° 3

2 de 1,2KΩ (R5, R8). Fig. N° 4
Fig. N° 9
 2 de 100uF / 25V (C4, C8). Fig. N° 10
Fig. N° 4

2 de 33Ω (R6, R9). Fig. N° 5
Fig. N° 10
 2 de 220uF / 25V (C5, C9). Fig. N° 11
Fig. N° 5

2 de 1Ω (R7, R10). Fig. N° 6
Fig. N° 11
Fig. N° 6
3
 2 de 2200uF / 25V (C7, C11). Fig. N° 12
Fig. N° 16
Fig. N° 12
 1 de 4700uF / 25V (C12). Fig. N° 13

1 zener de 3.9V a 1/2W (Z1). Fig. N° 17
Fig. N° 17
Fig. N° 13


Cerámicos o de poliéster:

3 de 100nF [104] (C6, C10, C13). Fig. N°
14
Circuito Integrado: también conocido
como chip o microchip, es una estructura
de pequeñas dimensiones de material
semiconductor, sobre los que se fabrican
circuitos electrónicos.

1 TDA2004 (U1). Fig. N°18
Fig. N° 14
 Diodos: es un componente electrónico de
dos terminales que permite la circulación
de la corriente eléctrica a través de él en un
solo sentido.

Fig. N° 18

Transformador de 220V a 9V. Fig. 19
Puente rectificador KBPC810 (D1): es
un circuito electrónico usado en la
conversión de corriente alterna en corriente
continua. Fig. N° 15
Fig. N° 19


Fig. N° 15

1 LED blanco (D2). Fig. N° 16
4
Componentes varios:
Disipador. Fig. N°20
Fig. N° 20

Pines. Fig. N° 21

Fig. N° 21
Cables jumper. Fig. N° 22
Fig. N° 24
Fig. N° 25
Fig. N° 22
5. Procedimientos:
5.1. Transferencia de la pista a la placa madre
por el método de serigrafía. Fig. N° 23
Fig. N°26
5.2. Perforación de la placa para colocar los
componentes. Fig. N° 27
Fig. N° 23
5.2. Utilizar el ácido (perclorato de hierro
anhidro) para separar las pistas. Fig. N° 24
Fig. N° 27
5.3. Con un poco de alcohol de quemar y
utilizando un trapo se retira la parte negra de la
placa. Fig. N° 28
5
Fig. N° 31.
Fig. N° 28
5.4. Colocación de los componentes (según
máscara de ensamblaje). Fig. N° 29 y Fig. N° 30
Fig. N° 32
5.6. Comprobar que no se encuentre en corto
circuito y que las pistas tengan continuidad. Fig.
N° 33
Fig. N° 29
Fig. N° 33
5.7. Conexión de los cables de la bocina y el
cable de audio a RCA. Fig. N° 34
Fig. N° 30
5.5. Soldadura los componentes utilizando
cautín y estaño. Fig. N° 31 y Fig. N° 32
Fig. N°34
6.
6
Prueba de funcionamiento. Fig.
N° 35 y Fig. N°36
Fig. N° 37
Fig. N° 35
Primeramente se coloca el transformador con
entrada de 220V y se utiliza la salida de 12V
(medio con extremo) que se conecta
directamente a los pines de entrada de voltaje,
con el generador de funciones se provee al
circuito una señal senoidal (aplicar 1 Vpp con
una frecuencia de prueba de 100 Hz)
conectando indistintamente las puntas yacaré a
los pines de entrada de la señal, conectar dos
puntas de prueba del osciloscopio , una de ellas
a la entrada de la señal ( la punta de prueba en la
entrada positiva y la de yacaré a la negativa) y
la otra de igual manera en la salida de la señal .
Fig. N° 38
Una vez energizado el sistema, el resultado que
se observa en el osciloscopio es la entrada de la
señal normal de azul y su salida ya amplificada
que sería la amarilla.
Fig. N° 39
8.
Cálculos y Mediciones
Medición de la potencia de salida del
amplificador.
𝑃=
𝑃=
Fig. N° 36
Con esto se comprueba el buen funcionamiento
del amplificador.
7.
Amplificador con los transistores
C548B y BC558. Fig. N° 37, Fig. N°
38
7
9.
𝑉2
𝑅
(10)2
= 25 𝑊
4
Conclusión
Uno de los aspectos es más importante que los
que se encuentran en la hora de realizar el
circuito que en el futuro planeado no es la mejor
manera de realizar un amplificador, el circuito
es complejo y están muy unidas las pistas, es
más factible hacer por Esta es una salida
distorsionada de audio. A través de este
proyecto se pudo observar el uso del
potenciómetro para la variación de los decibeles
en el amplificador donde se puede apreciar cl
volumen. Mediante un tubo visualiza las ondas
que emite el amplificador. La experiencia no
debe mantenerse en los lugares cerrados y en el
exterior de las corrientes de aire, el tubo debe
colocarse
en
la
posición
vertical
horizontalmente para que el gas se distribuya
uniformemente, y el tubo no debe permanecer
encendido demasiado tiempo, porque se debe a
la alta conductividad del el altavoz podría
dañarse. Es un dispositivo que resulta muy útil.
Bibliografía.
10.
[1] Young, H., y Friedman, R. (2009). Sonido y
el oído. Física Universitaria Volumen 1.
Decimosegunda edición (pp. 527-528). México
DF, México: Editorial Pearson Educación
Perforación de la placa.
[2] Amplificador. (2005). Wikipedia. New
York,
EU.
Recuperado
de
https://es.wikipedia.org/wiki/Amplificador.
[3] Etapa de Potencia. (2005). Wikipedia. New
York,
EU.
Recuperado
de
https://es.wikipedia.org/wiki/Etapa_de_potencia
[4] Onda estacionaria. (2003). Wikipedia. New
York,
EU.
Recuperado
de
https://es.wikipedia.org/wiki/Onda_estacionaria
Presentación del proyecto en el ECT.
[5] Tubo de Rubens. (2006). Wikipedia. New
York,
EU.
Recuperado
de
https://es.wikipedia.org/wiki/Tubo_de_Rubens
11. Anexos
Proyecto culminado.
Separación de las pistas usando el acido
perclorato de hierro anhidro.
8