Resonador de Helmholtz

Física. Sonido. Matraz. Frecuencia de resonancia. Volúmen. Medidas. Cálculos. Representación gráfica

  • Enviado por: Jose Luis Ventura Paniagua
  • Idioma: castellano
  • País: España España
  • 6 páginas
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RESONADOR DE HELMHOLTZ.

Material necesario para la realización de la práctica:

  • Generador de funciones.

  • Altavoz.

  • Resonador de Helmholtz (matraz).

  • Micrófono.

  • Polímetro.

  • Calibre.

  • Probeta de 50 y 500 c.c.

Objetivo de la práctica:

Medida de la frecuencia de resonancia de un resonador Helmholtz en función de su volumen.

Fundamento teórico:

'Resonador de Helmholtz'
Consideremos el recipiente de la figura 1 consistente en una cavidad de volumen V = 1000 ml con un cuello de sección s y longitud L. Este recipiente recibe el nombre de resonador de Helmholtz. Se puede variar el volumen añadiendo agua al resonador. Llamaremos VR al volumen V-Vagua.

La resonancia en el matraz se produce cuando la frecuencia de la onda sonora excitadora coincide con la frecuencia propia del resonador, la cual viene dada por la expresión:

'Resonador de Helmholtz'

'Resonador de Helmholtz'

donde v es la velocidad de propagación del sonido y L' la longitud efectiva del cuello del resonador, la cual viene dada por la expresión:

'Resonador de Helmholtz'

siendo a el radio del cuello del resonador.

Modo de operar:

En primer lugar realizamos las siguientes medidas y cálculos:

  • L - Longitud del cuello del matraz.

L = 6.7 'Resonador de Helmholtz'
0.1 cm

  • s' - Sección de la sonda del micrófono.

s' = 'Resonador de Helmholtz'
· amicro2 = 0.28274 'Resonador de Helmholtz'
1.27 cm2

donde amicro = 0.3 'Resonador de Helmholtz'
0.1 cm
es el radio de la sonda del micrófono.

  • s - Sección del cuello del matraz.

s = 'Resonador de Helmholtz'
· a2 - s' = 6.78858 'Resonador de Helmholtz'
1.13 cm2

donde a = 1.5 'Resonador de Helmholtz'
0.1 cm
es el radio del cuello del matraz.

  • L' - Longitud efectiva del cuello del resonador.

L' = L + 1.7 ·a = 9.3 'Resonador de Helmholtz'
0.3 cm

  • V - Volumen del matraz.

  • t - Temperatura ambiente (ºC).

t = 22 'Resonador de Helmholtz'
1 ºC

Se monta el sistema de la figura 2, y empezando con el matraz vacío variamos la frecuencia del generador hasta que el polímetro mida el máximo valor. Esta frecuencia será la de resonancia para el volumen de aire VR.

Estos pasos los repetimos para distintos volúmenes de aire que conseguiremos añadiendo 50 c.c. de agua más para cada medida. Las frecuencias obtenidas para cada volumen están reflejadas en la siguiente tabla:

N(s-1)

Vagua (c.c)

VR=V-Vagua (c.c)

1/VR (1/c.c)

109'Resonador de Helmholtz'
1 Hz

0'Resonador de Helmholtz'
1 c.c

1000'Resonador de Helmholtz'
1 c.c

1·10-3'Resonador de Helmholtz'
1·10-6

113'Resonador de Helmholtz'
1 Hz

50'Resonador de Helmholtz'
1 c.c

950'Resonador de Helmholtz'
1 c.c

1.052·10-3'Resonador de Helmholtz'
1·10-6

118'Resonador de Helmholtz'
1 Hz

100'Resonador de Helmholtz'
1 c.c

900'Resonador de Helmholtz'
1 c.c

1.111·10-3'Resonador de Helmholtz'
1·10-6

122'Resonador de Helmholtz'
1 Hz

150'Resonador de Helmholtz'
1 c.c

850'Resonador de Helmholtz'
1 c.c

1.176·10-3'Resonador de Helmholtz'
1·10-6

126'Resonador de Helmholtz'
1 Hz

200'Resonador de Helmholtz'
1 c.c

800'Resonador de Helmholtz'
1 c.c

1.250·10-3'Resonador de Helmholtz'
1·10-6

130'Resonador de Helmholtz'
1 Hz

250'Resonador de Helmholtz'
1 c.c

750'Resonador de Helmholtz'
1 c.c

1.333·10-3'Resonador de Helmholtz'
1·10-6

134'Resonador de Helmholtz'
1 Hz

300'Resonador de Helmholtz'
1 c.c

700'Resonador de Helmholtz'
1 c.c

1.429·10-3'Resonador de Helmholtz'
1·10-6

138'Resonador de Helmholtz'
1 Hz

350'Resonador de Helmholtz'
1 c.c

650'Resonador de Helmholtz'
1 c.c

1.538·10-3'Resonador de Helmholtz'
1·10-6

143'Resonador de Helmholtz'
1 Hz

400'Resonador de Helmholtz'
1 c.c

600'Resonador de Helmholtz'
1 c.c

1.667·10-3'Resonador de Helmholtz'
1·10-6

Representamos N2 frente a 1/VR, con lo que conseguimos tener una recta de pendiente:

'Resonador de Helmholtz'

Esta pendiente proviene de la ecuación:

'Resonador de Helmholtz'

'Resonador de Helmholtz'

'Resonador de Helmholtz'

Como al representar la gráfica tenemos que elevar N al cuadrado, tendremos que ver en el apartado de errores el error que se comete.

Cálculo de errores:

El error absoluto de la Frecuencia es:

Eabs(N) = 1 Hz ( mínima medida del generador )

El error absoluto de Vagua es:

Eabs(Vagua) = 1 c.c.

El error absoluto de VR:

VR = V - Vagua

'Resonador de Helmholtz'

Eabs(VR) = |1|·Eabs(V) + |1|·Eabs(Vagua) = 1·0 + 1·1 = 1 c.c.

El error absoluto de 1/VR es :

'Resonador de Helmholtz'

'Resonador de Helmholtz'

El error absoluto al calcular la sección del micrófono:

s' = 'Resonador de Helmholtz'
· amicro2

'Resonador de Helmholtz'

Eabs(s') = | 2· 'Resonador de Helmholtz'
· amicro | · Eabs(amicro) = 0.188 cm2

El error absoluto en el calculo de la sección del cuello del matraz:

s = 'Resonador de Helmholtz'
· a2 - s'

'Resonador de Helmholtz'

Eabs(s) = | 2 · 'Resonador de Helmholtz'
· a | · Eabs(a) + | -1 | · Eabs(s') = 1.132 cm2

Calculamos el error absoluto de L':

L' = L + 1.7 ·a

'Resonador de Helmholtz'

Eabs(L') = | 1 | · Eabs(L) + | 1.7 | · Eabs(a) = 0.27 cm

Por último calculamos el error que se comete al elevar al cuadrado la frecuencia ( N ):

'Resonador de Helmholtz'

Eabs( N2 ) = | 2 · N | · Eabs( N)

Representación gráfica:

En este apartado vamos a realizar los cálculos necesarios para representar las magnitudes pedidas. Una vez obtenidos estos datos y después de introducirlos en el ordenador procederemos a analizarlos.

En esta tabla representaremos los valores de N2 y de 1/VR que vamos a representar, así como sus errores absolutos :

N (Hz)

N2 (Hz2)

1/VR (1/c.c)

109

11881'Resonador de Helmholtz'
218

1· 10-3'Resonador de Helmholtz'
1·10-6

113

12769'Resonador de Helmholtz'
226

1.052·10-3'Resonador de Helmholtz'
1.108·10-6

118

13924'Resonador de Helmholtz'
236

1.111·10-3'Resonador de Helmholtz'
1.235·10-6

122

14884'Resonador de Helmholtz'
244

1.176·10-3'Resonador de Helmholtz'
1.384·10-6

126

15876'Resonador de Helmholtz'
252

1.250·10-3'Resonador de Helmholtz'
1.563·10-6

130

16900'Resonador de Helmholtz'
260

1.333·10-3'Resonador de Helmholtz'
1.778·10-6

134

17956'Resonador de Helmholtz'
268

1.429·10-3'Resonador de Helmholtz'
2.041·10-6

138

19044'Resonador de Helmholtz'
276

1.538·10-3'Resonador de Helmholtz'
2.367·10-6

143

20449'Resonador de Helmholtz'
286

1.667·10-3'Resonador de Helmholtz'
2.778·10-6

Al representar estos datos obtenemos la pendiente de la recta resultante, con esta pendiente, y despejando de la ecuación de la pendiente, calculamos la velocidad del sonido experimental. Obtenemos lo siguiente:

'Resonador de Helmholtz'

Calculando el error que se comete tenemos:

'Resonador de Helmholtz'

'Resonador de Helmholtz'

El valor práctico medido es:

v = 326.855 'Resonador de Helmholtz'
32.5 m/s

Para realizar una comparación calculamos el valor de la velocidad desde una expresión teórica:

'Resonador de Helmholtz'

Calculamos su error:

'Resonador de Helmholtz'

Eabs(v) = 0.5837'Resonador de Helmholtz'
0.6

Por lo tanto la velocidad del sonido teórica es:

v= 343.4'Resonador de Helmholtz'
0.6 0.6 m/s

1

'Resonador de Helmholtz'

'Resonador de Helmholtz'