USO DELL OSCILLOSCOPIO PER LA MISURA DELLA VELOCITA' DEL SUONO NELL ARIA

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Irene Fontana
7 anni fa
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1 USO DELL OSCILLOSCOPIO PER LA MISURA DELLA VELOCITA' DEL SUONO NELL ARIA B. Cottalasso R. Ferrando AIF PLS Corso Estivo di Fisica Genova Scopo dell esperimento Ci si propone di misurare la velocità del suono misurando il tempo impiegato a percorrere la distanza tra due microfoni e analizzando il segnale elettrico da essi prodotto. Gli strumenti utilizzati sono: Oscilloscopio Microfoni piezoelettrici Generatore di funzioni 2 1

velocità del suono misurando il tempo impiegato a percorrere la distanza tra due microfoni e analizzando il

2 Il microfono piezoelettrico Il microfono è formato da una sottile lamina di materiale piezoelettrico: quando un onda sonora la colpisce, la lamina viene compressa e per effetto piezoelettrico tra le due facce si stabilisce una differenza di potenziale. 3 Meccanismo della polarizzazione piezoelettrica del quarzo a b c a) reticolo elementare in assenza di azioni esterne b) reticolo in tensione c) reticolo compresso 4 2

3 Percotendo tra loro due oggetti si genera un impulso sonoro che si propaga nell aria; esso arriva a due microfoni, uno più vicino alla sorgente sonora (microfono vicino) e uno più distante (microfono lontano). 5 I Metodo di misura Qui di seguito è rappresentato il treno d onde generato dal microfono investito dall onda sonora: la sua durata temporale è di circa 50 ms 6 3

4 Il segnale elettrico generato dal microfono lontano sarà simile, ma ritardato di un intervallo di tempo Δt, rispetto a quello generato dal microfono vicino: detta d la distanza tra i due microfoni si avrà: v suono = d Δt Tipico andamento temporale delle tensioni generate dai due microfoni 7 I Metodo di misura Come risulta dalla rappresentazione grafica i segnali elettrici prodotti da due microfoni quando sono investiti dall impulso sonoro sono di ampiezza molto piccola e necessitano di un amplificazione dell ordine di 10 4 per poter essere visualizzati su di un oscilloscopio Schema a blocchi del circuito V IN I Filtro Highpass A II Filtro Highpass A Rettificatore Monostabile V OUT 8 4

rappresentazione grafica i segnali elettrici prodotti da due microfoni quando sono investiti dall impulso sonoro sono di ampiezza molto piccola e necessitano di un

5 I due amplificatori sono realizzati con un unico integrato LF353 e configurati nel seguente modo: C 2,C 4 C 2,C 4 = 100 pf R 2,R 5 = 1500 Ω R 3,R 6 = 150 KΩ R 2,R 5 R 3,R 6 2,6 3,5 ½ LF353 1,7 Amplificatore di guadagno 1+R 3 /R 2 9 I Metodo di misura Il segnale in uscita dall amplificatore collegato al microfono vicino aziona un monostabile, realizzato con un integrato CD4047 la cui uscita commuta dal livello basso a quello alto non appena il segnale in ingresso supera una certa soglia, e rimane tale per un tempo la cui durata è determinata dai valori di una resistenza e di un condensatore (vedi schema elettrico). Nel nostro caso questo tempo è dell ordine di 500 ms, e quindi notevolmente maggiore della durata complessiva Δτ del treno d onde di cui è costituito l impulso sonoro. 10 5

uscita commuta dal livello basso a quello alto non appena il segnale in ingresso supera una certa soglia, e rimane tale per un tempo la cui durata è determinata dai valori di una resistenza e di un

6 L uscita del monostabile è collegata all ingresso trigger ext dell oscilloscopio, in modo tale che sul fronte di salita inizi la scansione dell asse dei tempi e la visualizzazione dei segnali presenti sui canali dell oscilloscopio. Il canale 1 dell oscilloscopio invece è collegato all uscita del monostabile relativo al microfono lontano. Regolando opportunamente la velocità di scansione dell asse dei tempi e la sensibilità sull asse delle V sullo schermo apparirà un immagine come in figura, dalla quale è immediato determinare l intervallo di tempo Δt impiegato dal suono a percorrere la distanza tra i due microfoni. 11 II Metodo di misura Uno dei due microfoni è usato come altoparlante collegato al generatore di funzioni che produce un segnale sinusoidale di frequenza nota che viene visualizzato sul canale 1 dell oscilloscopio. Il segnale in uscita dall amplificatore collegato all altro microfono viene invece visualizzato sul canale 2 dell oscilloscopio. Sullo schermo dovrà apparire un immagine come quella rappresentata in figura. 12 6

Regolando opportunamente la velocità di scansione dell asse dei tempi e la sensibilità sull asse delle V sullo schermo apparirà un immagine come in figura, dalla quale è immediato determinare l

7 II Metodo di misura Modificando la distanza tra i due microfoni si può fare in modo che i due segnali siano inizialmente in fase. Spostando poi uno dei due microfoni di una quantità pari a una lunghezza d onda i due segnali ritornano in fase. Nota la lunghezza d onda e la frequenza del segnale la velocità del suono è espressa dalla seguente formula: v = λ f Nota Con una frequenza di 3000 Hz e i canali dell oscilloscopio regolati rispettivamente su 50 mv/cm e 0,2 ms/cm si è ottenuto il seguente risultato: v = 11,4 102m Hz = 342 m/s 13 7

Nota la lunghezza d onda e la frequenza del segnale la velocità del suono è espressa dalla seguente formula: v = λ f Nota Con una

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