USO DELL OSCILLOSCOPIO PER LA MISURA DELLA VELOCITA' DEL SUONO NELL ARIA B. Cottalasso R. Ferrando AIF PLS Corso Estivo di Fisica Genova 2009 1 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
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
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
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
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
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
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 3 103 Hz = 342 m/s 13 7