EL SONIDO Y LOS ULTRASONIDOS
ÍNDICE:
A) EL SONIDO
0.- TEORÍA: SONIDOS.
1.- MÓDULO KY038 (LM393)
B) LOS ULTRASONIDOS:
0.- TEORÍA: LOS ULTRASONIDOS.
1.- MÓDULO HC-SR04 DE ARDUINO
2.- ULTRASONIDOS Y LCD
0.- TEORÍA: EL SONIDO.
Enlace: ¿Hasta donde oímos? https://www.ultrasonic-ringtones.com/
El sonido es un fenómeno físico que estimula el sentido del oído. Está formado por ondas que se propagan a través de un medio, que puede ser sólido, líquido o gaseoso.
Un sonido se produce por todo aquello que sea capaz de producir ondas que estimulen al oído. Por ejemplo, al pegar un golpe en una mesa, las cuerdas vocales, el roce entre dos materiales o cualquier efecto que produzca vibraciones audibles bastan para producir un sonido.
Las ondas a las que llamamos sonoras son las que pueden estimular al oído y al cerebro humano.
Estas ondas se miden en Hercios (Hz), una unidad de frecuencia que corresponde al número de ondas que caben en un tiempo determinado (un segundo normalmente). La onda se propaga gracias a la compresión y a la expansión del medio por el que se propaga. Estas variaciones de presión son las que alcanzan el oído humano y provocan en el tímpano vibraciones de idéntica frecuencia, originando, a través del cerebro, una sensación sonora. Pero no todas las ondas pueden ser recogidas por el oído humano, tan sólo las que se encuentran aproximadamente entre 20 Hz y cerca de 20.Khz.
Las ondas de sonido inferiores al límite audible se llaman infrasónicas y las superiores ultrasónicas.
Pero no todos los animales tienen las mismos límites audibles, por ejemplo los perros son sensibles a frecuencias de hasta 30.Khz y los murciélagos a frecuencias de hasta 100.Khz.
El sonido se transmite por medio de ondas, que viajan a través de los diferentes medios (siempre medios mecánicos, nunca a través del vacío). Dependiendo de la forma de la onda, se producen diferentes sonidos: más graves (ondas muy juntas entre si), más agudos (ondas más separadas), más fuertes o débiles (dependiendo de la intensidad).
Las ondas de sonido, son ondas longitudinales; es decir, son ondas que se pueden propagar por cualquier medio, sólido o fluido. En esta tabla se pueden ver las diferentes velocidades de propagación del sonido.
El sonido viaja a una velocidad de 343 m/s (1234km/h) en ondas acústicas que desplazan el aire
Velocidad del sonido en distintos medios (a 20º C)
| ||
Sustancia
|
Densidad (kg · m-3)
|
Velocidad (m · s-1)
|
| Aire Etanol Benceno Agua Aluminio Cobre Vidrio Hierro |
1,20
790
870
1.000
2.700
8.910
2.300
7.900
|
344
1.200
1.300
1.498
5.000
3.750
5.170
5.120
|
El sonido se transmite por las partículas que forman un medio. A una partícula se le da una energía que le hace vibrar. Esta partícula transmite su vibración a las partículas que le rodean, transmitiendo así la energía que le han proporcionado. Un claro ejemplo de esto es una superficie de agua: Al tirar una piedra por ejemplo, las partículas del agua oscilan y transmiten su movimiento a las partículas contiguas sucesivamente. Después de un tiempo desde el impacto, las ondas se van atenuando hasta desaparecer.
Es por esto que los diferentes sonidos dependen de los diferentes materiales por los que se muevan. No será lo mismo propagar sonido por el aire, donde las partículas están más sueltas y es más difícil de transmitirse, que propagar sonido por el hierro, que al ser un sólido están las partículas muy unidas y se puede transmitir rápidamente el sonido. Generalmente, el sonido se mueve a mayor velocidad en líquidos y sólidos que en gases
Relacionados con el sonido, están algunos efectos referentes a la forma de transmisión. Así como el efecto Doppler, las ondas de choque y la barrera del sonido.
Ahora que ya sabemos un poquito en que consisten estas propiedades, veamos algunos efectos asociados. Entre ellos están el eco, los radar y las ecografías
Las magnitudes que caracterizan la percepción y permiten distinguir entre los diferentes sonidos son las llamadas cualidades del sonido. Estas cualidades son tres:La intensidad, el tono y el timbre.
Si a nuestros oídos llega un sonido con una intensidad bastante alta, el oído experimenta una sensación de dolorosa. La unidad que mide la sensación sonora es el decibelio (db). El umbral del dolor en la que el oído puede sufrir, está en torno a los 120 db, dependiendo de las diferentes personas.
Amplitud: Determina el volumen del sonido.
Longitud de onda: Cuanto menor es esta distancia, mayor es la amplitud.
EL DECIBELIO
El decibelio es la medida utilizada para expresar el nivel de potencia y el nivel de intensidad del ruido. Se utiliza una escala logarítmica porque la sensibilidad que presenta el oído humano a las variaciones de intensidad sonora sigue una escala aproximadamente logarítmica, no lineal.
El decibelio , con símbolo dB, expresa una razón entre cantidades y no una cantidad. El decibel expresa cuantas veces más o cuantas veces menos, pero no la cantidad exacta. Es una expresión que no es lineal, sino logarítmica. Es una unidad de medida relativa. En audiofrecuencias un cambio de 1 decibel (dB) es apenas (si hay suerte) notado.
Si se tiene dos valores de potencia diferentes: P1 y P2 (o dos voltajes V1 y V2), y se desea saber cuál es el cambio de una con respecto a la otra, se utiliza la siguiente fórmula:
dB= 20 log(V1/V2)
Los dB se emplean en acústica, electricidad, telecomunicaciones y otras especialidades para expresar la relación entre dos magnitudes: la magnitud que se estudia y una magnitud de referencia
LOS SENSORES ACÚSTICOS:
Los sensores acústicos
son micrófonos pequeños que detectan o bien la PRESIÓN de la onda de
sonido (omnidireccional) o bien la VELOCIDAD de la onda de sonido
(direccional). El más usado es el omnidireccional, ya que capta la
información de las ondas en un ángulo de 70 grados.
En relación al mecanismo que transmite
el cambio de PRESION de las ondas acústicas en vibraciones y
posteriormente en frecuencia, se hallan los micrófonos piezoelectricos y
los micrófonos capacitativos
- Sensor PIEZOELÉCTRICO: dispone de un diafragma que vibra con las ondas acústicas. En contacto con el diafragma está un material (cristal, cerámica…), que con las vibraciones se deforma y genera una tensión eléctrica. Esta tensión eléctrica va variando dependiendo de las ondas, y adquiere la frecuencia y amplitud. El precio es muy bajo y suele tener una sensibilidad de 1mV/µbar. La calidad del sensor disminuye con la humedad y la temperatura, y no es lineal. Solo es recomendable para la construcción de guitarras eléctricas y para detección de ultrasonidos.
- Sensor CAPACITIVO (electret): está formado por dos placas y en medio existe una carga eléctrica. Una de las dos placas es la membrana sensible a las ondas acústicas que con la vibración hacer variar la carga eléctrica y produciendo una onda de voltaje. Tiene como ventajas su buena linealidad, tamaño reducido, no es necesario alimentación y no le afecta la humedad y la temperatura. Con el uso y el polvo se deteriora. En los últimos años se han abaratado mucho este tipo de micrófonos y son los más usados.
1.- SENSOR DE SONIDO EN ARDUINO:
MÓDULO KY038 (CHIP LM393)
La utilidad de este sensor es de saltar o detectar la superación de un umbral de sonido.Este umbral se puede modificar con el potenciometro que incorpora el sensor.
La conexión del sensor seria la siguiente :
- A0 – ANALOGICO A0 ARDUINO. Es una salida analógica que nos da un valor entre 0 y 1023 en función del volumen del sonido.
- GND – PIN GND ARDUINO.
- + – PIN 5VC ARDUINO.
- DO – PIN 4 ARDUINO. Es una salida digital que actúa a modo de comparador. Si el sonido captado por el micrófono supera un determinado nivel se pone a HIGH.
Además tenemos dos LEDs, uno que nos indica si hay alimentación en el sensor y otro que se ilumina si D0 está a HIGH.
El potenciómetro nos servirá para calibrar la sensibilidad del sensor (sonido a detectar según intensidad y/o distancia del foco emisor).
El programa para controlarlo es muy sencillo y es el mismo que hemos utilizado varias veces para controlar un interruptor. La diferencia es que en vez de utilizar un pulsador, si el sensor detecta un sonido por encima del límite enviará una señal que recogeremos en la entrada digital 2.
Lo que vamos a hacer es encender un led con una palmada y a los 2 segundos se apaga. Se podría variar el tiempo de encendido del led o incluso desconectarlo con otra palmada…ya depende de la imaginación y la necesidad de cada uno
CÓDIGO: (el sensor de los chinos no se regula bien, comprar otro y mejor de sólo tres pines en vez de cuatro. Regular nuestro sensor de los chinos a un valor potenciómetro de 400 para que una palmada fuerte haga actuar el sensor). PROBAR CON EL SENSOR FC04
int analog_sensor = A0; // pin para la salida analógica del sensor
int digit_sensor = 4; // pin para el potenciómetro del sensor
int ledPin13 = 13;
int analogValue ; // valor del pin de entrada analógico
int digitValue ; // valor del pin de entrada digital
void setup () {
pinMode (ledPin13, OUTPUT);
pinMode (digit_sensor, INPUT);
Serial.begin (9600);
}
void loop () {
analogValue = analogRead (analog_sensor);
digitValue = digitalRead(digit_sensor);
Serial.println (analogValue, DEC);
Serial.println (digitValue);
if (analogValue > 400) { // nivel de sonido en el que ejecuta accion
digitalWrite (ledPin13, HIGH); // enciende el led
delay(2000); // al paso de 2 segundos
digitalWrite (ledPin13, LOW); // apaga el led
}
}
ACTIVIDADES:
1.- Modifica mediante el potenciómetro la sensibilidad del módulo y prueba con cambiar los valores de tiempo de espera del código.
2.- Interpreta y explica el siguiente código gráfico y trata de ejecutarlo en la IDE de Arduino.
LOS ULTRASONIDOS
0.- TEORÍA: LOS ULTRASONIDOS.
Los ultrasonidos son señales acústicas cuya frecuencia está comprendida
entre 20 y 400kHz. Esto es, por encima del rango de frecuencias que el
oído humano puede oír, pero que pueden ser captadas por delfines y
murciélagos, además de por sofisticados robots y hasa por los
parachoques de los coches para aparcarlos.
Los sensores de ultrasonidos permiten medir la distancia a la que se encuentra un objeto sin establecer contacto físico con él.
Para ellos se valen de:
a) emiten un pulso de señal de ultrasonido.
b) el pulso una vez rebota vuelve al sensor.
c) Se calcula el tiempo que ha tardado en el ir y volver y se puede saber la distancia del objeto.
Distancia = (Velocidad * Tiempo) / 2
La Velocidad es la del sonido en el aire, que a 20ºC es de 343 m/s, y el tiempo es el que tarda el pulso en ir y volver (por eso lo dividimos entre dos para calcular la distancia del objeto).
1.- EL MÓDULO HC-SR04 DE ARDUINO.
El HC-SR04 es un pequeño sensor de ultrasonidos que opera a una
frecuencia de 40kHz y puede detectar objetos entre 3cm y 3 m, con una
precisión de 3mm.
Este sensor tiene cuatro pines de conexión:
a) Vcc (que es para alimentar el sensor conectándolo a 5voltios)
b) Trig (es el que produce el disparo del ultrasonido), lo conectaremos a pin digital de salida.
c) echo (es el receptor de la señal de ultrasonido), lo conectaremos al pin digital de entrada.
d) GND (que se conecta a 0voltios.)
PRÁCTICA
Para medir distancias mediante un sensor de ultrasonido, generaremos un pulso de 10 microsegundos en el pin conectado a trig. De esta forma, si expresamos la distancia en cm y el tiempo en microsegundos, la velocidad del sonido será de 343 m/s = 0.0343 cm/microseg.
Luego, para saber la distancia en CM a la que está el objeto tendremos (dividimos entre porque la señal debe recorrer la distancia dos veces, una en ir y la otra en volver).
distancia= (0.0343*tiempo) / 2 = 0.017 * tiempo
El sensor consta de 4 pines: "VCC" conectado al pin de 5V de la
placa, "Trig" conectado al pin9 digital encargado de enviar
el pulso ultrasónico, "Echo" al pin8 de entrada digital que recibirá el
eco de dicho pulso y "GND" a tierra.
Enviaremos un pulso con una cresta de +5v durante 10 microsengudos y un valle de 0voltios que durará 5 microsegundos.
TIPOS DE VARIABLES EN EL CÓDIGO DE ARDUINO:
byte unaVariable = 180;
// declara 'unaVariable' como tipo byte donde almacena un número de 1Byte (entre 0 y 255)
int unaVariable = 1500;
// declara 'unaVariable' como una variable de tipo entero. Almacena números enteros de 2Bytes (entre -32768 y 32768).
Enteros son un tipo de datos primarios que almacenan valores numéricos
de 16 bits sin decimales comprendidos en el rango -32,767 a 32,768. Las variables de tipo entero “int” pueden sobrepasar su valor máximo o mínimo
como consecuencia de una operación. Por ejemplo, si x = 32767 y una posterior declaración agrega 1 a x, x = x + 1 entonces el valor se x pasará a ser -32.768. (algo así como que el valor da la vuelta)
long unaVariable = 90000;
// declara 'unaVariable' como tipo long. Almacena números enteros de 4Bytes. El formato de variable numérica de tipo extendido “long” se refiere a números enteros (tipo 32 bits) sin decimales que se encuentran dentro del rango -2147483648 a 2147483647.
CÓDIGO DEL PROGRAMA:
long distancia;
long tiempo;
int pinTrig=9;
int pinEcho=8;
void setup(){ Serial.begin(9600); pinMode(pinTrig, OUTPUT); //PIN9 como salida/TRIG para enviar el ultrasonido
pinMode(pinEcho, INPUT);//PIN8 entrada,recoge el rebote del ultrasonido
} void loop(){ digitalWrite(pinTrig,LOW); /* Por cuestión de estabilización del sensor*/ delayMicroseconds(5); digitalWrite(pinTrig, HIGH); /* envío del pulso ultrasónico*/ delayMicroseconds(10); tiempo=pulseIn(pinEcho, HIGH);
distancia= int(0.017*tiempo); //distancia medida en cm Serial.println("Distancia "); Serial.println(distancia); Serial.println(" cm"); delay(1000); }
NOTA EXPLICATIVA:
distancia= int(0.017*tiempo);
Es una función en cm para medir la longitud del pulso entrante.
Mide el tiempo transcurrido entre el envío del pulso ultrasónico
y cuando el sensor recibe el rebote, es decir: desde que el pin 8 empieza
a recibir el rebote, HIGH, hasta que deja de hacerlo, LOW,
la longitud del pulso entrante.
ACTIVIDADES:
1.- Diseña un artilugio que utilice este tipo de sensor y que active un led o zumbador cuando la distancia sea menor de una determinada cantidad.
2.- ULTRASONIDOS Y LCD
http://elcajondeardu.blogspot.com.es/2014/06/sensor-ultrasonidos-hc-sr04-con.html
