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El fonógrafo de Edison – Una herramienta para enseñar acústica
Inventado por Thomas Edison en 1877.
El fonógrafo inventado por Thomas Edison en 1877 fue el primer dispositivo capaz de grabar y reproducir sonido.
Además, es una herramienta ideal para enseñar acústica a estudiantes de todas las edades gracias a que es un dispositivo puramente mecánico (sin componentes eléctricos) y con gran transparencia en su operación.
Pensando en un fin educativo, se construyó una réplica del fonógrafo de Edison y se hicieron públicos los planos mecánicos y la lista de materiales.
El fonógrafo puede ser usado para enseñar temas de acústica avanzada, así como el modelado matemático de sistemas de dominio de energía múltiple.
El modelado de circuitos analógicos es una técnica común enseñada a estudiantes de posgrado de acústica, en donde los componentes físicos de distintos dominios son representados mediante elementos “analógicos” de circuitos eléctricos. Esta técnica, emplea ciertas hipótesis sobre el dispositivo físico (como por ejemplo, la vibración uniforme de los componentes).
Cuando se comparan las predicciones del modelo con los datos de medición, es importante para los estudiantes entender el intervalo de validez del modelo resultante de estas hipótesis.
Para este propósito se creó un modelo de circuito analógico de la réplica de fonógrafo para ser comparado con mediciones de laboratorio.
Con el uso de un vibrómetro de escaneo láser PSV-I-400LR (SLDV) se consiguieron mediciones auxiliares que dan idea de la validez del resultado del modelo supuesto y obtiene los datos primarios con los que se compara el modelo. En este artículo se discuten los dos temas.
Haciendo mediciones de la bocina.
El fonógrafo utiliza una bocina acústica para amplificar el sonido a medida que viaja dentro y fuera de la boquilla.
El modelo supone que las paredes de la bocina son rígidas y que no vibran en respuesta a un campo acústico. Para demostrar el impacto de esta suposición en la transmisión de una onda acústica a través de la bocina, el vibrómetro láser mide la velocidad superficial de las paredes de la bocina mientras que un micrófono mide la presión acústica en la garganta de ésta.
Este tipo de medición se llevó a cabo con 2 diferentes tipos de bocina, una hecha de fibra gruesa de densidad media (MDF) y otra de papel cartulina. Se usó un altavoz para la transmisión de ruido blanco para la excitación acústica de cada bocina.
El promedio espacial de la velocidad superficial de la bocina de cartulina es de aproximadamente un orden de magnitud mayor que para la bocina de MDF.
Esta interacción entre el sonido y la estructura tiene un efecto importante en las mediciones acústicas.
Para las primeras tres resonancias axiales de la bocina, la presión acústica medida en el micrófono usando la bocina de cartulina, genera aproximadamente la mitad de la presión acústica que se midió en la bocina MDF.
Debido a que la no rigidez de la bocina de cartulina podría afectar el modelo de comparación de los datos medidos, la bocina MDF fue elegida para el resto de las mediciones.
Diafragma para la medición del fonógrafo.
Otra hipótesis del modelo es que el diafragma del fonógrafo vibra uniformemente. Para probar la validez de esta hipótesis la boquilla del fonógrafo fue posicionada en la garganta de la bocina.
El vibrómetro láser midió la velocidad superficial del diafragma del fonógrafo mientras que el altavoz excitó acústicamente el sistema.
El diafragma vibra uniformemente por debajo de 1.5 kHz
Las mediciones del vibrómetro revelaron que el diafragma vibra uniformemente por debajo de 1.5 kHz y presenta un movimiento ondulatorio por encima de 1.5 kHz.
Medición del modelo de comparación.
Las mediciones del diafragma que se describieron en la sección anterior comprenden los datos primarios con los que se comparó el modelo. La medición y el modelo de la presión acústica en la garganta de la bocina MDF, muestra la velocidad del diafragma.
Los datos medidos son el promedio lógico de los 5 puntos escaneados más cercanos al centro del diafragma.
El modelo se encuentra acorde con los datos medidos arriba de 1.2 kHz.
La diferencia mayor se presenta en la función de transferencia de la velocidad por encima de 1.5 kHz después de que se observó la aparición de vibraciones modales.
El movimiento uniforme de los elementos mecánicos es uno de los supuestos incorporados al modelo del circuito analógico, por lo tanto, una vez que cesa el movimiento uniforme, no se puede esperar una concordancia entre las mediciones y las predicciones del modelo.
Conclusión.
En este artículo, la réplica del fonógrafo original de Edison fue usada para ilustrar conceptos relacionados con los modelos de circuitos analógicos en sistemas de dominio de energía múltiple.
La réplica, junto con las capacidades de medición del vibrómetro láser permite a los estudiantes obtener un entendimiento del impacto de las hipótesis de los modelos.
Las mediciones del vibrómetro resaltaron la limitación de los supuestos del modelo y proporcionaron los datos primarios con los que el modelo fue comparado.
Se mostró que la respuesta acústica de la bocina de cartulina es difícil de modelar debido a la rigidez y que la vibración modal del diafragma no es capturada por el modelo, a pesar de estas limitaciones, el modelo de circuito analógico proporciona un buen ajuste a los datos medidos por debajo de 1.2 kHz.
El siguiente video es una demostración de un fonógrafo de papel aluminio hecho en casa por Andrew R. McNeese, Jason D. Sagers, Richard D. Lenhart, and Preston S. Wilson de la Universidad de Texas.
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Referencias: Jason D. Sagers, Andrew R. McNeese, Richard D. Lenhart, Preston Wilson, Applied Research Laboratories, University of Texas at Austin, (2012) Sounds Good, Revista InFocus, Polytec, 01(24-25), Optical Measurement Solutions.
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