Escuchar las ondas: cómo construir un altavoz Teach article

Traducción de Elisa López Schiaffino. Investigue la ciencia del sonido y del electromagnetismo con esta actividad práctica que puede hacer usted mismo.

Los seres humanos han creado música desde tiempos prehistóricos: desde el golpe rítmico con palos y piedras de nuestros primeros antepasados hasta la creación de sinfonías complejas de los últimos siglos. Hoy en día, podemos escuchar música en cualquier momento y lugar, en parte gracias a los altavoces en nuestros teléfonos inteligentes o en los reproductores de MP3. Es algo que la mayoría de los estudiantes hacen a diario, pero ¿cuántos de ellos realmente comprenden cómo funciona un altavoz?

Este artículo explica cómo construir un altavoz con materiales sencillos (Capell Arques, 2011). Las actividades les permiten a los estudiantes observar directamente una aplicación clara y común de la física del sonido y el electromagnetismo de manera divertida y motivadora.

Al construir su propia versión de un altavoz, los estudiantes aprenderán sobre las formas de onda y sobre la física del sonido.
mtmmonline/pixabay.com, CC0

¿Cómo funciona un altavoz?

Un altavoz convierte una corriente eléctrica en sonido (transforma la energía eléctrica en acústica) mediante dos componentes principales: un imán y una bobina de alambre.  Cuando circula una corriente eléctrica por la bobina, produce un campo magnético (como lo describe la ley de inducción de Faraday), lo que transforma la bobina en un electroimán.

Sin embargo, la corriente que produce una señal de audio no es constante, sino que alterna rápidamente entre valores positivos y negativos. Esto significa que la corriente en la bobina continuamente cambia de dirección, lo que también sucede con la polaridad del campo magnético inducida por esta corriente. Si acercamos un imán permanente con un campo magnético constante a la bobina, el imán permanente y el electroimán (la bobina) interactúan y alternan rápidamente entre atracción y repulsión, lo que resulta en movimientos de un lado a otro (vibraciones) del imán y la bobina. Estas vibraciones pasan al aire circundante. Cuando llegan al tímpano, el cerebro interpreta las vibraciones como sonido si la frecuencia está dentro de la zona auditiva (entre los 20 Hz y los 20 kHz).

En nuestro experimento, usamos un imán de neodimio cilíndrico y sujetamos la bobina y el imán a unos CD o DVD viejos. Cuando se coloca el CD con la bobina arriba del CD con el imán y se conecta la bobina a la señal de audio, la bobina y el imán interactúan. Como el CD con el imán es mucho más pesado que el CD con la bobina, podemos ignorar la vibración del CD con el imán y solo considerar la vibración del CD con la bobina.

The main components of the homemade loudspeaker include an audio source, wire coil, magnet and plastic cup. The coil and magnet are attached to CDs or DVDs for support.
Los componentes principales del altavoz casero incluyen una fuente de audio, una bobina de alambre, un imán y un vaso de plástico. Se sujeta la bobina y el imán a los CD o DVD para que queden fijos.
Elizabeth Goiri
Audio source: Fuente de audio; Permanent magnet: Imán permanente; Plastic cup: Vaso de plástico; Wire coil (electromagnet): Bobina de alambre (electroimán); CDs: Dos CD

Actividad 1: construcción del altavoz

Esta actividad tomará aproximadamente 50 minutos y puede realizarse con estudiantes de entre 14 y 16 años. Recomendamos trabajar en grupos de 3 a 4 estudiantes.

Materiales

Para construir un altavoz:

  • Un imán de neodimio cilíndrico de aproximadamente 20 mm de diámetro y 10 mm de altura
  • Alambre de cobre esmaltado, de 0,2 mm de diámetro y alrededor de 3,5 m de largo
  • Cable de audio de 3,5 mm, monofónico o estereofónico (vea la figura 1 para determinar el tipo de cable que tiene). También puede usar auriculares viejos. Tenga en cuenta que el procedimiento requiere cortar el cable.
  • Escarbadientes
  • Dos CD o DVD viejos
  • Dos cables con pinzas cocodrilo
  • Un tapón de corcho de botella de vino
  • Pegamento de PVA
  • Papel de lija o cuchilla de un cúter
  • Tijeras o pelacables
  • Cinta adhesiva
  • Vaso de plástico
  • Una fuente de señales de audio con un conector de audio (por ejemplo, una computadora, un reproductor de MP3 o un teléfono inteligente)

Nota de seguridad

Tenga cuidado al manipular los imanes de neodimio para evitar dañar los materiales eléctricos o aplastarse los dedos entre los dos imanes. También sea precavido al pelar los cables de audio con las tijeras o el pelacables.

 

Figure 1: Identify the type of cable (and the different wires it contains) by counting the number of black insulating rings on the audio jack.
Figura 1: Identifique el tipo de cable (y los cables diferentes que contiene) contando el número de anillos negros aislantes del conector de audio.
Elizabeth Goiri
Audio: Audio; Audio (left): Audio (izquierda); Audio (right): Audio (derecha); Earth: Tierra; Microphone: Micrófono; Mono audio jack: Conector de audio monofónico; Stereo audio jack: Conector de audio estéreo; Stereo jack with microphone: Conector estéreo con micrófono

Procedimiento

  1. Tome el alambre de cobre, deje entre 5 y 10 cm de alambre suelto en el extremo inicial y enrolle aproximadamente 50 vueltas de alambre alrededor del tapón de corcho del modo más compacto posible. Deberá quitar la bobina de alambre del corcho cuando haya terminado, así que no lo enrolle demasiado apretado. Puede colocar un escarbadiente entre el corcho y el alambre para dejar un espacio. 
  2. Corte el alambre y deje alrededor de 40 cm sobrantes en el extremo final.
  3. Con cuidado, quite el alambre del tapón de corcho. Enrolle el trozo largo de alambre sobrante alrededor de la bobina para que no se desarme y deje entre 5 y 10 cm de alambre en el extremo, como muestra la figura 2.
     

    Figure 2: The coil for the loudspeaker is created by winding copper wire around a wine cork.
    Figura 2: Se construye la bobina del altavoz al enrollar alambre de cobre alrededor de un tapón de corcho.
    Elizabeth Goiri
     

  4. Use el papel de lija o la cuchilla del cúter para quitar el esmalte de los últimos 1–2 cm de ambos extremos del alambre. 
  5. Adhiera la bobina al centro de un CD con pegamento de PVA (el disco servirá para sostener la bobina).
  6. Con unas tijeras o un pelacables, corte y pele el cable de audio para que se vean los cables que contiene en su interior. Normalmente, los cables a tierra no están recubiertos y los cables de audio tienen un recubrimiento de plástico (figura 3).
     

    Figure 3: A stripped stereo audio cable shows two audio wires and one bare earth wire.
    Figura 3: Un cable pelado de audio estéreo tiene dos cables de audio y un cable a tierra sin recubrimiento.
    Elizabeth Goiri
     

  7. Use el cable con pinzas cocodrilo para conectar el cable de audio a un extremo de la bobina y el cable a tierra al otro extremo de la bobina. Si tiene un cable estéreo, conecte solo uno de los canales de audiofrecuencia a la bobina (el cable de audio izquierdo o derecho) y deje el otro sin usar.
  8. Pegue o sujete con cinta adhesiva el imán de neodimio cilíndrico al centro de un segundo CD (figura 4).
     

    Figure 4: Using tape or glue, the magnet is fixed to a CD for support.
    Figura 4: Pegue el imán al CD con cinta adhesiva o pegamento para que quede fijo.
    Antxon Anta
     

  9. Apoye el CD que tiene el imán sobre una superficie plana (con el imán hacia arriba) y coloque arriba de este el CD que tiene la bobina (con la bobina hacia arriba). 
  10. Enchufe el conector de audio a la fuente de audio (figura 5). Según nuestra experiencia, la fuente más fiable es una computadora, ya que puede que la corriente de algunos teléfonos inteligentes sea demasiado débil. 
     

    Figure 5: The components of the loudspeaker, using an mp3 player for the audio source
    Figura 5: Los componentes principales del altavoz, con un MP3 como fuente de audio
    Antxon Anta
     

  11. Reproduzca una canción o un archivo de audio y suba el volumen por completo. Si todo está conectado correctamente, debería escuchar el sonido débil pero con claridad. Dependiendo de la potencia del imán, incluso puede llegar a sentir que la bobina vibra cuando la toca.
  12. Para aumentar el volumen, presione el vaso de plástico contra la bobina.
  13. Mueva los CD para variar la distancia entre la bobina y el imán. ¿Cómo afecta esto al volumen y por qué? 

Los sonidos y las formas de onda

El volumen (la amplitud de la vibración) y el tono (la frecuencia de la vibración) están determinados por la forma y el tipo de corriente transmitida en función del tiempo; es decir, la forma de onda. Esta forma de onda contiene toda la información sobre el sonido codificado en el archivo de audio. Básicamente, la forma de onda describe la dependencia del tiempo en relación a tres componentes: la corriente eléctrica, el campo magnético inducido y la vibración de la bobina.

Audacityw1, un programa de audio de código abierto, es una herramienta maravillosa para estudiar el sonido (la forma de onda, la amplitud, el tono y el timbre).  En la siguiente actividad, los estudiantes usarán este programa para visualizar la forma de onda del sonido que reproduce el altavoz casero.

Actividad 2: visualización de la forma de onda 

Con esta actividad, los estudiantes pueden comprender que la forma de onda que ven tiene la forma de la corriente dependiente del tiempo que se transmite de la fuente de audio a la bobina. Esta corriente induce un campo magnético variable en la bobina, con la misma forma de onda.  Los estudiantes deben trabajar en los mismos grupos de antes; la actividad tomará aproximadamente 20 minutos.

Materiales

  • Un altavoz casero
  • Una computadora con el programa Audacity instalado
  • Archivos de audio de su elección

Procedimiento

  1. Primero, con Audacity, genere un tono puro (sinusoidal) en el altavoz (Menú: Generar > Tono). Los estudiantes verán la onda generada en la pantalla (figura 6A). Reproduzca el tono en el altavoz.
  2. Luego, importe un archivo de audio, por ejemplo una canción (Menú: Archivo > Importar > Audio). 
  3. Use la herramienta Ampliación para ver la forma de onda con mayor claridad. La figura 6 muestra imágenes de ampliaciones sucesivas de la forma de onda de la canción «The healing game» de Van Morrison. Si la ampliamos lo suficiente, la forma de onda misma se torna visible.
  4. Experimente con el programa e investigue las diferencias de amplitud y forma de onda al desplazarse por el archivo de audio.
  5. Audacity muestra la duración de un intervalo de tiempo seleccionado en la parte inferior de la pantalla. Use esta función para calcular la frecuencia de las vibraciones midiendo los intervalos de tiempo de un pico a otro. 
Figure 6: A: pure 440 Hz sine wave generated by Audacity; B: entire audio clip of ‘The Healing Game’ by Van Morrison imported into Audacity; C: close-up of the red-outlined area in panel B; D: further zoom showing part of the waveform from panel C (marked in red), which corresponds to the current through the coil
Figura 6: A: una onda sinusoidal pura de 440 Hz que genera Audacity; B: fragmento de audio de la canción «The healing game» de Van Morrison que se ha importado a Audacity; C: ampliación del área delineada con rojo en el panel B; D: mayor ampliación que muestra parte de la forma de onda del panel C (área marcada con rojo), que corresponde a la corriente que pasa por la bobina     
Elizabeth Goiri

Discusión

Según nuestra experiencia con este proyecto, a los estudiantes les resulta una manera sencilla y divertida de comprender la física del altavoz. Las siguientes preguntas pueden ayudar a evaluar la comprensión de los estudiantes sobre los conceptos vistos.

  • ¿Qué es un altavoz? Nombre las partes principales.
  • ¿Qué dispositivos usa que emplean una bobina y un imán para producir sonido?
  • ¿Qué serie de acontecimientos lleva a que el altavoz produzca un sonido?
  • ¿Para qué se presiona el vaso de plástico contra la bobina?
  • ¿Qué efecto tiene aumentar o disminuir la distancia entre los dos CD?
  • ¿Qué pasaría si quitáramos el imán permanente que está sujeto al CD?
  • ¿Qué tipo de interacción hace que la bobina vibre?
  • ¿Qué describe la forma de onda (como la que se ve en Audacity)?
  • ¿Cómo se relaciona la vibración del aire circundante con la vibración (el desplazamiento) de la bobina?
  • ¿Qué puede deducir sobre la frecuencia de las vibraciones al ver estas formas de onda?

Otras ideas

Hay diferentes maneras de adaptar o complementar nuestro proyecto, por ejemplo: 

  • Una variación es pegar la bobina al fondo de un vaso de papel o plástico y conectarla a una fuente de audio mediante el cable de audio. Acerque la abertura del vaso a su oreja y sostenga un imán cerca de la bobina para escuchar el sonidow2
  • Con cuidado, desarme un par de auriculares para identificar las partes que lo componen (p. ej., la bobina y el imán)w3
  • Investigue el funcionamiento de un tocadiscos (la versión mecánica de un altavoz) para tener otra manera de comprender la relación entre el sonido y las formas de ondaw4

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References

Web References

Resources

Institution

Science on Stage

Author(s)

Antxon Anta enseña matemáticas, física y química en una escuela alemana en San Sebastián (Deutsche Schule San Alberto Magno), en España, y ha enseñado muchos cursos de perfeccionamiento docente en distintas partes del país. Antxon participa frecuentemente en las ferias nacionales de ciencia y en la competencia anual «Ciencia en Acción», en la que ha ganado numerosos premios.

Elizabeth Goiri tiene un doctorado en nanociencia de la Universidad del País Vasco (España) y un máster en educación secundaria con especialización en física y química. Realizó la pasantía de su máster en la escuela alemana en San Sebastián, bajo la supervisión de Antxon Anta.Ambos participaron en el festival «Science on Stage» de 2017 en Debrecen (Hungría) con su proyecto «Física para todos».


Review

A menudo se piensa que el electromagnetismo es un concepto difícil de comprender, pero este artículo demuestra una aplicación novedosa e interesante que les permite a los docentes incorporar el aprendizaje activo a sus clases.

Este artículo es adecuado para hacer una demostración con estudiantes de 11 a 14 años. Con estudiantes de 14 a 16 años, se puede usar para investigar cómo funciona un altavoz. Como extensión de la actividad, los docentes pueden organizar una competencia en la clase para determinar cuál es el altavoz con la mejor calidad de sonido y luego analizar el porqué con los estudiantes. Para estudiantes mayores (de 16 a 19 años), el artículo podría ser un punto de partida para presentar el concepto de corriente de Foucault, y los estudiantes pueden investigar el efecto de esa corriente en la calidad de sonido del altavoz.

Los principios descritos en esta actividad también están relacionados con la sismología, y los estudiantes pueden usar la bobina electromagnética para captar las oscilaciones causadas por las vibraciones (p. ej., temblores) que pueden visualizar en Audacity.


Colin Oates, docente de física, Escocia (Reino Unido)




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