Labor für Technische Akustik

Transkript

1 L a: Oszilloskop e: Ultraschallwandler 40 khz b: C-Verstärker : Generator 40 khz c: Ultraschallwandler 40 khz g: Generator 40 khz d: Ultraschallwandler 40 khz

2 1. Versuchsziele Mit einem Oszilloskop soll die beobachtet sowie deren Schwingungsrequenz und Schwebungsrequenz S bestimmt werden. nschließend ist die Schwingungsrequenz mit dem Mittelwert und die Schwebungsrequenz S mit der Dierenz der Einzelrequenzen und zu vergleichen. 2. Theoretische Grundlagen uch bei Ultraschall ührt die Überlagerung zweier Wellen mit geringügig voneinander abweichenden Frequenzen bzw. zu dem Phänomen der Schwebung. n einem esten Ort lautet die Summe der Einzelschwingungen beider Wellen s( t) = 0 = 2 cos(2π 0 cos π ( t + ϕ ) + cos(2π 0 ϕ ) t + ϕ 2 t + ϕ ) + ϕ + ϕ cos 2π t (1) wobei ϕ und ϕ vom eobachtungsort und von den Nullphasenwinkeln der Wellen abhängen. Sie lässt sich als eine Schwingung mit der mittleren Frequenz + 1 = = (2) 2 T und der sich periodisch ändernden mplitude ( t) = 20 ϕ ϕ cos 2π t + (3) 2 2 auassen. Die Zeit T S zwischen zwei aueinanderolgenden Minima der mplitude (t), also zwischen zwei Schwebungsknoten (s. bb.1) heißt Schwebungsdauer und die Frequenz S 1 = (4) T Schwebungsrequenz. Für sie gilt der Zusammenhang S S =. (5) 2

3 bb. 1: Schwebung zweier Ultraschallwellen Drei Ultraschallwandler dienen je nach eschaltung als Sender bzw. Empänger. Die Umwandlung zwischen elektrischer und mechanischer Energie erolgt durch ein piezoelektrisches Material. Legt man eine elektrische Wechselspannung an das piezoelektrische Material, lieert der Wandler als Sender bei seiner Resonanzrequenz eine genügend hohe Schallamplitude. Umgekehrt regen die Schallwellen mechanische Schwingungen im Wandler an. Der Wandler dient in diesem Fall als Empänger. Die mplitude der erzeugten piezoelektrischen Spannung ist proportional zur Schallamplitude. 3

4 3. Versuchsaubau Geräteliste 3 Ultraschallwandler, 40 khz Generator 40 khz C-Verstärker Oszilloskop 1 Messkabel NC/4 mm Sockel Der Versuchsaubau ist au der Titelseite dieser nleitung dargestellt; die Komponenten werden olgendermaßen miteinander verbunden: o die Ultraschallwandler (d) und (e) als Sender jeweils mit einem Generator () und (g) o der empangende Ultraschallwandler (c) über den C-Verstärker (b) mit mit Kanal 1 des Oszilloskops (a) Die beiden als Sender arbeitenden Ultraschallwandler in einem bstand von d = 10 cm mit paralleler bstrahlausrichtung austellen. Den empangenden Ultraschallwandler (c) mittig in einer Enternung von L = 50 cm von den Sendern austellen. Für beide Generatoren die etriebsart kontinuierliches Signal wählen. Den C-Verstärker au etriebsart ( ) und zunächst au minimale Verstärkung einstellen. Hinweise: Der C-Verstärker und der Funktionsgenerator verügen über eine bschaltautomatik, deshalb bei ehlendem Signal die Geräte manuell aus- und wieder einschalten. Screenshots des Oszilloskops werden durch Drücken der Taste Quick ction au einem vorne eingesteckten US-Stick als png-ilddateien mit dem Dateinamen scope_xx gespeichert. 4

5 4. Versuchsdurchührung a) Einstellung der Generatorrequenzen: Einen Generator einschalten, den anderen Generator ausschalten. Die Frequenz am Generator dahingehend einstellen, dass die Signalamplitude au dem Oszilloskop ein Maximum erreicht. (Einstellungen am Oszilloskop: mplitude 500 mv/div.; Zeitbasis: 50 µs/div.) Nun den aktiven Generator ausschalten, den anderen Generator einschalten. Die Frequenz so einstellen, dass die Signalamplitude in etwa gleich der zuvor eingestellten Signalamplitude ist. b) Darstellung der Schwebung au dem Oszilloskop eide Generatoren einschalten. Die Generatorrequenzen und die Einstellungen am Oszilloskop dahingehend anpassen, dass die Schwebung als stehende Kurve au die ildschirm dargestellt wird, z.. o Generatorrequenzen und leicht variieren o Triggerpegel (Drehknop Level ) und Horizontalablenkung o Triggereinstellungen: Modus uto; Kopplung Geichstrom o Eventuell Verstärkung des C-Verstärkers anpassen o Messung einrieren mit Taste Run/Stop c) Messung der Schwebungsdauer T S und der Schwingungsdauer T estimmen sie mit Hile der Cursor am Oszilloskop die Schwebungsdauer T S und die Schwingungsdauer T. Ermitteln sie auch die Einzelschwingungsdauern T und T, indem sie jeweils einen Generator ausschalten. 5

6 5. uswertung estimmung der Einzelrequenzen und, der Schwebungsrequenz S und der Schwingungsrequenz. Vergleich der Schwebungsrequenz S mit der Dierenz der Einzelrequenzen und. Vergleich der Schwingungsrequenz mit dem Mittelwert der Einzelrequenzen und. Erläutern Sie die Messergebnisse. 6