A05 Ultraschall A05. Schnelleamplitude

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Helene Alke Glöckner
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1 A05 Ultraschall A05 1. LITERATUR Bergmann/Schäfer; Experimentalphysik, Bd.1 (am ausführlichsten, dort finden Sie alle Details) Hering/Martin/Stohrer; Physik für Ingeneure 2. FRAGEN 1. In welchem Frequenzbereich spricht man von Ultraschall? In welchem Frequenzbereich hören Menschen? 2. Im Praktikum stehen Ultraschallsender mit 30 khz und 800 khz zur Verfügung. Wie groß sind die entsprechenden Wellenlängen in Luft, Wasser, Aluminium? 3. Für den 800 khz Sender sind folgende Daten gegeben: Leistung P = 10 W Schallfläche A = 5 cm 2. Damit ergeben sich für Wasser: I = P/ A -2 = 20kWm Schallstärke E = I / c -3 = 13,5 Wsm Energiedichte * p = E = 13,5 Pa Schallstrahlungsdruck pˆ = 2I ρ c 5 = 2,4 10 Pa Druckamplitude vˆ = pˆ/ ρ c -1 = 0,16ms Schnelleamplitude xˆ = vˆ/ 2π f = 0,032µm Verschiebungsamplitude c : p 0 : p : f : ρ : Schallgeschwindigkeit Normaldruck tatsächlicher Druck p* = p - p 0 Frequenz Dichte Bemerkenswert ist der Wechseldruck in der Welle. Die Flüssigkeit wird periodisch mit über 2 bar Überdruck und Zugspannung belastet und die Beschleunigungsamplitude aˆ = 2π f vˆ = 8 10 ms erreicht, 8-2 verglichen mit g, enorm große Werte. Die menschliche Schalleistung bei normaler Unterhaltung liegt bei nur 10-5 W. Die qualitativen Versuche unter 3. lassen sich aus diesen Werten erklären. Sie sind in Bergmann/Schäfer Bd.1 eingehend beschrieben. 4. Unter welchen Bedingungen entstehen stehende Wellen? Was "steht"? Wie lautet die Beziehung für die Auslenkung ξ in Abhängigkeit von Ort x und Zeit t: ξ = ξ ( xt, )? 5. Wo liegen in einer stehenden Welle die Auslenkungs- und wo die Druckbäuche? Zeichnung! Physikalisches Anfängerpraktikum Universität Hannover

2 A05 A Versuche mit dem 800 khz-sender A05 A 3. QUALITATIVE VERSUCHE Der US-Sender (US = Ultraschall) im Praktikum gibt maximal eine Leistung von 20 W ab. Dabei erwärmt sich der Geber in Luft so stark, dass er sich selbst zerstört. Der markierte Gefahrenbereich auf dem Sender darf daher nur kurzfristig (½ Minute) eingestellt werden Zerstäuben von Wasser, Tinte Der US-Sender muss für die Versuche auf Sinus-Betrieb gestellt werden. Auf den US-Geber wird ein Tropfen Wasser gegeben. Drehen Sie kurzfristig die Leistung bis in den Gefahrenbereich Wärmewirkung Auf den US-Geber wird ein Tropfen Wasser gegeben. Drücken Sie einen Plexiglasstreifen - mit dem Wärmepapier nach oben - kräftig auf den Geber. Beobachten Sie das Wärmepapier, wenn Sie die Leistung kurzfristig bis in den Gefahrenbereich erhöhen Nachweis durch den Piezoeffekt Mit einem Tropfen Wasser wird eine kleine Piezokristallscheibe auf den US-Geber gelegt. Die Neonglimmlampe zeigt die Ladungsverschiebungen des Piezokristalls an. Tatsächlich besteht der US-Geber selbst auch aus einem solchen Piezokristall. Was ist der piezoelektrische Effekt? Warum leuchten beide Elektroden? 3.4. Druckwirkung in Luft und Wasser 1. Vor den US-Geber wird eine Kerze gestellt. Drehen Sie schnell den US-Sender auf volle Leistung und danach sofort wieder zurück. 2. Mit einem Tropfen Wasser wird eine Zylinderküvette (1/4 mit Wasser gefüllt) auf den US-Geber gestellt. Halten Sie bitte, bitte die Küvette dabei fest. 2

3 A05 A Versuche mit dem 800 khz-sender A05 A 4. QUANTITATIVE VERSUCHE 4.1. Bestimmung der Frequenz Der US-Empfänger wird mit einem Tropfen Wasser direkt auf den US-Sender gelegt. Erzeugen Sie ein stehendes Bild auf dem Oszilloskop. Mit welcher Zeiteinstellung und Triggerung erreichen Sie das am besten? Vergleichen Sie Monitorsignal und Empfängersignal. Bei welcher Frequenz schwingt der Sender? 4.2. Kaloriemetrische Bestimmung der US-Leistung Der Schallkopf wird mit seiner Oberfläche in das Wasser im Dewargefäß eingetaucht. Wenn Sie sicher sind, dass der Schallkopf in das Wasser ragt, drehen Sie den US-Sender für die Dauer der Messung (ca. 5 Minuten) in den Gefahrenbereich auf Vollausschlag. Das Wasser absorbiert die Schallenergie und erwärmt sich. Bestimmen Sie zunächst die Masse m des Wassers durch Differenzmessung (Dewargefäß: leer - voll). Messen Sie die Zeit t, in der sich das Wasser um T = 4 C erwärmt. Q = m c T Q : zugeführte Energie m : Masse des Wassers c : spez. Wärme von Wasser T: Temperaturdifferenz Berechnen Sie die abgegebene US-Leistung P = Q / t in der Zeit t Laufzeitmessung in einem Kunstharzblock Der US-Sender muss für diesen Versuch auf Impuls-Betrieb gestellt werden. Der Empfänger sieht den Impuls um die Laufzeit durch den Kunstharzblock verschoben. Die Triggerung ist nicht ganz einfach, holen Sie bitte Ihren Assistenten herbei. Gemessen werden die Laufzeitunterschiede t zwischen Sender- und Empfängersignal. Je 2 Messungen in Transmission für zwei verschiedene Dicken d. Messen Sie die Dicken d mit einem Maßstab aus. Wassertropfen nicht vergessen. Wie groß ist die Schallgeschwindigkeit in Kunstharz? 3

4 A05 B Versuche mit dem 37 khz-sender A05 B Der US-Sender für die folgenden Versuche besitzt eine Resonanzfrequenz bei etwa khz. 5. BESTIMMUNG DER SCHALLGESCHWINDIGKEIT IN LUFT Stehen sich Sender und Empfänger im Abstand d frontal gegenüber, so bilden sich zwischen ihnen stehende Wellen aus. Die Amplitude dieser Welle wird maximal, wenn der Empfänger nahe einem Knoten steht, also für d = n λ/ Ermittelung der Resonanzfrequenz Stellen Sie Sender und Empfänger etwa 30 cm entfernt voneinander auf die optische Schiene. Variieren Sie die Frequenz, bis Sie die Resonanzfrequenz gefunden haben. Verändern Sie bitte die Frequenz danach nicht mehr Ermittelung der Wellenlänge: Verschieben Sie bitte den Empfänger. Für 20 aufeinander folgende Maxima des Empfängersignals ist die Verschiebung d = 20 λ möglichst genau zu bestimmen. Bestimmen Sie aus der eingestellten Frequenz f und der gemessenen Wellenlänge λ die Schallgeschwindigkeit c Noch einmal: durch Phasenlage Schieben Sie den Empfänger auf einen Knoten der Welle (Druckmaximum) und stellen Sie bitte Sender- und Empfängersignal auf dem Oszilloskop etwa gleich groß dar. Schalten Sie dann das Oszilloskop auf X-Y Betrieb. Bewegen Sie den Empfänger längs der optischen Schiene bis Sie 20 aufeinander folgende gleiche Phasenlagen durchfahren haben. Notieren Sie wieder den Abstand d und die Frequenz f. 1. Wie entstehen die beobachteten Kurven auf dem Oszilloskop (Lissajous Figuren)? Wann beobachtet man einen Kreis, wann eine Diagonale? 2. Berechnen Sie die Schallgeschwindigkeit c aus Ihren Messdaten. 4

5 A05 B Versuche mit dem 37 khz-sender A05 B 6. REFLEXION VON US-WELLEN An Grenzflächen werden US-Wellen genauso wie andere Wellen reflektiert Die Entfernung ändert sich: Wie lässt sich das messen? Sender und Empfänger werden nebeneinander auf einem Halter parallel ausgerichtet. Halten Sie verschiedene Gegenstände in etwa 50 cm Entfernung vor die Anordnung: Heft, Metallplatte, Styropor, Hand, Kerze,.. Verschieben Sie die Gegenstände ein wenig längs der Schiene. Beobachtung? Keine Messung. Verwenden Sie die Metallplatte und wählen Sie zunächst den Abstand L so, dass die Phasenverschiebung zwischen Y 1 /Y 2 Null ist (Abb. links oben). Verschieben Sie dann die Platte um drei verschiedene Werte d und messen Sie die zugehörigen Phasenverschiebungen t. 1. Berechnen Sie aus den Phasenverschiebungen t die Abstandsänderungen d = c t/2 mit c aus 5. und vergleichen Sie diese mit den gemessenen Werten d. 2. Wie genau kann man bei dieser Anordnung d ausmessen? Wie könnte man die Genauigkeit steigern? 6.2. Echolot Mit dem Verfahren aus 6.1. lässt sich zwar die Abstandsänderung von L um d angeben, nicht aber der Abstand L selbst. Dies gelingt mit Laufzeitmessungen, wenn der Sender nur kurze Pulse abgibt. Im Praktikum lässt sich dazu der Sender über ein Relais mit 50 Hz takten. Das Sendersignal hat die in der Abb. links oben gezeigte Form. Diese 0,01 s langen Pulse werden wie in Versuch 6.1. reflektiert und erscheinen um die Laufzeit t verschoben (Abb. links unten). Aufbau wie unter 6.1. Impulsbetrieb (RELAIS an). Verändern Sie den Abstand L stetig von 0 auf 1 m. Beobachtung? Messen Sie drei verschiedene Abstände L und notieren Sie die zugehörige Zeitverschiebung t. 1. Aus der Zeitverschiebung t - der Laufzeit - lässt sich der Abstand L = c t/2 berechnen. Vergleichen Sie die berechneten und ausgemessenen Längen L. 2. Welche maximale Entfernung lässt sich mit dieser Anordnung im Praktikum ausmessen? Wie könnte man sie noch vergrößern? 5

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