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Eigenschaften, Einsatz, Versuchshinweise

Akustik Ak 2.1

Ak 2.1 Starker US-Sender für Flüssigkeiten - Allgemeine Hinweise

1. Einleitung

1.1 Eigenschaften und Anwendungen des Ultraschalls

Als Ultraschall bezeichnet man die Ausbreitung von Schallwellen im Frequenzbereich von 20 kHz bis etwa 1013 Hz. Nach derzeitigem Kenntnisstand erstreckt sich die Gültigkeit der physikalischen Gesetze der Akustik des Hörschallbereiches auch bis in das Gebiet des Ultraschalls. Da für Wellen das Produkt aus Frequenz und Wellenlänge im allgemeinen konstant und gleich der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle ist, sind beim Ultraschall wegen der hohen Frequenz die Schallwellenlängen sehr viel kleiner als die des Hörschalls.

Gerade durch die Kleinheit der Wellenlänge ergeben sich besondere Anwendungen des Ultraschalls auf verschiedenen Gebieten. Bei der Benutzung von Ultraschall lassen sich z. B. Schallgeschwindigkeitsmessungen auf sehr viel kleinerem Raum durchführen. Die hohen Frequenzen bedingen andererseits in Verbindung mit den kleinen Wellenlängen große Druckgradienten- und Beschleunigungswerte im Ausbreitungsmedium. Daher treten bei Ultraschallschwingungen ganz besondere Erscheinungen auf, die beim Hörschall nicht oder nur schwer zu beobachten sind. Hinzu kommt, dass beim Ultraschall wegen der ausbleibenden Gehörbelästigung mit sehr viel höheren Schallenergien als beim Hörschall gearbeitet werden kann.

Nahezu alle spezifischen Ultraschalleigenschaften haben zu technischen Anwendungen geführt. Beispiele aus der Mess- und Prüftechnik sind die Dickenmessung und die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung, sowie aus dem medizinischen Bereich die Ultraschalldiagnostik. Die Messverfahren beruhen auf der Kleinheit der Wellenlänge. Die großen erreichbaren Druckgradienten und die hohen Energiedichten liegen z. B. der Kavitationswirkung des Ultraschalls, dem Emulgieren und Koagulieren oder dem Schweißen mit Ultraschall zugrunde.

1.2 Einsatz und Einteilung der Versuche zum Ultraschall

Versuche zum Ultraschall ermöglichen so im Unterricht zum einen das Erarbeiten des Wellencharakters des Schalls und lassen in der Gegenüberstellung zu Experimenten im Bereich des Hörschalls die Abhängigkeit der Wellenphänomene von Frequenz und Wellenlänge besonders deutlich werden. Zum anderen gestatten sie, die der technischen Anwendung zugrunde liegenden physikalischen Prinzipien zu demonstrieren und zu erarbeiten, so dass sich Ultraschallversuche gleichermaßen für den Physik- und den technischen Unterricht eignen.

In dem vorliegenden Handbuch werden Versuche zum Ultraschall beschrieben, die sich mit dem Phywe- Ultraschallgenerator und dem Ultraschallaufnehmer durchführen lassen. Dabei wurde eine Aufteilung gewählt, die neben sachlogischen auch gerätetechnische Aspekte berücksichtigt, und zwar wurden die Versuche nach der jeweils benutzten Betriebsart Sinus oder Impuls des Generators und dem Einsatz des Ultraschallaufnehmers zusammengefasst.

1.2.1 Spezielle Wirkung des Ultraschalls
Ultraschall im Sinusbetrieb (Ultraschallaufnehmer nicht erforderlich)

In diesem Teil sind die Versuche zusammengefasst, die Ultraschallphänomene wie Zerstäubung, Kavitation, Emulgation, Koagulation, Wirkungen des Schallgleich- und - wechseldrucks, die Wärmewirkung usw. aufzeigen und die darauf basierenden technischen Verfahren, wie z. B. das Ultraschallschweißen, darzustellen und zu untersuchen gestatten.

1.2.2 Projekte des Ultraschall-Wellenfeldes
Ultraschallgenerator im Sinusbetrieb (Ultraschallaufnehmer nicht erforderlich)

Dieses Kapitel enthält Versuche zu den unterschiedlichen optischen Verfahren der Projektion von Ultraschallwellfeldern wie die Schlierenmethode, die Zentralprojektion usw. in Flüssigkeiten.

1.2.3 Welleneigenschaften des Ultraschalls
Ultraschallgenerator im Sinusbetrieb, Ultraschallaufnehmer

In den Versuchen dieses Teiles wird die Ausbreitung von Ultraschallwellen in Flüssigkeiten und Festkörpern untersucht.
Welleneigenschaften wie überlagerung und Reflexion und die Welle kennzeichnenden Größen wie Wellenlänge, Amplitude, Ausbreitungsgeschwindigkeit und Phasenlage werden untersucht und bestimmt.

1.2.4 Laufzeitmessung von Ultraschallimpulsen
Ultraschallgenerator im Impulsbetrieb, Ultraschallaufnehmer

Die Ausbreitung von Ultraschallimpulsen in Flüssigkeiten und Festkörpern wird näher untersucht. Aus Laufzeitmessungen werden die jeweiligen Schallgeschwindigkeiten ermittelt bzw. in Umkehrung dieses Verfahrens bei bekannten Ausbreitungsgeschwindigkeiten die Schallwege bestimmt. Dabei werden die Verfahren der technischen Ultraschall-Längenmessung in Versuchen dargestellt und erarbeitet.

2. Hinweise zu den Versuchen

2.1 Der Ultraschallgenerator

Der Ultraschallgenerator dient zur Erzeugung sinusförmiger Ultraschallwellen der Frequenz f = 800 kHz (Sinusbetrieb). Die Wellen werden von einem Schallkopf mit einem piezokeramischen Wandler abgestrahlt. Die Schallleistung ist im Sinusbetrieb kontinuierlich einstellbar und beträgt maximal 16 Watt.

Der Schallkopf kann wahlweise auch durch elektrische Impulse angeregt werden (Impulsbetrieb). Er strahlt dann pulsartig kurze Wellenzüge (Anstiegszeit < 3 ms) ab mit einer Pulsfolgefrequenz von 500 Hz.

Die Generatorausgänge "Monitor" und "Synchr." dienen zur Darstellung der Schall- bzw. Generatorsignale auf einem Oszilloskop.

Im Sinusbetrieb ist die Monitorspannung der Erregerspannung proportional (0...5 V_ss). Ihre Phasenlage zur Erregerspannung kann mit dem Stellknopf "Phase" um ca. 150° verschoben werden.

Die Synchr.-Spannung ist phasenstarr mit der Erregerspannung verbunden und in der Amplitude konstant(U_ss ≈ 5 V).

Im Impulsbetrieb liefern beide Ausgänge eine Spannung der Impulshöhe 5 V_s. Der "Monitor"-Impuls setzt dabei gleichzeitig mit dem Erregerimpuls ein, so dass bei der Darstellung des Monitor- und des aufgenommenen Schallimpulses auf einem Oszilloskop die Laufzeit des Schallimpulses bestimmt werden kann. Der am Ausgang "Synchr." entnommene Spannungsimpuls setzt ca. 10 ns vor Monitor- und Erregerimpuls ein, so dass diese bei externer Triggerung mit dem Synchr.-Signal mit Sicherheit oszillografisch erfasst werden.

Bei den Versuchen ist zu beachten, dass im Sinusbetrieb die am Generator eingestellte Erregerspannung einen gewissen Grenzwert nicht überschreitet, wenn dem Schallkopf relativ wenig Energie entzogen wird, wie z. B. beim Arbeiten in Luft.

Dies ist gewährleistet, wenn die Marke des Amplituden-Stellknopfes nicht bis in den schraffierten Bereich gedreht wird.

Andernfalls kann die zu starke Wärmeentwicklung den Schallkopf bei längerem Betrieb (> 2 min.) beschädigen.

Taucht dagegen die Abstrahlfläche des Schallkopfes in eine Flüssigkeit, so kann auch im Dauerbetrieb mit maximaler Erregerspannung gearbeitet werden. Beim Impulsbetrieb ist die (feste) Erregerleistung auch für Arbeiten in Luft hinreichend niedrig. Nähere Einzelheiten zum Ultraschallgenerator sind der Bedienungsanleitung zu diesem Gerät zu entnehmen.

2.2 Daten

Größen des vom Schallkopfes erzeugten Wellenfeldes:

Bei der Ausbreitung der vom Schallkopf in Wasser abgestrahlten Wellen ergeben sich mit der Schallgeschwindigkeit c = 1480 m/s (bei 20°) und der Dichte ρ = 1 g/cm³ des Wassers die Werte der folgenden Grössen:

Wellenlänge:

Energiedichte:

( = I/c)

= 21,6 Ws/m3 (N/m2)

Schallstrahlungsdruck:

(S = )

S = 21,6 Pa

Schallwechseldruck-Amplitude:

P = 3,08 · 105 Pa

Schallschnellenamplitude:

Schwingungsamplitude:

2.3 Ultraschallaufnehmer

Der Ultraschallaufnehmer liefert dem Schallwechseldruck proportionale Spannungssignale und ermöglicht die Darstellung von Ultraschallwellen und Ultraschallimpulsen auf dem Oszilloskop. Er ist wasserdicht und enthält als piezoelektrischen Wandler einen Ultraschallquarz, der auf die Generatorfrequenz von 800 kHz abgestimmt ist.

Er kann wahlweise auf zwei Arten an ein Oszilloskop angeschlossen werden. Bei hinreichend großen Spannungssignalen wird er über zwei Verbindungsleitungen und einen im Lieferumfang des Ultraschallgenerators enthaltenen Adapter, BNC-Stecker, 4 mm-Buchsen mit dem Oszilloskopeingang verbunden. Um das Rauschen bei geringer Signalhöhe zu vermindern, wird über den Adapter, einen Kabelverbinder und ein abgeschirmtes Kabel BNC, hergestellt.

Auf Polung beim Anschluss des Ultraschallaufnehmers ist dann zu achten, wenn seine nach außen zeigende Quarzfläche einen geerdeten Gegenstand, z. B. die Stirnfläche des Schallkopfes, berührt. Die Polung zum Oszilloskop wird dann so gewählt, dass diese Quarzfläche ebenfalls mit dem Erdleiter des Oszilloskops bzw. der Abschirmung verbunden ist, um den Quarz nicht kurzzuschließen.

2.4 Ankoppelung des Schallkopfes

Bei den Versuchen, bei denen der Schallkopf an ein Material wie z. B. eine Küvettenwand angekoppelt wird, ist auf eine gute Schallübertragung zu achten. Man lässt daher zwischen den Berührungsflächen als Kopplungsflüssigkeit etwas Glycerin oder Wasser verlaufen. Da Glycerin wegen seiner größeren Zähigkeit insbesondere an senkrechten Flächen besser haften bleibt, wird bei den Materiallisten und Versuchanordnungen generell auf Glycerin verwiesen.

Eine optimale Schallankopplung erreicht man, wenn die Stirnfläche des Schallkopfes vollständig an der jeweiligen Materialfläche anliegt und keine Lufteinschlüsse vorhanden sind. Bei durchsichtigen Körpern wie einer Küvettenwand oder dem verwendeten Kunstharzblock lässt sich dies optisch leicht überprüfen.

2.5 Vermeidung von Reflexionen

Bei der Messung in Flüssigkeiten kann die Reflexion von Schallwellen an den Gefäßwänden zu stehenden Wellen bzw. bei Schallimpulsen zu Mehrfachechos führen und das Versuchsergebnis beeinträchtigen.

Darauf wird in den betreffenden Versuchen jeweils hingewiesen und als Abhilfe die Abdeckung der dem Schallkopf gegenüberliegenden Gefäßwand mit saugfähigem Papier empfohlen.

Statt dessen können natürlich auch andere schallabsorbierende Materialien wie dickerer Stoff, Filz, Korkstreifen usw. verwendet werden.

3. Allgemeines

Die jeweils beschriebenen Versuchsaufbauten sind als Beispiele oder Vorschläge zu betrachten. Häufig bieten sich mehrere Möglichkeiten der Versuchsanordnung. So lassen sich die Versuche des Kapitels 2 zur Zentralprojektion sowohl mit einer Experimentierleuchte mit Kondensor als auch mit einem Laser und einer Strahlaufweitungslinse durchführen.

Einige Versuche wurden bei diesem Beispiel daher unter Verwendung der Experimentierleuchte, andere unter Verwendung mit dem Laser beschrieben und Alternativen jeweils in den Hinweisen erwähnt.

Alternativen bieten sich z. B. bei der Schallgeschwindigkeitbestimmung auch bei den zu untersuchenden Flüssigkeiten oder Festkörpern. Hier können zur Versuchsdurchführung auch andere Materialien geeigneter Konsistenz oder Form verwendet werden.

In der Tabelle zum "Ultraschallgenerator" sind daher die Dichten und Schallgeschwindigkeiten gebräuchlicher Materialien zusammengestellt.