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Messung des Schallstrahlungsdrucks mit einer Waage

Akustik Ak 2.1 Versuch 1.11

Einführung

Aus der scheinbaren Gewichtserhöhung beim Beschallen einer mit Wasser gefüllten Küvette kann der Schallstrahlungsdruck berechnet werden.

Material

Dreifuß
Stativstange, 4kt, l = 400 mm
Doppelmuffe
Universalklemme
Erlenmeyerkolben 200 ml, weithalsig, SB 45
Präzisionswaage, volldigital, 1000 g, 220 V
Ultraschallgenerator
Wasser

Versuchsaufbau Versuchsaufbau s. Abb. 11 (Ultraschallgenerator Betriebsart: Sinus) Ein Erlenmeyerkolben wird mit Wasser gefüllt und auf die Schnellwaage gestellt. Der in einer Universalklemme gehalterte Schallkopf wird so justiert, dass er mit der Stirnfläche einige Millimeter in das Wasser eintaucht. Durchführung Die Waagenanzeige wird zunächst bei nicht eingeschaltetem Generator abgelesen. Die Messung wird bei Beschallung mit maximaler Amplitude wiederholt. Dabei sollte nach dem Einschalten des Generators eine Zeit von etwa 10 Sekunden abgewartet werden, damit die maximale Schalleistung erreicht wird.

Abb. 11

Ergebnis

Beim Beschallen erhöht sich der Anzeigewert der Waage. Als typisches Messbeispiel erhält man eine scheinbare Massezunahme von

   Δm = 1,0 g

Das entspricht einer durch die Beschallung bewirkten Kraftzunahme auf die Waagschale von

   ΔF = Δm · g = 9,8 · 10^-3 N

mit der Erdbeschleunigung g = 9,81 m/s.

Eine gleichgroße Gegenkraft wirkt auf die Stirnfläche des Schallkopfes. Mit seiner wirksamen Fläche von A = 5,0 cm² ergibt sich damit ein Druck in dem Bereich dieser Fläche von

   

der dem Strahlungsdruck im Bereich der Stirnfläche entspricht. Aus dem Strahlungsdruck kann auf die Energiedichte

   

geschlossen werden.

Der im Versuch bestimmte Schallstrahlungsdruck ist das Ergebnis nichtlinearer Effekte bei der Schallausbreitung in Flüssigkeiten. Er wird auch als Langevinscher Strahlungsdruck bezeichnet.

Hinweise

Zwischen dem Schallkopf und dem Küvettenboden können sich stehende Wellen ausbilden, das Versuchsergebnis beeinflussen und bei bestimmten Abständen einen größeren oder kleineren gemessenen Schalldruck bewirken. Dies wird jedoch durch die geneigten Seitenflächen des Erlenmeyerkolbens weitgehend vermieden. Nahezu ganz unterbunden wird die Ausbildung stehender Wellen durch zerknülltes saugfähiges Papier am Küvettenboden.

Vernachlässigt wurden bei der Auswertung des Versuches Auftriebskorrekturen, die sich aus der Hubdifferenz der Waagschale und der damit verbundenen unterschiedlichen Eintauchtiefe des Schallkopfes bei ab- bzw. angeschaltetem Ultraschall ergeben. Bei Waagen mit größerem Hub sollte bei genauerer Auswertung die Eintauchtiefe des Schallkopfes berücksichtigt werden.