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Quarzwind, Schallstrahlungsdruck in Luft

Akustik Ak 2.1 Versuch 1.7

Einführung

Durch den vom Ultraschallgeber ausgehenden "Quarzwind" bzw. Schallstrahlungsdruck in Luft wird ein bifilar aufgehängtes Blatt Papier aus seiner Ruhelage ausgelenkt.

Material

Dreifuß
Doppelmuffe
Stativstange, 4kt, l = 1000 mm
Stativstange, l = 150 mm
Bolzen mit Stift
Universalklemme
Ultraschallgenerator
Seidenfaden, l = 200 m
(Seiden-)Papier, dünn, 5 cm x 5 cm
Klebeband

Versuchsaufbau Versuchsaufbau s. Abb. 7 (Ultraschallgenerator Betriebsart: Sinus) Vor dem horizontal angeordneten Schallkopf wird ein Stück dünnes Papier (Seidenpapier) an Seidenfäden bifilar aufgehängt. Der Seidenfaden ist dazu durch einen Bolzen (Bolzen mit Stift) geführt und an den Enden mit einem kleinen Stück Klebeband oder etwas Klebstoff am Papier befestigt. Durchführung Die vom Schallkopf abgegebene Leistung wird allmählich erhöht und das Papier beobachtet. Dabei ist zu beachten, dass der Stellknopf "Amplitude" des Generators nur kurzzeitig (weniger als 1 Minute) bis in den schraffierten Bereich gedreht wird. Ergebnis Mit größer werdender Schalleistung wird das Papier zunehmend vom Schallkopf weg ausgelenkt. Ursache dafür ist eine von der Stirnfläche ausgehende Luftströmung, der sogenannte Quarzwind. Er übt auf ein Hindernis, wie es das Papier darstellt, eine Kraft aus, die es aus seiner Ruhelage auslenkt.

Abb. 7

Anmerkung

Der Quarzwind ist in die Gruppe der nichtlinearen Effekte der Akustik einzuordnen.

Er kommt dadurch zustande, dass die schwingende Stirnfläche des Ultraschallgebers die benachbarten Luftteilchen während einer Schwingungsphase vorwiegend senkrecht zur Schwingungsfläche wegstößt (Abb. 7a). In der nächsten Schwingungsphase, beim Rückgang der Fläche, wird die vorher weggestoßene Luft jedoch nicht vollständig zurückgesaugt,

Abb. 7a,b

und es strömt neue Luft von der Seite heran (Abb. 7b), die in der nächsten Halbperiode wieder senkrecht zur Schwingungsfläche weggestoßen wird. Damit ergibt sich im zeitlichen Mittel eine Luftströmung in Richtung der Flächennormale der schwingenden Fläche, die beim Auftreffen auf ein Hindernis einen Schallstrahlungsdruck bewirkt.

Hinweis

Der Schallstrahlungsdruck ist auch ein Maß für die Energiedichte des Schallfeldes. Wegen der starken Absorption von Ultraschall (der gegebenen Frequenz) in Luft lässt sich jedoch nur annähernd von dem auf das Papierstück wirkenden Druck auf die Schallfeldenergie schließen.