Versuch 23

Wir messen Frequenz, Wellenlänge und Ausbreitungsgeschwindigkeit von Ultraschallwellen und simulieren das Prinzip der Echoortung.

Motivationsvideo

Das Video soll eine zusätzliche Motivation für den Praktikumsversuch sein. Es ersetzt nicht die Vorbereitung auf den Versuch. Die im Video gezeigten Experimente entsprechen nicht unbedingt den Aufgaben in der Versuchsanleitung.

Versuchsaufbau

Versuchsaufbau mit Ultraschallgenerator, Oszilloskop, Sender und Empfänger, Schiene mit verschiedenen Halterungen.

Ultraschallgenerator

Eigenbau-Funktionsgenerator M1449. Je nach Einstellung wird eine sinusförmige Wechselspannung mit variabler Frequenz, eine sinusförmige Wechselspannung mit 40 kHz oder kurze Pulse mit 40 kHz ausgegeben.

Sender und Empfänger

Die Ultraschalltransmitter können als Sender und Empfänger verwendet werden.

Oszilloskop

Die Signale werden an einem Digitaloszilloskop LeCroy WaveAce 1001 dargestellt.

Das Oszilloskop dient allgemein zur Darstellung von Spannungen (Vertical) gegen Zeiten (Horizontal). Das hier verwendete Oszilloskop hat zwei Kanäle, d.h. es gibt zwei Eingänge für Spannungen 1 und 2 und entsprechend zwei Kurven auf dem Display.

📄 LeCroy Datasheet.pdf

Funktionsgenerator und Oszilloskop verwenden die weitverbreiteten BNC-Steckverbinder, koaxiale Stecker mit einem Bajonettverschluss, gut geeignet für Wechselspannung mit Frequenzen bis etwa 1 GHz.

🔗 https://de.wikipedia.org/wiki/BNC-Steckverbinder

Die verwendeten Kabel sind zweipolige Koaxialkabel mit Innen- und Außenleiter, meist vom Typ RG-58.

🔗 https://de.wikipedia.org/wiki/Koaxialkabel

Das Video soll eine zusätzliche Motivation für den Praktikumsversuch sein. Es ersetzt nicht die Vorbereitung auf den Versuch. Die im Video gezeigten Experimente entsprechen nicht unbedingt den Aufgaben in der Versuchsanleitung.

Hörbarer Schall

Das menschliche Ohr hört Töne mit Frequenzen zwischen rund 20 Hz und 20 kHz, wobei die Obergrenze stark altersabhängig ist. Selbst an der Schmerzschwelle betragen die Druckschwankungen nur einen Bruchteil des Atmosphärendrucks. Die Isophonen entsprechen jeweils einer konstanten subjektiv empfundenen Lautstärke.

🔗 https://www.mu-sig.de/Theorie/Akustik/Akustik06.htm

Echoortung

Manche Tiere, beispielsweise Fledermäuse, nutzen Echoortung zur Orientierung im Raum. Dabei werden Rufe ausgestoßen, an Hindernissen entstehen Echos, die das Tier wahrnimmt und auswertet.

🔗 https://de.wikipedia.org/wiki/Echoortung_(Tiere)

Im Experiment simulieren wir das Prinzip der Echoortung durch Messungen in verschiedene Richtungen. Bei der Messung unter 30° sehen wir am Oszilloskop auf Kanal 2 das grüne Signal (links). Dieses Signal wird dann in einem Polarkoordinatendiagramm dargestellt, in dem der Abstand vom Mittelpunkt der Laufzeit entspricht (rechts).

🔗 https://de.wikipedia.org/wiki/Polarkoordinaten

📄 Polarkoordinatendiagramm.pdf

Sonografie

In der medizinischen Diagnostik wird Ultraschall in der Sonografie als bildgebendes Verfahren eingesetzt. Dabei nutzt man Echos, die an Grenzflächen zwischen verschiedenen Materialien entstehen. Moderne Geräte ermöglichen zeitaufgelöste Messungen, dreidimensionale Darstellung oder Information über Strömungsgeschwindigkeiten.

🔗 https://de.wikipedia.org/wiki/Sonografie