Ultraschall-Experimente

Bauteilesatz im Online-Shop: www.ak-modul-bus.de/stat/bauteilesatz_ultraschallversuche.html

Typische Ultraschallwandler arbeiten mit einer Frequenz von 40 kHz. Bei prinzipiell gleichem Aufbau gibt es Sender- (T) und Empfänger-Typen (R). Für erste Versuche braucht man einen einstellbaren 40-kHz-Oszillator. Dafür bietet sich der gute alte Timerbaustein 555 an.

Die Schaltung wurde auf einer Steckplatine aufgebaut. Die Stromversorgung kommt von einer 9-V-Batterie. Mit dem Poti kann ein Frequenzbereich von etwa 25 kHz bis 100 kHz eingestellt werden. Wenn man die Stromaufnahme misst, kann ein Maximum bei der Resonanzfrequenz des Wandlers festgestellt werden.

Der Ultraschallsender erzeugt nun ein unhörbares 40-kHz-Signal. Damit lässt sich der Empfänger testen. Am besten geht dies mit einem Oszilloskop. Im Abstand von 10 cm liefert der Empfänger eine Spannung von 1 Vss, wenn die Freqeunz des Senders auf das Maximum der Signalspannung eingestellt wird. Ein zusätzlicher Lastwiderstand von etwa 2 kOhm halbiert die Ausgangsspannung, die Impedanz des Wandlers beträgt also ebenfalls ca. 2 kOhm.

Nun kann man bereits ganz ohne Verstärker einige Experimente durchführen. Untersuchen Sie die Richtwirkung des Senders und des Empfängers. Eine Abweichung von etwa 10 Grad führt zu einer Abschwächumg um 3 dB. Untersuchen Sie auch die Reichweite, bzw. die Signalspannung in Abhängigkeit vom Abstand Sender-Empfänger. Sogar bei einem Abstand von mehreren Metern ist das Empfängersignal noch nachweisbar.

Bei Abständen unter 10 cm findet man eine vom Abstand abhängige Signalspannung mit ausgeprägten Minima und Maxima. Durch Reflexion am Empfänger entstehen stehende Wellen. Die Minima haben einen Abstand von einer halben Wellenlänge. Die Wellenlänge hängt von der Schallgeschwindigkeit und der Frequenz ab und beträgt etwa 300 m/s / 40000 Hz = 0,0075 m = 7,5 mm. Die Minima liegen also im Abstand von ca. 3,75 mm. Verwenden Sie den Versuchsaufbau zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit.