Schallgeschwindigkeit

    Tacho!


    Ich wollte eben mal die Schallgeschwindigkeit in Luft bestimmen. Eigentlich eine unkomplizierte und einfache Messung, wenn man die entsprechende Mittel dafür hat.


    Tonimpuls auf einen Lautsprecher geben und gleichzeitig eine "Stoppuhr" starten, die wiederum beim Signaleingang des Tonimpulses in das Messmikro gestoppt wird. Zeit und Entfernung ist bekannt, also kein Problem.


    Da mir das nicht zur Verfügung steht, zumindest nicht so, dass die "Stoppuhr" auch gestoppt werden kann, entschied ich mich für folgende Methode:
    Das Signal eines Tongenerators wird auf den 1. Kanal eines Oszi gegeben und auf einen Lautsprecher.
    Am 2. Kanal des Oszi ist ein Mikro angeschlossen, welches nun verschoben wird. Aufgrund der zeitlichen Verschiebung der Signale zwischen Kanal 1 und 2 sollte sich das ganze berechnen lassen. Die Zeitverschiebung ist bekannt und die Entfernung.
    Das seltsame dabei ist, dass ich je nach Frequenz unterschiedliche Geschwindigkeiten herausbekomme, die aber auch nicht im entferntesten zu der eigentlichen Schallgeschwindigkeit passen, die ja zudem unabhängig von der Frequenz ist.


    Kann das an einer sehr ungenauen Zeitbasis des Oszi liegen. Das ganze war ein HAMEG mit 35MHz oder ist der Versuchsaufbau generell mist?
    Wäre dankbar für Meinungen.


    Grüßle,
    michael

    Laut heisst nicht immer gleich gut und toll und wer schreit ist meist im Unrecht.

    Nein! Kann ausgeschlossen werden, da es mit einem anderen, computergestüzten Meßverfahren funktioniert. Das wäre aber zu aufwendig und vor allem nicht transparent.


    Zudem liegt die Abweichung völlig daneben. Da kommen Werte um 800 m/s raus. Wenn es das Einschwingverhalten wäre, so müsste das doch auch langsamer sein, also < 343m/s (was ja rauskommen sollte bei 20°C).
    Zudem sehe ich auf dem Oszi ja beide Sinuse.


    Grüßle,
    michael

    Laut heisst nicht immer gleich gut und toll und wer schreit ist meist im Unrecht.

    Das sind doch feste physikalische Größen die bekannt und berechenbar sind ganz ohne Messung. Für was benötigt man eine solche Messung?
    Kann mir schon vorstellen das verschiedene Frequenzen hier Variablen zu Tage bringen, wiederum abhängig vom Wandler, aber ob die so extrem unterschiedlich sein können? Vielleicht wenn die einen Teile gerichteter sind, um was für einen Wandler dreht es sich? Breitbandlautsprecher? Wie kann man sich deinen Messaufbau mechanisch vorstellen. Also welcher Wandler, genaue Positionierung des Messmikrofons usw.?

    In meinem Lexikon fehlt das Wort unmöglich!


    ASR Computer & PA Technik
    André Ruhnau
    Rosenstr.6
    78598 Königsheim

    Also ums erstmal festzuhalten: Die Schallgeschwindigkeit (in einem isotropen blabla Medium) ist für alle Freqzenzen gleich. Daran ändern auch die Luftdissipation (anhängig von Temperatur und Luftdruck) und die Bündelungseigenschaften oder Konstruktionsprinzipien von Lautsprechern nichts.


    Zum Thema: Wie bestimmst du aus zwei (eingeschwungenen) Sinus-Signalen einen zeitlichen Versatz? Oder benutzt du Sinus-Bursts?

    Hallo,


    ich habe keine Ahnung von dem Thema, aber ich sitze hier im Hotel blöde rum, habe eine offene Dose Budweiser neben mir stehen, und eine Bierlänge Zeit mir 'nen Kopp darum zu machen:


    Wie gesagt - keinen Plan von Lautsprechern, aber ich denke, dass das elektrische Signal, welches du mit dem Oszi misst, nicht zur gleichen Zeit die Membrane bewegt. Die Membrane ist träge und wird dem elektrischen Feld in der Spule immer hinterher wandern. Ich kenne das von Elektromotoren. Die "hinken" auch immer ein wenig hinterher. Dieses "hinken" ist bei Messungen mit verschiedenen Entfernungen konstant.


    Wenn du jetzt folgendes machst:


    Messe mal mindestens zwei Messungen bei unterschiedlichen Entfernungen. Trage diese in einem Diagramm auf:
    x-Achse = Zeitdifferenz
    y-Achse = Entfernung


    Durch die Punkte ziehst du eine Ausgleichsgerade. Diese schneidet irgendwo im positiven Bereich die x-Achse. Dies müsste die Verzögerung sein, die die Lautsprecherträgheit verursacht. Die Steigung der Geraden ist dann die Schallgeschwindigkeit. - Glaube ich, die Bierdose leert sich...


    Wenn du jetzt von dieser Gerade die Geradengleichung der Form y=m*x+b bestimmst, dann passiert folgendes -> Dafür brauch ich noch ein Bier:


    Wir definieren:
    T = gemessene Zeit
    s = Abstand
    c = Schallgeschwingigkeit
    skorr = Fehler der Messung in "Entfernungseinheit"
    Tkorr = Fehler der Messung in "Zeiteinheit"
    y = m * x + b -> s = c * T + skorr


    skorr ist "langweilig" - Tkorr ist viel toller
    -> Tkorr = -skorr / c


    Es kann sein, dass ich hier völligen Humbug verzapft habe. Das Bier hat auf jeden Fall geschmeckt.


    Gruß aus Korea
    Andreas

    1. Was für ein Mess-Signal ?
    2. Wie getriggert ?


    Bei "Sinus" (besonders, wenn der zeitliche Versatz mehrere Perioden umfasst) stell ich mir das etwas "heikel" vor. :wink:


    By the way: Hast du nur eine Dose Budweiser getrunken ? :D

    Nochmal: Falls das Signal nachhinken (Einschwingen des Wandlers, Latenzzeit der Membran, usw) würde, so müsste ich doch eine Geschwindigkeit deutlich kleiner der Schallgeschwindigkeit finden, oder? Die errechnete Geschwindigkeit ist aber deutlich größer!


    Kracky
    Die Lichtgeschwindigkeit ist auch eine festgerschriebene Größe und dennoch wird sie im Physikunterricht gemessen, ebenso wie die Schallgeschwindigkeit eben auch in Abhängigkeit zu unterschiedlichen Gasen oder Temperaturen.
    Es geht hier schlicht um eine didaktische Anwendung und nicht um eine technische.


    Volker
    Eben darum verwundert es mich noch mehr, dass ich eine anscheinende Frequenzabhängigkeit messe, da das ja völliger Humbug ist.


    Ich arbeite beim beschriebenen Verfahren mit einem kontinuierlichen Sinussignal.
    Der andere Aufbau (bei dem Funktioniert es) verwendet einen Impuls. Es wird einfach die Zeit zwischen Abgabe des (elektrischen) Impulses und der Aufnahme mit dem Mikro (wie eben üblich) gestoppt.
    Wenn es denn eine Latenz gibt, so würde man diese hier auch sehen, was aber nicht der Fall ist.


    Hier mal eine Skizze des Aufbaues:

    Den Zeitversatz erkennt man ja hoffentlich aus den beiden zueinander verschobenen Sinuswellen. Wenn ich das Mikro oder den Lautsprecher gegeneinander verschiebe sehe ich das auch auf dem Scope. Leider ist das errechnete Ergebnis murks. Warum?
    Übringens: das Scope wird über Kanal 1 getriggert.


    Wenn ich das Mikro direkt in den Lautsprecher "stopfe" sind beide Signal ziemlich Deckungsgleich. Das sich das um mehrere Perioden verschieben kann und auch wird (bei entsprechendem Abstand) ist mir schon bewußt. In diesem Fall sollte dann aber immer irgendwie ein mehrfaches der Schallgeschwindigkeit herauskommen, oder?


    Grüßle,
    michael

    Laut heisst nicht immer gleich gut und toll und wer schreit ist meist im Unrecht.

    Wie Tomy schon schreibt: 1:1 wirst du die Zeit nur messen koennen, wenn der Abstand zwischen Mikrofon und Lautsprecher kleiner als 1 Wellenlaenge der Messfrequenz ist.


    Wenn du 1 Wellenlaenge (und Vielfache der Wellenlaenge) weg bis, wirst du scheinbar auf eine unendliche Schallgeschwindigkeit kommen ;)




    Uebrigens ist das der Weg, der sicher zum Ziel fuehrt: Mikrofon solange vom Lautspecher entfernen, dass beide Signale wieder in Phase sind. Ueber Periodendauer Frequenz bestimmen, dann Wellenlaenge mittels Metermass (Abstand LAutsprecher - Mikrofon) bestimmen, dann Schallgeschwindigkeit mittels Frequenz und Wellenlaenge bestimmen (so passt es in die bekannten Formeln - ich weiss, dass es auch direkt aus Wellenlaenge und Periodendauer geht ;) ).


    Sicher wird die Messung noch genauer, wenn du den Abstand zwischen dem Punkt misst, an dem das Signal erstmals gleichphasig dem Generatorsignal ist und dem Punkt bei dem das beim zweiten Mal der Fall ist. Du misst dann nicht die 360° zwischen 0° und 360° sondern die zwischen 360° und 720°. Genauer ist das deshalb, weil bestimmt 0° nicht genau feststellbar ist (an welchem Punkt strahlt eigentlich ein Lautsprecher) und weil du so auch einen evtl. Phasendreher nicht "mitmisst". Wichtig ist dann aber, dass die beiden Messpunkte und der Lautsprecher auf einer Achse liegen.


    VG bemi

    Wenn du wirklich nur den Direktschall (!) mißt und in unmittelbarer Membran-Nähe keinen zeitlichen Versatz mit dem Mikro feststellst, dann solltest du bei einer Vergrösserung des Abstandes korrekte Werte bekommen - falls nicht, hast du im Meßaufbau irgendwo einen "Zinken" drin (gleiche Polarität ... oder bei einem Kanal auf negativer Halbwelle "synchronisiert" ?). :)

    Zitat von &quot;yamaha4711&quot;


    In diesem Fall sollte dann aber immer irgendwie ein mehrfaches der Schallgeschwindigkeit herauskommen, oder?


    Nein, denn du musst zur gemessenen 'Laufzeit' eine oder mehrere Periodendauern der Sinusschwingung dazu zählen.


    Tomy

    SIM II Operator and Dante Level I-II-III (alles sogar zweimal :)
    Jugendschwimmabzeichen, Rettungsschwimmabzeichen in Bronze
    Meine kommerziellen Softwareprodukte SATlive und LevelCheck

    Zitat von &quot;TomyN&quot;

    Nein, denn Du musst zur gemessenen 'Laufzeit' eine oder mehrere Periodendauern der Sinusschwingung dazu zählen.


    Wenn du das Mikro um weniger als eine Wellenlänge verschiebst, so funktioniert das wieder mit meiner obigen "Theorie". Also auch, wenn der Abstand zwischen Messmikro und LS größer als eine Wellenlänge ist.


    Gruß aus Korea
    Andreas

    Ich werde das ganze am Montag im Labor mal alles nachmessen und neu justieren. Mal sehen ob ich irgendwo in der Sammlung ein Speicheroszi herbekomme, denn dann kann ich mit einem Burst oder einem Impuls arbeiten. Das würde die Sache einfacher machne.


    Grüßle,
    michael

    Laut heisst nicht immer gleich gut und toll und wer schreit ist meist im Unrecht.

    Sodele,


    habe gestern also nochmal im Labor gewütet, da es mich doch ziemlich gewurmt hat und der Mühe Lohn: es funktioniert.


    Der Aufbau ist derselbe.
    Es wird wie bisher auch ein cont. Sinussignal benutzt


    Änderung:
    Start- und Endpunkt der Messung. Laut Skizze messe ich an einer Stelle x mit dem Mikro und gehe davon aus, dass die Schallwelle am Lautsprecher beginnt (was sie ja auch tut). Dennoch kommt da murks raus.
    Nun verfahre ich wie folgt... Das Mikro wird solange verschoben, bis die beiden Siunse deckungsgleich sind. Die Strecke s1 von LS zu Mikro wird gemessen oder man markiert die Stelle des Mikros. Dann verschiebt man das Mikro um s2, bis die beiden Sinuse wieder deckungsgleich sind. Das ganze kann man natürlich auch um mehrere Perioden verschieben. Nun hat man ein delta s, man weiß um wieviele Perioden man verschoben hat und man kennt die zeitliche Periodenlänge.


    Die Berechnung kann sich jeder selbst zusammenreimen:
    Wegstreckendifferenz bilden
    zeitliche Periodendauer mit der Anzahl an zur Deckung gebrachten Perioden multiplizieren oder eben die ermittelte Wegstreckendifferenz durch diese Anzahl teilen.
    Weg-Zeit-Gesetz anwenden. Bingo - es kommt etwas um die 340m/s innerhalb der Fehlertoleranz heraus und es ist (oh wunder) frequenzunabhängig.


    Damit habe ich einen Didaktisch sinnvollen und hoffentlich für die meisten Schüler durchschaubaren Aufbau mit kleinem Materialaufwand.


    Danke für die Anregungen.


    Grüßle,
    michael

    Laut heisst nicht immer gleich gut und toll und wer schreit ist meist im Unrecht.