Ultraschall – eine Technik die uns täglich begleitet? Inhalt

Ultraschall – eine Technik die uns täglich begleitet?
Inhalt
1. Erzeugung und Eigenschaften von Ultraschall
2. Experimente
2.1 „kleine“ Experimente
2.1.1 Zerstäubung von Flüssigkeiten
2.1.2 Was ist „Gasblasenkavitation“?
2.1.3 Herstellung von Emulsionen mit Hilfe von Ultraschall
2.1.4 Was ist eine „Koagulierung durch Ultraschall“?
2.1.5 Veranschaulichung des Strahlungsdrucks in Luft und Wasser
2.1.6 Erwärmung von Festkörpern mit Ultraschall
2.1.7 Erwärmung von Flüssigkeiten (z.B. Wasser) mit Ultraschall
2.1.8 Bestimmung der Schallleistung
2.2 „große“ Experimente
2.2.1 Bestimmung der Wellenlänge einer stehenden Ultraschallwelle
2.2.2 Darstellung einer Schallwelle mit Hilfe eines Oszilloskops
2.2.3 Bestimmung der Schallgeschwindigkeit in Metallen
2.2.4 Funktionsweise eines Echolots / SONARs
2.2.5 Bestimmung der Ausbreitungsgeschwindigkeit einer
Ultraschallwelle
2.2.6 Frequenzbestimmung mit Hilfe eines Digitalzählers
3. Quellen

1. Erzeugung und Eigenschaften von Ultraschall
Als Ultraschall bezeichnet man Schallwellen im Frequenzbereich von 20 kHz bis etwa 10 10 Hz.
Dieser Schall ist vom Menschen nicht wahrnehmbar, einige Tiere (Fledermäuse, Hunde, Wale,…)
haben allerdings einen Hörbereich, der teilweise im Ultraschallbereich liegt.
Da die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Ultraschalls der des hörbaren Schalls c entspricht und wie
bei jeder Welle durch das Produkt aus Frequenz f und Wellenlänge 8 gegeben ist, ist die Wellenlänge
des Ultraschalls wesentlich kürzer als die des hörbaren Schalls. In der technischen Anwendung sind
Frequenzen von einigen hundert kHz üblich.
Für den hier verwendeten Ultraschallsender erhält man im kontinuierlichen Betrieb bei einer
Ausbreitungsgeschwindigkeit in Luft von c = 340 m/s und einer Frequenz von f = 800 kHz eine
Wellenlänge von 8 = 0,425 mm.
Die Ausbreitung des Ultraschalls beruht auf dem gleichen Phänomen wie im hörbaren Bereich. Auch
Ultraschall ist eine Longitudinalwelle. Aufgrund der kleinen Wellenlänge lässt sich Ultraschall
jedoch sehr viel besser bündeln als Schall niedrigerer Frequenz, so dass feine Strukturen besser
aufgelöst werden können.
Der Ultraschallsender besteht aus einem mit Metall wasserdicht umschlossenen Quarzplättchen. Der
verwendete Quarz hat die oben angegebene Eigenfrequenz von f0 = 800000 Hz. Um den Quarz zum
Schwingen anzuregen, wird über das schwarze abgeschirmte Kabel eine Wechselspannung an den
Quarz angelegt, die bewirkt, dass sich der Quarz ausdehnt bzw. zusammenzieht 1 . Der Quarz ist auf
ein dünnes Metallplättchen geklebt, das die Stirnseite des Ultraschallsenders bildet und die erzeugte
Schwingung an das umgebende Medium überträgt.
Die Einsatzgebiete des Ultraschalls sind vielfältig. In der Werkstofftechnik wird Ultraschall z.B. zur
zerstörungsfreien Untersuchung von Einschlüssen fremden Materials oder auch Luft in anderen
Stoffen genutzt. Die Ortung der Einschlüsse wird dabei über die Impuls-Echo-Methode durchgeführt,
indem die Laufzeit eines gesendeten Impulses gemessen wird und somit Rückschlüsse auf die
Materialdicke gezogen werden können.
In gleicher Weise funktioniert auch das von Schiffen verwendete SONAR zur Messung der Tiefe,
Ortung von Fischschwärmen und anderen sich unter Wasser befindenden Gegenständen.
Ein weiteres Anwendungsspektrum stellt die Medizin dar. Mit Hilfe von Computern werden
Ultraschall-Impulsechos unterschiedlicher Gewebearten des Körpers analysiert und zu Bildern
zusammengesetzt. Ultraschall kann auch als Therapie zur Behandlung von Entzündungen im Körper
eingesetzt werden. Dabei wird die Durchblutung des beschallten Gewebes angeregt und beschleunigt
oder verursacht den Heilungsprozess. Ein weiteres relativ neues Verfahren stellt die ambulant
durchgeführte Zerstörung von Nierensteinen ohne Operation dar. Hierfür wird der Ultraschallpuls auf
den zu zerstörenden Stein fokussiert. Man erhält dort eine hohe absorbierte Strahlungsenergie,
während das den Stein umgebende Gewebe außerhalb des Fokus nicht in Mitleidenschaft gezogen
wird.
Schallwellen 2 transportieren übrigens nicht nur Energie, sondern auch Impuls.
1 Dieser Vorgang wird z.B. bei Gasanzündern oder Feuerzeugen in umgekehrter Richtung ausgenutzt, indem man einen Quarz
deformiert und somit eine elektrische Spannung erzeugt (→ Piezoeffekt), was zur Entstehung eines Funkens führt und das Gas
entzündet.
2 Dies gilt auch für andere Wellen (Seilwellen, Wasserwellen, elektromagnetische Wellen / Licht,…).

2. Experimente
2.1 „kleine“ Experimente
2.1.1 Zerstäubung von Flüssigkeiten
Einstellungen:
Betriebsart des Ultraschallgenerators: Sinus, Frequenz f = 800 kHz
Oszilloskop........................................: ohne
Ultraschallempfänger.........................: ohne
Durchführung:
Einige Tropfen Wasser werden auf den Ultraschallkopf gebracht.
Die Schallleistung wird langsam erhöht.
Beobachtung und Erklärung:
. . .
Anwendung:
Ultraschallvernebelungsgeräte wie z.B. Inhalationsapparate.
Ultraschallgenerator
Oszilloskop-
anschlüsse
Amplituden-
stellknopf
Ultraschallkopf
Betriebswahl
Achtung!
Der Betrieb mit Schall-Leistungen, bei denen die
Marke des Amplituden-Stellknopfes im
schraffierten Bereich steht, ist dann zeitlich auf
maximal 2 Minuten zu beschränken, wenn dem
Schallkopf relativ wenig Energie entzogen wird,
wie z.B. in Luft. Andernfalls kann die
Wärmeentwicklung im Schallkopf zur
Beschädigung führen.

2.1.2 Was ist „Gasblasenkavitation“?
Einstellungen:
Betriebsart des Ultraschallgenerators: Sinus, Frequenz f = 800 kHz
Oszilloskop........................................: ohne
Ultraschallempfänger.........................: ohne
Durchführung:
Achtung!
Der Betrieb mit Schall-Leistungen, bei denen die
Marke des Amplituden-Stellknopfes im
schraffierten Bereich steht, ist dann zeitlich auf
maximal 2 Minuten zu beschränken, wenn dem
Schallkopf relativ wenig Energie entzogen wird,
wie z.B. in Luft. Andernfalls kann die
Wärmeentwicklung im Schallkopf zur
Beschädigung führen.
Eine Küvette (bitte sorgfältig behandeln, denn sie ist aus Glas und sehr teuer) wird bis
zur Hälfte mit Wasser gefüllt. Auf die Stirnfläche des Ultraschallkopfes werden vor dem
Aufsetzen der Küvette einige Tropfen Glycerin als Kopplungsschicht gegeben. Die
Schallleistung wird langsam erhöht.
Beobachtung und Erklärung:
. . .
Anwendung:
Reinigung von Flüssigkeiten.
Aufgabe:
Recherchieren Sie (in Büchern oder im
Internet), was man im Allgemeinen
unter „Kavitation“ versteht und unter
welchen Bedingungen diese auftritt!
Küvette

2.1.3 Herstellung von Emulsionen mit Hilfe von Ultraschall
Einstellungen:
Betriebsart des Ultraschallgenerators: Sinus, Frequenz f = 800 kHz
Oszilloskop........................................: ohne
Ultraschallempfänger.........................: ohne
Durchführung:
Achtung!
Der Betrieb mit Schall-Leistungen, bei denen die
Marke des Amplituden-Stellknopfes im
schraffierten Bereich steht, ist dann zeitlich auf
maximal 2 Minuten zu beschränken, wenn dem
Schallkopf relativ wenig Energie entzogen wird,
wie z.B. in Luft. Andernfalls kann die
Wärmeentwicklung im Schallkopf zur
Beschädigung führen.
Eine Küvette (bitte sorgfältig behandeln, denn sie ist aus Glas und sehr teuer) wird etwa
bis zur Hälfte mit Wasser gefüllt. Darauf werden einige Tropfen Öl gegeben. Auf die
Stirnfläche des Ultraschallkopfes werden vor dem Aufsetzen der Küvette einige Tropfen
Glycerin als Kopplungsschicht gegeben. Die Schallleistung wird langsam erhöht.
Beobachtung und Erklärung:
. . .
Anwendung:
Herstellung von Emulsionen.
Küvette

2.1.4 Was ist eine „Koagulierung durch Ultraschall“?
Zusammenballung fein verteilter Festkörperteilchen in Flüssigkeiten.
Einstellungen:
Betriebsart des Ultraschallgenerators: Sinus, Frequenz f = 800 kHz
Oszilloskop........................................: ohne
Ultraschallempfänger.........................: ohne
Durchführung:
Achtung!
Der Betrieb mit Schall-Leistungen, bei denen die
Marke des Amplituden-Stellknopfes im
schraffierten Bereich steht, ist dann zeitlich auf
maximal 2 Minuten zu beschränken, wenn dem
Schallkopf relativ wenig Energie entzogen wird,
wie z.B. in Luft. Andernfalls kann die
Wärmeentwicklung im Schallkopf zur
Beschädigung führen.
Eine Küvette (bitte sorgfältig behandeln, denn sie ist aus Glas und sehr teuer) wird bis zur
Hälfte mit Wasser gefüllt. Dazu wird eine Messerspitze Lykopodium (Bärlappsporen)
gegeben und durch Schütteln mit dem Wasser vermischt. Auf die Stirnfläche des
Ultraschallkopfes werden vor dem Aufsetzen der Küvette einige Tropfen Glycerin als
Kopplungsschicht gegeben. Die Schallleistung wird langsam erhöht.
Beobachtung und Erklärung:
. . .
Anwendung:
Ausfällen von Verunreinigungen
zur Unterstützung der Effektivität
von Filterungen.
Küvette

2.1.5 Veranschaulichung des Schallstrahlungsdrucks in Luft und in Wasser
Das vom Ultraschallkopf erzeugte Schallfeld bewirkt einen Schallstrahlungsdruck.
Einstellungen:
Betriebsart des Ultraschallgenerators: Sinus, Frequenz f = 800 kHz
Oszilloskop........................................: ohne
Ultraschallempfänger.........................: ohne
Durchführung:
Achtung!
Der Betrieb mit Schall-Leistungen, bei denen die
Marke des Amplituden-Stellknopfes im
schraffierten Bereich steht, ist dann zeitlich auf
maximal 2 Minuten zu beschränken, wenn dem
Schallkopf relativ wenig Energie entzogen wird,
wie z.B. in Luft. Andernfalls kann die
Wärmeentwicklung im Schallkopf zur
Beschädigung führen.
a) Vor den Ultraschallkopf wird eine Kerze mit entzündeter Flamme gestellt. Die
Schallleistung wird langsam erhöht.
b) Ein Glasgefäß wird bis über die obere Kante des Rades mit Wasser gefüllt. Das
Wasserrad wird eingetaucht. Auf die Stirnfläche des Ultraschallkopfes werden vor dem
Aufsetzen an die Küvettenwand einige Tropfen Glycerin als Kopplungsschicht
gegeben. Die Schallleistung wird langsam erhöht.
Beobachtung und Erklärung:
. . .
Tipp:
Zur fachlich „sauberen“ Erklärung dieses Phänomens benötigen Sie den Begriff „Impuls“.
Außerdem müssen Sie wissen, dass Wellen an bestimmten Grenzflächen (z.B. den
Schaufeln des Wasserrads) reflektiert werden.
Anwendung:
Messungen von Schallstrahlungsdrücken mit dem Radiometer.

2.1.6 Erwärmung von Festkörpern mit Ultraschall
Einstellungen:
Betriebsart des Ultraschallgenerators: Sinus, Frequenz f = 800 kHz
Oszilloskop........................................: ohne
Ultraschallempfänger.........................: ohne
Durchführung:
Achtung!
Der Betrieb mit Schall-Leistungen, bei denen die
Marke des Amplituden-Stellknopfes im
schraffierten Bereich steht, ist dann zeitlich auf
maximal 2 Minuten zu beschränken, wenn dem
Schallkopf relativ wenig Energie entzogen wird,
wie z.B. in Luft. Andernfalls kann die
Wärmeentwicklung im Schallkopf zur
Beschädigung führen.
Auf die Stirnfläche des Ultraschallkopfes werden einige Tropfen Glycerin als
Kopplungsschicht gegeben.
Exp. I:
Eine Plexiglasplatte wird mit Hilfe einer Doppelmuffe auf die Stirnfläche des Ultraschallkopfes
fest aufgelegt. Darauf wird ein Blättchen feuchtes Wärmepapier gelegt. Die
Schalleistung wird langsam erhöht (nicht länger als 1 Minute).
Exp. II:
Zwei Kunststoffplättchen werden auf der Stirnfläche des Ultraschallkopfes befestigt. Die
Schalleistung wird langsam erhöht (nicht länger als 1 Minute).
(Achtung! Die Kunststoffteile werden heiß!)
Beobachtung und Erklärung:
. . .
Anwendung:
Ultraschallschweißen ist ein häufig verwendetes Fertigungsverfahren in der Kunststoffverarbeitung.
Es eignet sich aber auch bei Metallen zum Verbinden dünner Bleche
oder Drähte.

2.1.7 Erwärmung von Flüssigkeiten (z.B. Wasser) mit Ultraschall
Einstellungen:
Betriebsart des Ultraschallgenerators: Sinus, Frequenz f = 800 kHz
Oszilloskop........................................: ohne
Ultraschallempfänger.........................: ohne
Durchführung:
Auf die Stirnfläche des
Ultraschallkopfes werden
einige Tropfen Glycerin
als Kopplungsschicht gegeben.
Die Zylinder-
küvette wird bis zu einem
Drittel mit Wasser gefüllt,
auf die Stirnfläche des
Ultraschallkopfes gestellt
und mit Stativmaterial befestigt.
Der Temperaturfühler
wird mit der Spitze in das
Wasser getaucht.
Die Temperatur wird abgelesen
notiert. Danach
stellt man eine mittlere bis
große Amplitude bzw.
Leistung ein und justiert
den Temperaturfühler so,
dass seine Spitze in die
Mitte des sich ausbildenden
Strudels eintaucht.
Anmerkung:
Zur Kontrolle misst man
die Temperatur außerhalb
des Strudels.
Achtung!
Der Betrieb mit Schall-Leistungen, bei denen die
Marke des Amplituden-Stellknopfes im
schraffierten Bereich steht, ist dann zeitlich auf
maximal 2 Minuten zu beschränken, wenn dem
Schallkopf relativ wenig Energie entzogen wird,
wie z.B. in Luft. Andernfalls kann die
Wärmeentwicklung im Schallkopf zur
Beschädigung führen.

2.1.8 Bestimmung der Schallleistung
Einstellungen:
Betriebsart des Ultraschallgenerators: Sinus, Frequenz f = 800 kHz
Oszilloskop........................................: ohne
Ultraschallempfänger.........................: ohne
Durchführung:
Ein Dewargefäß wird mit 300 ml Wasser gefüllt. (Achtung, das Dewargefäß besteht aus
dünnem, doppelwandigem Glas und ist sehr empfindlich!)
Der Schallkopf und der Temperaturfühler tauchen ca. 1 bis 2 mm tief in das Wasser ein.
Die Anfangstemperatur des Wassers wird gemessen und notiert.
Danach wird bei eingetauchtem Schallkopf der Amplituden-Stellknopf bis zum rechten
Anschlag gedreht und über die Zeit von ∆t = 180s in dieser Stellung belassen.
Anschließend wird die Amplitude wieder ganz zurückgenommen und die Endtemperatur
gemessen.
Die vom Wasser aufgenommene Wärmeenergie 3 ∆Q ist ∆Q = c⋅
m⋅
∆ϑ
,
hierbei ist c die spezifische Wärmekapazität von Wasser ( c = 4,2 J/(g . K) ).
Die Schallleistung ergibt sich gemäß der Gleichung
Anmerkung:
Zur Verringerung der statistischen Fehler
sollte das Experiment mehrmals wiederholt
werden.
∆Q
c⋅
m⋅
∆ϑ
P = = .
∆t
∆t
3 Statt Wärmeenergie verwendet man auch oft den Begriff Wärmemenge oder kurz Wärme.

2.2 „große“ Experimente
2.2.1 Bestimmung der Wellenlänge einer stehenden Ultraschallwelle
Einstellungen:
Betriebsart des Ultraschallgenerators: Sinus, Frequenz f = 800 kHz
Oszilloskop........................................: ohne
Ultraschallempfänger.........................: ohne
Durchführung:
Der Aufbau wird wie in der Abbildung zu erkennen realisiert. Dabei hat sich gezeigt, dass
die Abstände a = 10cm, b = 10cm und c = 30cm zweckmäßig sind (Frage: Warum?). Die
Küvette wird nun mittels Laborboy so weit angehoben, bis der Ultraschallkopf 1 bis 2 mm
in das Wasser eintaucht. Nachdem die Lichtquelle eingeschaltet wurde, ist durch
Projektion ein Schatten der Küvette auf dem Transparentschirm zu erkennen.
Nun wird die Küvette mit dem Laborboy langsam weiter angehoben. Bei richtiger
Justierung 4 erscheint auf dem Transparentschirm ein Streifenmuster, das dem
Ultraschallwellenfeld entspricht. (Schauen Sie genau hin! Das Streifenmuster ist sehr
„fein“.) Sobald das Streifenmuster scharf zu erkennen ist, kann damit die Wellenlänge
λ dieser stehenden Welle bestimmt werden.
Aufgabe:
Zeichnen Sie eine Skizze des Strahlengangs! Leiten Sie mit Hilfe eines Strahlensatzes eine
Gleichung her, mit deren Hilfe sich aus den gemessenen Streifenabständen die Wellenlänge
der stehenden Ultraschallwelle berechnen lässt! Messen Sie alle erforderlichen
Größen und berechnen Sie dann die Wellenlänge. Entspricht das Ergebnis Ihren
Erwartungen? Falls nein – wo liegt der Fehler?
4 Eine stehende Welle ergibt sich nur, wenn der Abstand zwischen Ultraschallsender und Gefäßboden ein ganzzahliges
Vielfaches der Wellenlänge ist (Frage: Warum?). Dies lässt sich durch langsames Hoch- oder Runterfahren des Laborboys
leicht erreichen.

2.2.2 Darstellung der Schallwelle mit Hilfe eines Oszilloskops
Einstellungen:
Betriebsart des Ultraschallgenerators: Sinus, Frequenz f = 800 kHz
Achtung!
Der Betrieb mit Schallleistungen, bei denen die
Marke des Amplituden-Stellknopfes im
schraffierten Bereich steht, ist dann zeitlich auf
maximal 2 Minuten zu beschränken, wenn dem
Schallkopf relativ wenig Energie entzogen wird,
wie z.B. in Luft. Andernfalls kann die
Wärmeentwicklung im Schallkopf zur
Beschädigung führen.
Oszilloskop........................................: Eingang A: Schallaufnehmersignal
Eingang B: Monitorsignal (hier wird das am
Schallkopf angelegte elektrische
Signal zum Vergleich ausgegeben).
Triggerung extern mit Synchr.-Signal
Ultraschallempfänger.........................: Eingang A
Durchführung:
Auf die Stirnfläche des Ultraschallkopfes werden einige Tropfen Glycerin als
Kopplungsschicht gegeben. Darauf wird der Schallaufnehmer mit Hilfe des bereitliegenden
Stativmaterials positioniert.
Die Amplitude des Ultraschallgenerators wird variiert und das Signal auf dem Bildschirm
beobachtet (bei verrauschtem Signal des Schallaufnehmers ist eventuell die Polung der
Anschlüsse zu ändern).
Aufgabe:
a) Bestimmen Sie die Frequenz der Ultraschallwelle!
b) Untersuchen Sie, welche Funktion die verschiedenen Knöpfe und Drehschalter eines
Oszilloskops haben. „Spielen“ Sie (Umschalten der Darstellungen zwischen A, B und
ALT ; Änderung der Trigger-Einstellungen usw.) und finden Sie durch Nachdenken den
Sinn der Einstellungen heraus!

2.2.3 Bestimmung der Schallgeschwindigkeit in Metallen
Einstellungen:
Betriebsart des Ultraschallgenerators: Impulse
Oszilloskop........................................: Eingang A: BNC-Kabel mit Elektrode
Eingang B: Monitorsignal (hier wird das am
Schallkopf angelegte elektrische
Signal zum Vergleich ausgegeben).
Triggerung über Monitorsignal oder extern mit
dem Synchron-Signal
Ultraschallempfänger.........................: wird durch Quarzplättchen und Elektrode ersetzt
und mittels BNC-Kabel an den Eingang A des
Oszilloskops gelegt
Durchführung:
Der Ultraschallsender wird wie auf den Fotos ersichtlich eingespannt.
Vor dem Aufsetzen eines der Metallstäbe (l=0,5m) muss ein Tropfen Glyzerin zur besseren
Schalleinkopplung auf den Sender gebracht werden. Auch der Metallstab wird mit
Stativmaterial fixiert. Auch auf das obere Ende des Metallstabes wird ebenfalls ein
Tropfen Glyzerin gegeben. Darauf wird das Quarzplättchen (siehe Foto) gelegt. Nach
Inbetriebnahme des Senders wird nun die mit dem Oszilloskop verbundene Elektrode auf
das Quarzplättchen gehalten.
Der zeitliche Abstand )t zwischen gesendetem Impuls (Eingang B am Oszilloskop) und
dem von der Elektrode am Quarzplättchen detektierten Spannungsimpuls (Eingang A am
Oszilloskop) wird bestimmt.
∆s
Mit der bekannten Beziehung v = kann nun die Ausbreitungsgeschwindigkeit im
∆t
jeweiligen Metall bestimmt werden.
Aluminium
Sender
Elektrode
Quarzplättchen
Aluminium

2.2.4 Funktionsweise eines Echolots / SONARs
Einstellungen:
Betriebsart des Ultraschallgenerators: Impulse
Oszilloskop........................................: Eingang A: Ultraschallempfänger
Eingang B: Monitorsignal (hier wird das am
Schallkopf angelegte elektrische
Signal zum Vergleich ausgegeben).
Triggerung extern mit dem Synchron-Signal
Ultraschallempfänger.........................: mit BNC-Kabel an den Eingang A des
Oszilloskops
Durchführung:
Zunächst wird die Küvette mit der großen rechteckigen Wanne getauscht. Darüber wird
der Stativaufbau gestellt (siehe untere Abbildung). Ultraschallsender und –empfänger
sollten nun, wie in der Abbildung zu erkennen, befestigt werden. Damit das reflektierte
Ultraschallsignal gut detektiert werden kann, ist sicherlich noch einige Justierarbeit
notwendig. Dabei ist zu beachten, dass die Reflexion den Gesetzen der geometrischen
Optik folgt. Zuletzt wird das Modell des „Meeresbodens“ in die Wanne gestellt. Nun kann
die Sender-Empfänger-Einheit von links nach rechts gefahren werden. Gleichzeitig
verfolgt man am Bildschirm des Oszilloskops die Zeit )t zwischen dem über der
Zeitablenkung festen Sendesignal (Kanal B) und dem sich analog zur Sender-Empfänger-
Einheit bewegenden Empfängersignal (Kanal A).
Aufgabe:
Bestimmen Sie die jeweilige „Meerestiefe“ (Abstand zwischen Sender-Empfänger-Einheit
und dem Modell des Meeresbodens) aus der Laufzeit des Signals!
Wanne
Meeresboden

2.2.5 Bestimmung der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwelle
Einstellungen:
Betriebsart des Ultraschallgenerators: Sinus, Frequenz f = 800 kHz
Achtung!
Der Betrieb mit Schall-Leistungen, bei denen die
Marke des Amplituden-Stellknopfes im
schraffierten Bereich steht, ist dann zeitlich auf
maximal 2 Minuten zu beschränken, wenn dem
Schallkopf relativ wenig Energie entzogen wird,
wie z.B. in Luft. Andernfalls kann die
Wärmeentwicklung im Schallkopf zur
Beschädigung führen.
Oszilloskop........................................: Eingang A: Schallaufnehmersignal
Eingang B: Monitorsignal (hier wird das am
Schallkopf angelegte elektrische
Signal zum Vergleich ausgegeben).
Triggerung über B
Ultraschallempfänger.........................: Eingang A
Digitalzähler.......................................: Messung der Frequenz f am Synchron-Ausgang
des Generators
Durchführung:
Vor dem Aufsetzen des Ultraschallkopfes auf die linke Stirnseite der mit Wasser gefüllten
Küvette werden wieder einige Tropfen Glycerin als Kopplungsschicht auf den Schallkopf
gegeben.
Die Schallausbreitung wird mit Hilfe des Ultraschallempfängers untersucht. Mit dem
Zweikanaloszilloskop werden die schallerzeugende Spannung am Monitorausgang des
Generators und das dem Schallwechseldruck proportionale Signal des Ultraschallempfängers
miteinander verglichen.
Zunächst werden die zwei Bilder des Oszilloskops auf Phasengleichheit eingestellt. Aus
dieser Stellung wird nun der Ultraschallempfänger in Richtung der Schallausbreitung
verschoben und somit bei wieder eingestellter Phasengleichheit die Wellenlänge als
Verschiebungsstrecke am Maßstab abgelesen. Die Frequenz beträgt, wie bereits bekannt,
800000 Hz.
Tipp: Eine Messung über 50 Wellenzüge verbessert das Ergebnis.
Aus der Wellenlänge λ und der Frequenz f ergibt sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit c
der Welle gemäß der Gleichung c = λ . f .
(Fachsprachlich wird die Geschwindigkeit c als Phasengeschwindigkeit der Welle
bezeichnet, da es die Geschwindigkeit ist, mit der sich Stellen gleicher Phase im Raum
ausbreiten.)
Aufgaben:
a) Bestimmen Sie die Phasengeschwindigkeit c der Ultraschallwelle! Vergleichen Sie mit
dem Literaturwert!
b) Schätzen Sie die relativen und die absoluten Fehler ihrer (Mess-)Ergebnisse ab!
b) Erklären Sie den Zusammenhang zwischen Frequenz, Wellenlänge und
Phasengeschwindigkeit anschaulich! Was ist eigentlich eine „Phase“?

3. Quellen 5
2.2.6 Frequenzbestimmung mit Hilfe eines Digitalzählers
Einstellungen:
Betriebsart des Ultraschallgenerators: Sinus, Frequenz f = 800 kHz
Achtung!
Der Betrieb mit Schall-Leistungen, bei denen die
Marke des Amplituden-Stellknopfes im
schraffierten Bereich steht, ist dann zeitlich auf
maximal 2 Minuten zu beschränken, wenn dem
Schallkopf relativ wenig Energie entzogen wird,
wie z.B. in Luft. Andernfalls kann die
Wärmeentwicklung im Schallkopf zur
Beschädigung führen.
Oszilloskop........................................: ohne (oder zur Darstellung des Kontrollsignals)
Ultraschallempfänger.........................: an den Eingang „~“ des elektronischen
Digitalzählers (NEVA)
Durchführung:
Auf die Stirnfläche des Ultraschallkopfes werden einige Tropfen Glycerin als Kopplungsschicht
gegeben.
Darauf wird der Schallaufnehmer mit Hilfe des bereitliegenden Stativmaterials positioniert.
Am Stellknopf des Ultraschallgenerators wird eine kleine Amplitude eingestellt.
Anmerkung:
Insbesondere kurz nach dem
Einschalten des Generators kann sich
die Ultraschallfrequenz noch
geringfügig ändern.
Das BNC-Kabel des Ultraschallaufnehmers
wird am Eingang B
(Zählen) des Digitalzählers angeschlossen.
Die Taste „~“ wird gedrückt. Den
blauen Drehknopf stellt man
zweckmäßigerweise auf 1s oder 10s.
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Seite: http://www.mamma.ch/de/hintergrund_embryo.htm
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