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PRAXIS MESSEN
Seismograph
Lautsprecher als Schwingungssensor
Von Gert Baars
Auch wenn in unseren Breiten stärkere Erdbeben zum Glück sehr selten
sind, kommt es doch häufi ger zu Beben geringer Intensität. Der hier
vorgestellte Seismograph misst auch Erdschwingungen, die so
schwach sind, dass sie mit den menschlichen Sinnen nicht mehr
wahrgenommen werden können.
Naturerscheinungen wie Erbeben, Vulkanausbrüche,
Absenkungen von Erdschichten
und Meteoriteneinschläge
haben seismische Schwingungen zur
Folge, die sich entlang der Erdoberfl äche
ausbreiten. Bei schweren Erdbeben
in weit entfernten Weltregionen
laufen die Schwingungen mehrfach
wiederholt um den Erdball, bevor sie
vollständig abgeklungen sind. Auch
der Mensch kann starke seismische
Schwingungen auslösen, zum Beispiel
durch unterirdische Kernwaffenversuche.
Erdstöße in großer räumlicher
Entfernung, die für den Menschen
nicht mehr hör- und fühlbar sind, können
mit empfi ndlichen Seismographen
gemessen und nachgewiesen werden.
Die Empfindlichkeit hängt von der
Konstruktion des Schwingungssensors
ab.
Sensor
Schwingungssensoren in gebräuchlichen
Seismographen bestehen meist
aus einer hängenden Spiralfeder, die
von einem angehängten Gewicht leicht
gespannt wird. Wegen der Masseträgheit
des Gewichts ändert sich die Federauslenkung,
wenn auf das Masse-
Feder-System mechanische Schwingungen
oder Impulse einwirken. Die
Änderungen der Auslenkung werden
elektronisch gemessen, ausgewertet
und angezeigt. Da das Masse-
Feder-System lange nachschwingt,
muss eine mechanische Dämpfung
(zum Beispiel ein Kolben im Ölbad) für
das Abklingen sorgen.
Weil das Masse-Feder-System für den
Selbstbau nur wenig geeignet ist, haben
wir nach einem alternativen Prinzip
Ausschau gehalten. Der Konus einer
Lautsprechermembran trägt auf
der innen liegenden Seite eine Drahtwicklung,
die in den Luftspalt des
Lautsprechermagneten eintaucht. Wird
die Membran durch eine äußere Kraft
bewegt, ist an den Wicklungsanschlüssen
eine Spannung messbar. Die Wicklungsanschlüsse
sind mit den Lautsprecherklemmen
verbunden. Ein empfindlicher
mechanischer
Schwingungssensor entsteht, indem
der Lautsprecherkonus durch ein Gewicht
beschwert wird. Wenn die Lautsprecherunterlage
mechanisch
schwingt, hat das Gewicht wegen der
Masseträgheit das Bestreben, seine
absolute Lage beizubehalten (Erstes
Newtonsches Gesetz!). Das Gewicht
übt auf die Lautsprechermembran eine
Kraft aus, sie hat eine Spannung an
den Wicklungsanschlüssen zur Folge.
Ein Schwingungssensor nach diesem
Prinzip lässt sich bereits mit kleinen
Lautsprechermodellen realisieren, zum
Beispiel mit
einem Typ
0,5 W/8 Ω, dessen Durchmesser
8...12 cm beträgt. Die Lautsprechermembran
soll möglichst weich
aufgehängt sein. Als Gewicht ist eine
gewöhnliche, 25 mm lange M10-Eisenschraube
gut geeignet. Einige aufgeschraubte
Muttern erhöhen die Masse,
sie verbessern die Eigenschaften, ohne
dass die Membran bei starken Schwingungen
aufschlägt. Das Gewicht, bestehend
aus Schraube und Muttern,
senkt die Lautsprecher-Resonanzfrequenz
ab, während die Entdämpfung
im sicheren Bereich bleibt. Das Ergebnis
ist ein für unsere Zwecke geeigneter
Schwingungssensor.
Grundprinzip
Das vom Lautsprecher kommende Signal
wird zuerst verstärkt und im anschließenden
Filter von Rausch- und
Brummanteilen befreit. Vom Filter gelangt
das Signal zum ADC-Eingang
eines ATtiny-Mikrocontrollers. Das vom
Controller digitalisierte Signal wird seriell
einem PC oder Laptop zugeführt.
Dort läuft ein Programm, das die Daten
grafisch aufbereitet und bei Bedarf
32 elektor - 5/2007