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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Piezo stehende Welle?


Autor: Stephan (Gast)
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Guten Abend!

Zunächst einmal möchte ich dem Forum und den Leuten hier meinen Dank 
aussprechen. Ich habe hier immer sehr kompetente Hilfe bekommen.

Aktuell habe ich folgendes Problem:
Ich möchte gerne in einer Wassergefüllten Röhre eine stehende Welle 
erzeugen. Dazu habe ich an ein Ende einen Piezo angeschlossen. Wenn ich 
jetze eine Sinusförmige Wechselspannung auf den Piezo geben, sollte bei 
der richtigen Frequenz eine stehende Welle im Gefäß entstehen. So weit 
so gut.

Im Grunde habe ich also ein schwingendes System und das müßte bei einer 
ganz bestimmten Frequenz (stehende Welle) Resonanz zeigen. Ich möchte 
nun die Frequenz ändern und gucken, wie sich die Amplitude ändert, im 
Resonanzfall sollte sie maximal sein und ich habe die Frequenz gefunden. 
Leider kann ich die Druckamplitude im Wasser nicht messen, könnte ich 
die Spannung am Piezo als Größe verwenden, oder hat jemand vielleicht 
ein andere Idee?

Ich hoffe mein Problem ist klar geworden, irgendwie finde ich es schwer 
zu erklären.

Viele Grüße
Stephan

Autor: Ulrich (Gast)
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Wenn die Kopplung ans Wasser gut genug ist, und die Resonanz im Wasser 
nicht zu stark gedämpft wird, sollte man die Resonanz auch an der 
Impedanz des Piezos erkennen können.

Es könnte trotzdem einfacher sein einen 2 ten Piezo als Detektor zu 
nehmen.

Autor: Stephan (Gast)
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Hi!

Danke für die Antwort, aber ein zweiter Piezo kommt nicht in Frage, 
leider.
Die Ankopplung ist gut, die Verluste sind super gering...
Wie müßte ich die Impedanz des Piezos am besten messen???

Autor: Nils (Gast)
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Hallo Stephan,

> Wie müßte ich die Impedanz des Piezos am besten messen???
Wenn mich meine Anschauung nicht täuscht - über den Strom durch den 
Piezo:
Im Resonanzfall sollte der Stromfluss (im zeitlichen Mittel) minimal 
sein.

Die Kurve Strom vs. Frequenz sollte ein bisschen wie beim 
Franck-Hertz-Versuch aus der Atomphysik aussehen.

Ob das in der Messgenauigkeit mit einem Piezo machbar ist weiß ich 
leider nicht. Vorschlag:
Bilde den Mittelwert des Piezo-Stroms, den du über einen Widerstand 
einem AD-Wandler zuführst und zeichne die Werte für verschiedene 
Frequenzen auf.
Wenn das funktioniert solltest Du eine stetige Kurve mit periodischen 
Minima und Maxima vs. Frequenz erhalten.

Gruß,
Nils

Autor: Stephan (Gast)
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Ok, so ungefähr habe ich mir das auch vorgestellt...
Ich schalte also einfach einen Widerstand in Reihe zum Piezo und greife 
den Spannungsabfall ab, messe den mit dem A/D-Wandler und trage das 
gegen die Frequenz auf. Also quasi genauso, wie man das in einem 
normalen Schwingkreis machen würde.
Das klingt ganz gut, und entspricht meiner physikalischen Intuition (die 
mich aber auch gerne mal in die Irre führt).

Ich versuche mir das gerade vorzustellen:
Wenn der Piezo so schwingt, das sich eine stehende Welle ausbildet 
(Resonanz), dann sorgt alleine die Welle dafür, das der Piezo schon 
maximal richtig gedehnt bzw. gestaucht ist, d.h. der Piezo ist schon auf 
dem Potential das ich anlege, somit müßte kein Strom fließen. Etwas 
Strom wird dennoch fließen, da ich ja etwas Dämpfung im Wasser habe und 
die Schallwelle nicht mehr mit der gleichen Amplitude auf den Piezo 
zurück kommt wie sie ausgesendet wurde. Sie erzeugt also vielleicht nur 
90% der ehemals angelegten Spannung d.h. meine Sinusförmige Spannung ist 
in diesem Fall 10% stärker es fließt also ein kleiner Strom, welchen ich 
über den Meßwiderstand als Spannung abgreifen und so indirekt bestimmen 
kann. Im Resonanzfall ist der Strom minimal, und damit auch der 
Spannungsabfall über dem Widerstand.
Ich glaube, so langsam weiß ich wie das funktionieren kann.

Nun zu etwas konkreteren Fragen:
Was ist mit der Resonanzfrequenz des Piezos spielt die auch noch eine 
Rolle, oder werde ich durch die Kopplung an die Wassersäule eine einzige 
Resonanzfrequenz erhalten, muß ich die Frequenz irgendwie 
berücksichtigen?

Autor: Nils (Gast)
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> ... dann sorgt alleine die Welle dafür, das der Piezo schon
> maximal richtig gedehnt bzw. gestaucht ist, d.h. der Piezo ist schon auf
> dem Potential das ich anlege, somit müsste kein Strom fließen.

Ja. Ersetze 'kein Strom fließen' durch 'minimalen Stromfluss'.
Du kannst es auch energetisch sehen: Im Resonanzfall muss das 
antreibende System minimale Arbeit leisten.

> Was ist mit der Resonanzfrequenz des Piezos spielt die auch noch eine
> Rolle
Sie würde als 'Überhöhung' ins Spiel kommen.

Wie bereits angedeutet: Dieses Messprinzip kannst Du in 
unterschiedlichsten Bereichen wieder finden:
- Franck-Hertz-Versuch in der Atomphysik
- Dipmeter in der Hochfrequenztechnik
... anderen hier und Dir selbst fallen sicher noch mehr Beispiele ein.

Bei der Messung solltest Du den Effektivwert des Anregungsstroms messen 
- das ist mit Mittelwert gemeint (ist ja zur Zeit gerade ein 
kontroverser Thread hier).

Ja, ich denke, wenn AD und Piezo das hergeben, sollte es so gehen.
> der werde ich durch die Kopplung an die Wassersäule eine einzige
> Resonanzfrequenz erhalten, muss ich die Frequenz irgendwie
> berücksichtigen?
Sieh Dir mal die Franck-Hertz-Kurve an und ersetze die Energie durch die 
Frequenz - irgendwas in der Art sollte herauskommen:
Minima und Maxima in unterschiedlicher Intensität mit einem deutlich 
ausgeprägten Minimum bei Piezo-Resonanz (und nicht zwangsweise 
aufsteigend wie bei Franck-Hertz).

Soweit meine Anschauung - die auch mich schon einige Male getäuscht 
hat...

Autor: Kevin K. (nemon) Benutzerseite
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wie treibst du den Piezo? vermutlich kannst du ihn mit einem 
Audio-Verstärker treiben, dann kannst du einen Frequenzgenerator an 
dessen Eingang anschließen.

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