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Forum: HF, Funk und Felder Schwingquarz schwingt durch Rauschen


Autor: Theo M. (Gast)
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Abend zusammmen.

Ich beschäftige mich zur Zeit mit Schwingquarzen.
Der Schwingquarz ist auf seiner Nennfrequenz resonant. Dazu würde ich 
gerne wissen, ob schon der unbeschaltete Quarz schwingt. In dem bisschen 
Rauschen an seinen offenen Klemmen steckt doch auch seine Nennfrequenz, 
die ihn zur Schwingung bringt.
Ist das korrekt?


Theo M.

Autor: Abdul K. (ehydra) Benutzerseite
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Theoretisch rauscht er mit seinem Wirkwiderstand abhängig von der 
Temperatur. Also dem ESR. Praktisch ist diese Leistung leider unmeßbar 
klein.
Dazu kommen sicherlich noch Effekte durch Empfang von Strahlung aus der 
Umgebung.

Autor: Theo M. (Gast)
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Danke für die schnelle Antwort.

Verstehe ich das richtig, dass er auf seiner Nennfrequenz auch im 
Leerlauf schwingt, was durch die Nennfrequenz im Rauschen ausgelöst 
wird? Aber diese Schwingung ist kaum messbar?


Theo M.

Autor: Christian S. (roehrenvorheizer)
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Hallo,

ich denke mal: nein.

Denn der Quarz verhält sich wie ein Schwingkreis mit hoher Güte , der 
erst durch Anregung seine Resonanz findet aufgrund seiner 
elektromechanischen Eigenschaften. Es braucht also Verstärkung und 
Mitkopplung, um eine dauerhafte Schwingung zu erhalten und somit die 
Verluste auszugleichen. Stieße man den Quarz nur mit einem Puls an, 
würde sich eine abklingende Schwingung zeigen, bis sie nicht mehr 
messbar wäre.

Sonst würden Glocken und Stimmgabeln auch immer leise vor sich hin 
summen.

Wir befinden uns hierbei auch nicht im Bereich der Supraleiter.

MfG

: Bearbeitet durch User
Autor: Theo M. (Gast)
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Christian S. schrieb:
> Hallo,
>
> ich denke mal: nein.
>
> Denn der Quarz verhält sich wie ein Schwingkreis mit hoher Güte , der
> erst durch Anregung seine Resonanz findet aufgrund seiner
> elektromechanischen Eigenschaften. Es braucht also Verstärkung und
> Mitkopplung, um eine dauerhafte Schwingung zu erhalten und somit die
> Verluste auszugleichen. Stieße man den Quarz nur mit einem Puls an,
> würde sich eine abklingende Schwingung zeigen, bis sie nicht mehr
> messbar wäre.
>
> Sonst würden Glocken und Stimmgabeln auch immer leise vor sich hin
> summen.
>
> MfG

Danke.

Angenommen, ich schließe den Quarz an einen rauschenden Widerstand an. 
Er kann doch durch die enthaltene Nennfrequenz anschwingen und auch 
dauerhaft weiterschwingen. Warum nicht? Er erhält doch durch den 
Widerstand Rauschleistung auf der Nennfrequenz.

Theo M.

Autor: Lurchi (Gast)
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Auch nach dem Abklingen kommt der Quarz nicht ganz zur Ruhe. Zum einen 
wird da eine thermische Restamplitude sein, die klassischen kT aus der 
Thermodynamik für einen Schwingungsmode. Das ist aber so klein, dass es 
kaum messbar sein wird (elektrisch ist es nicht vom Widerstandsrauschen 
zu unterscheiden). Um es anders zu messen sind die Üblichen Quarze zu 
groß und daher die Amplitude zu klein. Das ist auch nicht eine Frequenz 
mit durchgängiger Amplitude, sonder mehr Rauschen entsprechend der 
Resonanzkurve.

Theoretisch gibt es dann auch noch eine Quantenmechanischen 
Nullpunktsschwingung, sofern man den Quarz so gut von der Umgebung 
isolieren kann dass er als QM system zu betrachten ist. Das ist in der 
Regel noch einmal weniger Amplitude.

Autor: Tobias Plüss (hubertus)
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Der Quarz hat auch Verluste.
Bei einem 4.9152 MHz Quarz besteht das Ersatzschaltbild aus einer 
RLC-Serieschaltung mit 57mH, 18fF, und ca. 9 Ohm, dazu parallel die 
Halterungskapazität von ca. 4.5pF.
Aufgrund des internen Wirkwiderstands ist der Quarz verlustbehaftet. 
Somit schwingt da nichts.
Aber, wenn du an den Quarz ein Rauschsignal anschliesst, welches weisses 
Rauschen ist, dann wird dieses Rauschen durch die frequenzabhängige 
Impedanz des Quarzes gefärbt, da der Quarz für gewisse Frequenzen 
niederohmig ist (Serieresonanz, die 57mH und 18fF sind in Resonanz) 
werden diese Rauschanteile quasi kurzgeschlossen (über die 9 Ohm).
Für andere Frequenzen wiederum ist der Quarz enorm hochohmig (57mH in 
Parallelresonanz mit den 18fF und der Halterungskapazität), und diese 
Anteile im Rauschspektrum sehen dann quasi einen Leerlauf.
Ob der Quarz allerdings bei derart geringen Feldstärken, wie sie das 
thermische Rauschen eines Widerstands erzeugen kann, noch "funktioniert" 
weiss ich nicht. Schätze aber schon. Aber die Effekte werden dermassen 
gering sein, dass man sie wenn überhaupt nur mit astronomischem Aufwand 
messen kann. Ein üblicher Spekki mit seiner Rauschzahl von vielleicht 
25..30dB wird das nicht mal ansatzweise messen können.

Autor: Hui Nei (Gast)
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Natuerlich koennte man einen Quartz mechanisch anschwingen lassen. Wenn 
man denn ankoppeln koennte. Die Guete wird in der Region von 10^5..10^6 
liegen. Nun ist ein Schwingquarz auch speziell aufgehaengt, dass er eben 
nicht koppelt. Wenn man den ausbaut und in den Dreck oder ins Wasser 
legt ist die Guete weg. Es waere denkbar 2 Schwingquarze mechanisch so 
aufzuhaengen, dass sie koppeln. An was Anderes zu koppeln macht wenig 
Sinn, die Frequenz sollte schon passen.

Autor: Noch einer (Gast)
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>Er erhält doch durch den Widerstand Rauschleistung auf der Nennfrequenz.

Nach dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik kannst du aus thermischen 
Rauschen keine geordnete Schwingung machen. Du brauchst zusätzlich 
geordnete Energie.

Autor: eric (Gast)
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Jeder resonanzfähige Körper kann aus einem weissen Rauschen seine 
Resonanzfrequenz herausheben.

Beispiele:
Die berühmte Muschel (oder ein anderer Hohlkörper) am Ohr oder
bei sehr trennscharfen Empfängerfiltern das klingende Geräusch auch ohne 
Empfang.

Autor: harald (Gast)
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Aus einem Rauschsignal kann man auch mit einem noch so schmalen 
Bandfilter keine Einzelfrequenz gewinnen.
Mal einen Versuch starten: Rauschgenerator plus Bandpass ergibt wieder 
nur Rauschen, allerdings abhängig von der Bandbreite mit geringerer 
Amplitude

Autor: Winfried J. (Firma: Nisch-Aufzüge) (winne)
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Siehe Prinzip Absorbtionfrequenzmesser.

Nein ein Quartz ist kein Perpetum Mobile, und auch kein Energiesammler, 
eher ein Dipol.


Namaste

: Bearbeitet durch User
Autor: Der Zahn der Zeit (Gast)
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Ich bin nicht nur der Überzeugung, dass der Quarz schwingt, ich bin auch 
der Überzeugung, dass man diese Schwingung mit endlichem Aufwand messen 
kann.

Im Ersatzschaltbild ist ein ohmscher Widerstand, und der ist real. Er 
generiert Widerstandsrauschen. Die extrem hochimpedanten Reaktanzen 
sorgen dafür, dass nur auf der Schwingfrequenz dieses Rauschen an den 
Anschlüssen sichtbar wird, und zwar mit genau der Rauschdichte, die dem 
Widerstand entspricht. Bei 10 Ohm wären das 0,41 nV/sqrt(Hz), und dass 
lässt sich sehr wohl messen, wenn man schmalbandig und rauscharm genug 
misst.

Und genügend schmalbandig und rauscharm zu messen ist kein Hexenwerk, 
sondern Stand der Technik.

Ob und inwiefern die thermische Molekularbewegung den Quarz auch 
mechanisch "durchgeschüttelt", bzw., ob das einen weiteren Beitrag 
liefert, oder ob genau dieser Effekt und das Widerstandsrauschen 
letztendlich ein und dasselbe sind, übersehe ich nicht. Tatsache ist, 
dass die thermische Molekularbewegung den Quarz auch mechanisch anregen 
muss, und der kann gar nicht anders, als auf seiner Frequenz 
"mitspielen".

Energie kann man daraus natürlich ebenso wenig generieren wie aus dem 
thermischen Widerstandsrauschen.

Autor: eloka (Gast)
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Kar schwingt der Quarz auf seiner Frequenz, allerdings passt er sich 
immer wieder der Erregung an. Ist nichts anderes, als eine Schaukel. Nur 
ist es so, dass der Quarz sehr träge ist und nur bei bestimmten 
Frequenzen mitgeht. Messsen kann man das ganz sicher, wenn es 
schmalbandig genug ist, wobei der Quarz etwas breitbandiger wird, als er 
normal schwingt.

Eigentlich ist das nichts anderes, als ein Filter!

Autor: Abdul K. (ehydra) Benutzerseite
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ieee papers oder bei NIST findet man bestimmt schon was zu dem Thema.

Da der Quarz nur auf einer Frequenz schwingen will, wird er den 
umliegenden Frequenzbereich unterdrücken. Da die Energie aber nicht 
verschwinden kann, wird sich die Amplitude auf seiner Resonanzfrequenz 
entsprechend erhöhen, so daß das Integral über die Frequenz insgesamt 
gleich seinem ESR sein wird.

Autor: Klaus L. (klausi5000)
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Abdul K. schrieb:
> Da die Energie aber nicht
> verschwinden kann, wird sich die Amplitude auf seiner Resonanzfrequenz
> entsprechend erhöhen, so daß das Integral über die Frequenz insgesamt
> gleich seinem ESR sein wird.

Das erfordert aber, daß er die Energie auch aufnimmt, was er nicht 
notwenigerweise auch tun muss, oder?

Der Quarz kann doch auch "aufgeladen" im Leerlauf schwingen und komplett 
als Sperrkreis wirken, ohne was aufzunehmen - von Verlusten abgesehen. 
Der treibt dann nur eine "Spannung" dagegen.

Oder nicht?

Autor: Tobias Plüss (hubertus)
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Da lädt sich nichts auf.
Der Quarz ist elektrisch gesehen nichts anderes, als ein Bauteil, dessen 
Impedanz frequenzabhängig ist. Für gewisse Frequenzen ist er hochohmig, 
für andere niederohmig. Die spektralen Anteile eines weissen 
Rauschsignals, das am Quarz angelegt wird, werden entsprechend der 
frequenzabhängigen Impedanz mehr oder weniger kurzgeschlossen. Damit 
wird ein weisses Rauschen zu einem farbigen Rauschen.
Man kann das ausnutzen, um z.B. mit einer breitbandigen Rauschquelle und 
eines Spekkis den skalaren Frequenzgang irgendwelcher Komponenten zu 
messen.

Autor: eric (Gast)
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harald schrieb:
> Aus einem Rauschsignal kann man auch mit einem noch so schmalen
> Bandfilter keine Einzelfrequenz gewinnen.
> Mal einen Versuch starten: Rauschgenerator plus Bandpass ergibt wieder
> nur Rauschen, allerdings abhängig von der Bandbreite mit geringerer
> Amplitude


Mir scheint, Du denkst, dass nicht sein kann, was nach Deiner Theorie 
nicht sein darf.

Jedes Kind weiss, dass ein Hohlkörper am Ohr ein Rauschsignal 
entsprechend seiner Eigenfrequenz liefert und sagt dann : Ich höre das 
Meer rauschen!

Jeder Funkamateur weiss, dass die Aufnahme schwacher Signale nur bis zu 
einer gewissen Minimal-Bandbreite besser wird, darunter wird das Signal 
durch das konstante Hintergrundklingen des Filters wieder schwieriger.

Natürlich ist das kein perpetuum mobile, sondern das Filter unterdrückt 
lediglich abseitige Frequenzen.

Auch wenn Du es Dir nicht vorstellen kannst: Bei Deinem Versuch 
geschieht in Wirklichkeit das Umgekehrte. Mit zunehmender Bandbreite 
sinkt die Rauschamplitude.

Autor: Horst (Gast)
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Sehr interessant,seit wann erhöht sich die Rauschspannung  eines 
Widerstandes bei geringerer Messbandbreite? Wird jetzt die Nyquistformel 
umgeschrieben und die Bandbreite
steht dann im Nenner statt im Zähler

Autor: BASTI (Gast)
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Ich konnte noch mit keiner Muschel am Ohr einen Sinuston aus dem 
Rauschen hören.
Rauschen bleibt Rauschen,egal bei welcher Bandbreite

Autor: ● J-A VdH ● (Firma: FULL PALATINSK) (desinfector)
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hat mal einer ein Rauschen durch einen schmalbandigen Filter geschickt?

Was kommt dabei heraus?

Autor: IUnknown (Gast)
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Schwingung. Ja und Nein:

Der Quarz macht nichts anderes als das Thermische Rauschen was an
ihm anliegt zu filtern. Danach hast du immernoch Rauschen, wenn
auch mit einer sehr kleinen Bandbreite.

Was du NICHT hast, ist ein schönes gleichmäßiges Sinus-Signal.

Was du hingegen schon hast, ist mal ne Schwingung, mal wieder nicht.
Mit ständig ändernder Phase. Manchmal vergrößert das Rauschen
die Amplitude wenn es Phasenrichtig anliegt, mal verkleinert
es die Amplitude wenn es außer Phase anliegt. Liegt es weiterhin
außer Phase an, baut sich eine Schwingung mit umgedrehter Phase
auf... die natürlich später wieder abgebaut wird.

Stell dir vor wählst einen Startpunkt in der komplexen Ebene
und addierst zufällige komplexe Zahlen drauf. Dein Punkt wird
wahllos durch die Ebene wandern. Zu jedem Zeitpunkt ist der
Betrag deine Amplitude und die Phase eben... naja, deine Phase.

Im Mittelwert ergibt sich das ganze natürlich zu null.

Wo kommt die Energie dafür her? Aus dem thermischen Rauschen.
Was passiert mit der Energie, die im ESR verbraucht wird?
Geht wieder ins thermische Rauschen. Genau dieses Thema hatten
wir hier schonmal im Forum, müsstest du über die SuFu finden können.

Hier muss man wieder nach dem hinterstehenden Modell fragen.
Das vereinfachte Modell um damit zu rechnen sagt:

"Am Widerstand liegt eine Rauschspannung an, diese wird vom
Quarz gefiltert"

Die Physik sagt:

"Die Elektronen bewegen sich zufällig, da das Material Temperatur
ungleich Null hat. Im Gegensatz zu einem normalen Widerstand
erlaubt der Quarz nur Schwingungen mit gewissen Frequenzen
konstruktiv miteinander zu interferieren. Und eben nur dieses
Signal kann man von außen messen."

Deswegen ist auch ersichtlich dass der Quarz auch mechanisch
schwingen muss. Warum sollte sofort klar sein: Der Quarz
ist ein Material welches mit dem angelegtem Elektrischen
Feld wechselwirkt. Das Modell sagt, das Elektrische Signal
wird auch auf den Quarz übertragen. Die Physik dahinter sagt,
diese Wechselwirkung erlaubt für weitere Freiheitsgrade die
thermisch angeregt werden können.

Ist sowas schwer zu messen? Mit Privatmitteln ja.
Ist sowas im Labor zu messen? Aber sicher!

Autor: eric (Gast)
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BASTI schrieb:
> Ich konnte noch mit keiner Muschel am Ohr einen Sinuston aus dem
> Rauschen hören.


Hat auch niemand behauptet, nur dass abseitige Töne unterdrückt werden
und das ist etwas anderes.

Im Grunde hat der Beitrag

> Autor: IUnknown (Gast)
> Datum: 02.11.2017 08:04

die Sache am besten beschrieben.

Autor: Der Zahn der Zeit (Gast)
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IUnknown schrieb:
... punktgenau genau die richtige Antwort.

Wenn es hier andere Meinungen gibt, basieren die offensichtlich auf 
einer anderen Interpretation der ursprünglichen Frage:

Theo M. schrieb:
> ob schon der unbeschaltete Quarz schwingt.
Er hat nicht gefragt, ob dabei eine reine Sinusschwingung heraus kommt! 
Ja, der Quarz schwingt, und ja, das Ergebnis ist _schmalbandiges 
Rauschen_. Genau, wie schon
eloka schrieb:
> Klar schwingt der Quarz auf seiner Frequenz, allerdings passt er sich
> immer wieder der Erregung an.
> ...
> Eigentlich ist das nichts anderes, als ein Filter!
Wieso eigentlich? Es ist ein Filter!

Nebenbei, im Audiobereich hört sich ein ausreichend schmalbandig 
gefiltertes Rauschen wie ein rauer Pfeifton an, es bleibt aber 
statistisch schwankend, also Rauschen.

Autor: Der Zahn der Zeit (Gast)
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● J-A V. schrieb:
> hat mal einer ein Rauschen durch einen schmalbandigen Filter
> geschickt?

Ja, und hier noch einmal für alle Interessierten, auch weil ich es 
gerade relativ einfach aufbauen konnte:
Das Rauschen wurde ganz einfach durch einen rauschenden Vorverstärker 
erzeugt (deswegen auch ein leichter 50 Hz-Brumm), danach ein zufällig 
vorhandener, ziemlich schmalbandiger Bandfilter (ca. 3,8 kHz), beides 
aufgezeichnet:
Links: Das ungefähr weiße Rauschen (mit Brummen)
Rechts: Gefiltert und erheblich verstärkt

> Was kommt dabei heraus?

Einmal stark gezoomt, man sieht, wie der Filter, wie schon beschrieben 
ein- und wieder ausschwingt. Darunter: weniger stark gezoomt, die 
Hüllkurven über längere Zeit. Dazu das Spektrum des gefilterten Signals.

Im Anhang auch das .wav (ich weiß nicht, was .mp3 aus Rauschen machen 
würde). Hört es euch an und entscheidet, ob ihr das als Pfeifen, 
Rauschen oder was auch immer bezeichnen würdet. Der Schwingkreis, hier 
genauer die Schwingkreise, schwingen jedenfalls, genau, wie es der Quarz 
auch machen würde.

Autor: Der Zahn der Zeit (Gast)
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Mist, ich hätte das Bild noch einmal speichern müssen...

Beitrag #5208606 wurde von einem Moderator gelöscht.

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