Hallo, ich habe zusammen mit meinem Sohn ein Physikprojekt aufgebaut, bei dem wir die Schallgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Lufttemperatur messen möchten. Der Aufbau sieht so aus: lange Röhre, ca. 90 mm Durchmesser Buzzer als Schallquelle (Position 0) zwei Mikrofone mit Gate-Ausgang (50cm und 2.25m von Position 0) Erwärmung der Röhre mit Föhnluft vier Temperatursensoren, um eine möglichst gleichmäßige Temperatur entlang der Röhre sicherzustellen die Zeitmessung erfolgt mit einem Arduino Grundsätzlich funktioniert der Aufbau schon recht gut. Das Problem ist jedoch, dass wir bei niedrigen Temperaturen um etwa 20 °C keine plausiblen bzw. erwarteten Messwerte erhalten. Erst ab ungefähr 45 °C bekommen wir Ergebnisse, die halbwegs zu den theoretischen Werten passen. Jetzt stellt sich für uns die Frage, woran das liegen könnte. Hat jemand eine Idee, ob das Problem eher an den Mikrofonmodulen bzw. deren Schaltschwelle, der Signalverarbeitung, Störungen durch den Aufbau, oder vielleicht an der Temperaturverteilung in der Röhre liegen könnte? Verwendete Module: https://www.jaycar.com.au/arduino-compatible-audio-amplifier-with-speaker-module/p/XC3744 https://core-electronics.com.au/sound-detector.html Vielen Dank schon einmal für jeden Hinweis.
:
Verschoben durch Moderator
Daisy D. schrieb: > Erst ab ungefähr 45 °C > bekommen wir Ergebnisse, die halbwegs zu den theoretischen Werten > passen. Größenordnung? Also was messt Ihr bei 20°, was messt Ihr bei 50°? Bei den erwarteten 5ms und angenommenen 2kHz hast Du schon 10% Abweichung, wenn die Mikrofone phasenverdreht angeschlossen sind. Wenn Du ein Oszi hast, hier ein Bild der beiden Mikrofone einstellen.
:
Bearbeitet durch User
Chirp/Sweep senden und Korrelation rechnen? Da geht dann natürlich der Sounddetektor nicht, sondern die Soundkarte eines PCs
:
Bearbeitet durch User
Ein anschaulicher Test: Einen Empfänger im Rohr um bekannte Distanzen verschieben und messen. (Bei gleicher Temperatur) Ergebnisse in ein Gleichungssystem, damit dann den Offset durch die Messeinrichtung bestimmen.
Daisy D. schrieb: > Hat jemand > eine Idee, ob das Problem eher an den Mikrofonmodulen bzw. deren > Schaltschwelle, der Signalverarbeitung, Störungen durch den Aufbau, > oder vielleicht an der Temperaturverteilung in der Röhre liegen könnte? Alles gute Ideen. Beim Aufbau könnte Körperschallübertragung an der Röhre auch eine Rolle spielen. Um das Problem zu finden, könntet ihr den Aufbau zunächst maximal vereinfachen: Statt dem Buzzer in die Hände klatschen, die Röhre braucht es bei Raumtemperatur gar nicht, und statt einem möglicherweise fehlerhaften bzw. suboptimalen Arduino-Programm den Abstand der Flanken mit einem Speicheroszilloskop messen. Dann zunächst Vertrauen in euer Equipment gewinnen: beide Mikrofone am selben Ort sollte identische Gate-Signale ohne Versatz von beiden liefern. Da kann man auch gleich die Schaltschwellen abgleichen und herausfinden, welchen Einfluss eher unempfindliche oder überempfindliche Einstellung hat. Dann Mikrofonpositionen verändern/vertauschen und jeweils auf Plausibilität prüfen. Dann nach und nach jeweils eine Komponente ersetzen und schauen, wo unerwartete Effekte hinzukommen. Meine Glaskugel sagt: Probleme mit dem Röhrenaufbau plus suboptimale Programmierung des Arduinos. ;)
Daisy D. schrieb: > Grundsätzlich funktioniert der Aufbau schon recht gut. Das Problem ist > jedoch, dass wir bei niedrigen Temperaturen um etwa 20 °C keine > plausiblen bzw. erwarteten Messwerte erhalten. Erst ab ungefähr 45 °C > bekommen wir Ergebnisse, die halbwegs zu den theoretischen Werten > passen. Ein Aufbau der bei 20°C nicht korrekt funktioniert kann man schlecht als "funktioniert schon recht gut" bezeichnen. Er ist schlicht kaputt. Ich würde vermuten die Messung klappt grundsätzlich gar nicht, nur bei 45°C stimmts zufällig ungefähr. Wie eine kaputte Uhr. Wahrscheinlich ist der ganze Aufbau am Ende auch Temperaturanfälliger als die Schallgeschwindigkeit selbst.
:
Bearbeitet durch User
In der Linear Technologies Application Note 131 kann man sich ein paar Anregungen holen: Jim Williams verwendet einen Ultraschall-Wandler aus einer Polaroid-Sofortbild-Kamera als Geber und als Empfänger. An Introduction to Acoustic Thermometry An Air Filled Olive Jar Teaches Signal Conditioning Jim Williams and Omar Sanchez-Felipe http://cds.linear.com/docs/en/application-note/an131f.pdf
Vielleicht Resonanzeffekte? In einer Röhre, egal ob geschlossen oder offen, hat die Luftsäule eine bestimmte Resonanzfrequenz. Möglicherweise ist es so, dass bei 20 Grd C diese Effekte deine Messwerte vollkommen verfälschen und eben ab 45 Grd die Resonanzfrequenz so verschoben ist, dass deine Werte plausibel erscheinen. Nicht vergessen: Orgelpfeifen sind auch lange Röhren, offen und geschlossen
Henrik V. schrieb: > Einen Empfänger im Rohr um bekannte Distanzen verschieben und messen. > (Bei gleicher Temperatur) > Ergebnisse in ein Gleichungssystem, damit dann den Offset durch die > Messeinrichtung bestimmen. das Problem behandelt er m.E. durch die 2 Empfänger. Das Analogon wäre, beide Empfänger nebeneinander zu setzen und zu schauen, ob sie auch wirklich 0 Versatz haben (bzw. nur wenige µs).
Cyblord -. schrieb: > Ein Aufbau der bei 20°C nicht korrekt funktioniert kann man schlecht als > "funktioniert schon recht gut" bezeichnen. Er ist schlicht kaputt. > Ich würde vermuten die Messung klappt grundsätzlich gar nicht, nur bei > 45°C stimmts zufällig ungefähr. Wie eine kaputte Uhr. Rumms, jetzt hast du es der Daisy aber ordentlich gegeben, Sie wird ihr Hobby aufgeben und noch noch Fersehserien im Binge gucken. Perfekt, du kannst dich als Held fühlen, wieder ein Leben ruiniert. Oder hast du vielleicht nicht verstanden dass es nicht nur bei 46 GradC wie zufällig eine stehengebliebene Uhr funktioniert, sondern ab 45 GradC und darüber eigentlich gut klappt ? Leseprobleme, ja, mit deinem Verstand steht es nicht zum Besten, trink halt einfach noch eine Flasche Vodka, dann ist er ganz vernebelt und du musst nicht mehr andere Leute anrotzen sondern kannst dich selber ankotzen. Bei 20 GradC fällt mir ein, dass meistens die Raumtemperatur höher liegt, vielleicht sollte man mal nach draussen gehen um eine Umgebungstemperatur von 10 zu haben. Und Erwärmung von 2.25m langen DN90 Rohren per Fön wird wohl kaum gleichmässig warm.
Bei dem Messaufbau hat das durchaus seine Richtigkeit, dass die Messungen bei den unterschiedlichen Temperaturen abweichen. Der Messaufbau macht also was er machen soll. Schuld daran hat übrigens wieder die Physik und zwar zwei andere Effekte.
@daisywarlordduke Falls für Dich auch ein anderes Konzept infrage käme, würde ich Dir empfehlen, es bei ansonsten ähnlichem Versuchsaufbau mit einem günstigen Ultraschallmodul (SRF04/05) zu machen. Das wird üblicherweise zur Entfernungsmessumg verwendet. Es wird die Laufzeit eines US Impules gemessen. Die 90cm Länge Deiner Röhre liegen gut im Erfassungsbereich des Moduls. Auswertung und Anschluss des Moduls sind einfach. Fertige Arduino Softwareprojekte, an denen Du Dich orientieren kannst, gibt's auch. So schnell gibt ein Warlord Duke doch nicht auf, oder? 🙂
Im Tagebau war es immer toll, wenn die Bagger ein paar hundert Meter weiter hinten mit der Schaufel auf etwas draufgehämmert hatten - und "Bild" und "Ton" nicht ganz synchron liefen. Und in anderen Gegenden kann fast jeden Tag Überschallverzerrungen hören ;) Die Rechnereien können natürlich auch Spaß machen, wenn man vorher etwas geübt hat, und die Energieumrechnungen und Kürzungen gut im Griff hat.
Daisy D. schrieb: > Jetzt stellt sich für uns die Frage, woran das liegen könnte. Du könntest Kontakt zu Christoph E. (stoppi) aufnehmen. Der hat nicht nur ein Physik Experiment gemacht, sondern sehr viele Physikprojekte. Darunter auch zwei zur Schallgeschwindigkeit. Beitrag "Re: Physikprojekte"
Es dürfte bei Daisy der Geschwindigkeitsunterschied zu gering ausgefallen sein.
Thread beobachten
Seitenaufteilung abschaltenBitte melde dich an um einen Beitrag zu schreiben. Anmeldung ist kostenlos und dauert nur eine Minute.
Bestehender Account
Schon ein Account bei Google/GoogleMail? Keine Anmeldung erforderlich!
Mit Google-Account einloggen
Mit Google-Account einloggen
Noch kein Account? Hier anmelden.