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.
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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.
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Chirp/Sweep senden und Korrelation rechnen? Da geht dann natürlich der Sounddetektor nicht, sondern die Soundkarte eines PCs
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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.
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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).
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