Debye-Sears-Effekt; Projektion Stehender Ultraschallwellen - 3B Scientific U10006 Bedienungsanleitung

•
Bei allen Frequenzen sollten bei höheren Span-
nungen und guter Ausrichtung der Sonde
mindestens 3 Beugungsordnungen sichtbar sein.
•
Der Projektionsversuch ist wesentlich kritischer ge-
gen Verkippen der Sonde als die Lichtbeugung.
Bei der Projektion müssen deshalb die Bedingun-
gen zum Erzeugen einer stehenden Welle genauer
eingehalten werden.

3.2 Debye-Sears-Effekt

Aus den Beugungsbildern des De-
bye-Sears-Versuchs (linke Abbil-
dung, 4 MHz in Wasser) für ver-
schiedene Testflüssigkeiten (Was-
ser, Glyzerin, Speiseöl) kann die
Wellenlänge der Schallwelle be-
stimmt und damit die Schallge-
schwindigkeit der Flüssigkeit be-
rechnet werden.
Dazu wird die Entfernung zwi-
schen Ultraschallsonde und
Beugungsbild s bestimmt.
Weiterhin wird die Anzahl der
Beugungsordnungen N und der Abstand zwischen der
-N-ten und +N-ten Beugungsordnung x ermittelt. Aus
der bekannten Wellenlänge des Laserlichtes λ
dann aus
2N
λ =
(1)
s
die Wellenlänge des Ultraschalls λ
stimmung der einzelnen Größen siehe nachfolgende
Abbildung.
λ
L
λ
s
s
Mit der an der Monitorbuchse gemessenen Frequenz
des Ultraschalls v ergibt sich die Schallgeschwindigkeit
c in der Flüssigkeit:
c = λ ν
(2)
s
Beispielmessungen:
1. Wasser
v = 4 MHz; s = 2,90 m; N = 4; x = 4,1 cm; λ
ergibt: λ
= 367,8 µm; c = 1471 m/s
S
(Tabelle: 1480 m/s bei 20°C)
lässt sich
L
λ
s
L
x
berechnen. Zur Be-
S
N = 3
N = 2
N = 1
N = 0
N = -1
N = -2
N = -3
= 650 nm
L
2. Glycerin
v = 4 MHz; s = 2,90 m; N = 2; x = 1,6 cm; λ
λ
ergibt: = 471,2 µm; c = 1885 m/s
(Tabelle: 1900 m/s bei 25°C)

3.3 Projektion stehender Ultraschallwellen

modulation (linke Abbildung). Zur Bestimmung der
Wellenlänge aus dem Verteilungsbild und der Geome-
trie müssen außer der Brennweite f der Linse in Luft
(hier 100 mm) noch Brechungskorrekturen durch die
Glaswände und die Messflüssigkeit berücksichtigt wer-
den (zur Geometrie siehe folgendes Schemata).
g
g
1
2
a a
1 2
x
Zur exakten Bestimmung der Wellenlänge empfiehlt
sich daher die Methode der Lichtbeugung, wie in 3.2
beschrieben. Die exakte Berechnungsvorschrift für die
Wellenlänge λ
aus der Projektionsdarstellung lautet:
S
2
λ =
(3)
s
Der Abstand a zwischen Schallfeld und Glaswand auf
1
der Linsenseite und der Abstand a
weise mit jeweils der Hälfte des Innenmaßes von 9,6 cm
angenommen werden. Die Glasstärken g
tragen etwa 5 bzw. 4 mm. Die Brechungsindizes n
4
Die direkte Abbil-
dung der stehenden
Welle stellt eine in-
teressante Versuchs-
erweiterung dar.
Dabei wird die
Schallwelle über
eine in den Strah-
lengang eingefügte
Sammellinse mit di-
vergentem Licht
durchstrahlt. Auf
dem Schirm zeigt
sich dann
Dichteverteilung
der stehenden Wel-
le als Helligkeits-
s
g a
− −
1 1
f
n n
x
g FL
=

N
+ +
g g a
− − −
  1 2 1
s f
n n

g FL
können näherungs-
2
1
= 650 nm
L
die
N = 6
N = 5
N = 4
N = 3
x
N = 2
N = 1
N = 0

a
2  

und g be-
2
der
FL