3B SCIENTIFIC® PHYSICS
Ultraschall-cw-Generator U10006
Laserdiode zum Debye-Sears-Effekt U10007
Probengefäß U10008
Bedienungsanleitung
Sicherheitshinweise
Lesen Sie vor Inbetriebnahme des Ultraschallgenerators und des Zubehörs die folgenden Hinweise zu Ihrer eigenen sowie zur Betriebssicherheit des Gerätes aufmerksam durch.
- Die Öffnungsschlitze am Gerät dienen der Belüftung und sollten unbedingt freigehalten werden, um einer Überhitzung des Gerätes vorzubeugen. Es wird empfohlen, die am Gerät vorhandenen Aufstellfüße zu benutzen.
- Überprüfen Sie vor Inbetriebnahme des Geräts, ob die am Gerät eingestellte Netzspannung mit der tatsächlichen Netzspannung übereinstimmt. Achten Sie weiterhin darauf, dass die angegebenen Sicherungswerte einzuhalten sind.
- Versuchen Sie niemals, Gegenstände durch die Öffnungen am Gerät einzuführen, da es zu Kurzschlüssen oder Stromschlägen kommen kann.
- Verwenden Sie zum Anschluss an den Eingang „PROBE“ nur die Ultraschallsonden der Firma 3B. Vorsicht, es liegen Spannungen bis zu 70 V an.
- Betreiben Sie den Ultraschallsonde nicht längere Zeit ohne Kontakt zu einer Flüssigkeit, da es zur Überhitzung und damit zur Zerstörung der Sonde kommen kann.
- Schalten Sie die Laserdiode U10007 nicht ein, wenn sich Personen in Strahlrichtung befinden. Es handelt sich um einen Klasse II Laser mit < 1 mW Leistung. Nicht in den Laserstrahl blicken bzw. den Laser auf andere Personen oder Lebewesen richten.
- Achtung Leistungsultraschall! Schallsonde nicht an Personen oder anderen Lebewesen anwenden.
1. Einführung
Im Jahre 1932 wurde von Debye und Sears erstmals gezeigt, dass Licht beim Durchgang durch eine zu hochfrequenten Schwingungen angeregte Flüssigkeit eine Beugung erfährt. Die Dichtemaxima und -minima einer stehenden Welle wirken dabei wie die Gitterelemente eines optischen Beugungsgitters. Die Gitterkonstante entspricht dann der Wellenlänge des Ultraschalls und hängt damit von dessen Frequenz und der Schallgeschwindigkeit des durchschallten Mediums ab. Mit dem cw-Ultraschallgenerator, der dazugehörigen breitbandigen Ultraschallsonde und dem Probengefäß mit Justiereinrichtung sowie integrierter Laserhalterung ist erstmals ein Gerät vorhanden, mit dem dieses Phänomen einfach und kompakt den Auszubildenden an Schulen und Hochschulen demonstriert werden kann. Dabei lassen sich sowohl die Frequenzabhängigkeit (4 verschiedene Frequenzen) demonstrieren, als auch die Wellenlänge des Ultraschalls in verschiedenen Flüssigkeiten und damit die Schallgeschwindigkeit bestimmen. Des weiteren ist eine Projektion der stehenden Ultraschallwelle möglich, indem eine optische Linse zwischen Laserquelle und Ultraschallwelle gebracht wird und damit die stehende Welle von einem divergenten Laserstrahl durchstrahlt wird.
2. Komponenten
2.1 Bedienelemente Ultraschallgenerator
Diagram showing the Ultraschallgenerator front panel with controls labeled: 1 Netzschalter (Power switch), 2 An-/Ausschalter Laser (Laser On/Off switch), 3 Anschlussbuchse Laser (Laser output socket), 4 Kontrollleuchte Laser (Laser indicator light), 5 Anschlussbuchse Ultraschallsonde (Ultrasonic probe socket), 6 Kontrollleuchte Ultraschallsonde (Ultrasonic probe indicator light), 7 Monitorausgang (Monitor output), 8 An-/Ausschalter Ultraschall (Ultrasonic On/Off switch), 9 Frequenzwählschalter (Frequency selector), bl Spannungsanzeige (Voltage display), bm Spannungseinstellung (Voltage setting).
Der Ultraschallgenerator erlaubt die Erzeugung kontinuierlicher (continuous wave - cw) Schallwellen mit hoher Leistung. Die Schallleistung wird über die zwischen 5 und 65 Volt einstellbare Sendespannung bm geregelt. Die Anzeige erfolgt über ein LCD-Display bl. Die Sendespannung ist getrennt abschaltbar 8. Es können vier Sendefrequenzen (1, 2, 4 und 8 MHz) 9vorgegeben werden. Über einen zusätzlichen Monitorausgang 7ist mit Hilfe eines Oszilloskops oder Frequenzzählers die exakte Bestimmung der Sendefrequenz möglich. Für die Spannungsversorgung der Laserdiode steht ein entsprechender Ausgang 3zur Verfügung, der ebenfalls separat abgeschaltet 2werden kann.
Netzspannungseinstellung
Der Ultraschallgenerator kann wahlweise mit 230 V oder 115 V Netzspannung betrieben werden. Der Spannungswahlschalter befindet sich an der Rückseite des Gehäuses verdeckt unter der rechten Rückwandverkleidung. Die Einstellung erfolgt mittels eines Schraubendrehers (siehe Abbildung). Bei Veränderung des eingestellten Netzspannungswertes ist auch gleichzeitig die Sicherung auszutauschen. Für eine Netzspannung von 115 V ist die Sicherung T630 mA bzw. für eine Netzspannung von 230 V die Sicherung T 315 mA.
Achtung:
- Vor Änderung der Netzspannungseinstellung Netzkabel aus der Steckdose ziehen!
- Das Gerät muss spannungslos sein!
Diagram illustrating the voltage setting adjustment on the rear panel. It shows a switch that needs to be moved with a screwdriver, and indicates the correct fuse (T630 mA for 115V, T315 mA for 230V). Steps: 1. Loosen two screws on the rear panel cover and remove it to access the voltage selector. 2. Fuse information. 3. Arrow points to the current voltage setting; use a screwdriver to change it.
2.2 Aufbau des Probengefäßes (U10008)
Diagram showing the assembly of the Probengefäß (U10008). Components labeled: ① Adjusting screws for ultrasonic probe alignment, ② Lid, ③ Probe holder, ④ Ultrasonic probe (included with U10006), ⑤ Locking screw for laser diode, ⑥ Adjustment slot for lens holder, ⑦ Diode laser holder, ⑧ Locking screw for ultrasonic probe, ⑨ Glass vessel.
Die Erzeugung von stehenden Wellen erfolgt in einem speziellen Probengefäß, mit dessen Sondenhalterung die Ultraschallsonde auf exakt senkrechten Einfall justiert werden kann. Das Probengefäß besteht aus einem Glasgefäß mit Deckel und Sondenhalterung, Justiermöglichkeit über drei Stellschrauben zur Einstellung einer stehenden Schallwelle sowie senkrecht zur Schallachse angeordneter Laserhalterung mit Linsenaufnahme zum Debye-Sears-Effekt und der Ultraschall-Wellenprojektion.
2.3 Linse auf Glasträger
Diagram of the lens on a glass carrier. Labeled: 1 Plano-convex lens (f = 100 mm), 2 Glass carrier, 3 Grip surface.
Eine plankonvexe Linse ist auf einen rechteckigen Träger aus Glas aufgeklebt, welche für den Projektionsversuch in den Einstellschlitz an der Laserhalterung des Probengefäßes eingesetzt wird.
2.4 Laserdiode (U10007)
Diagram of the Laserdiode (U10007). Labeled: ① Laser beam exit window, ② Laser diode housing, ③ Hollow plug for connection to ultrasonic generator, ④ Connection cable.
Laserdiode der Schutzklasse II zur Durchführung des Debye-Sears-Effekt und der Ultraschallwellen-Projektion in Verbindung mit dem Ultraschallgenerator und dem Probengefäß.
3. Versuchshinweise
3.1 Allgemeine Versuchshinweise
- Möglichst entgastes Wasser verwenden, da Luftblasen sowohl das Schallfeld als auch den Durchgang des Laserlichtes stören.
- An der Sonde befindliche Luftblasen entfernen.
- Möglichst große Entfernungen zwischen Probengefäß und Projektionswand verwenden.
- Wenn nicht gemessen wird, ist der Ultraschall auszuschalten, um eine Erwärmung der Probenflüssigkeit zu vermeiden.
- Für exakte Messungen die Temperatur bestimmen und vergleichen.
- Bei allen Frequenzen sollten bei höheren Spannungen und guter Ausrichtung der Sonde mindestens 3 Beugungsordnungen sichtbar sein.
- Der Projektionsversuch ist wesentlich kritischer gegen Verkippen der Sonde als die Lichtbeugung. Bei der Projektion müssen deshalb die Bedingungen zum Erzeugen einer stehenden Welle genauer eingehalten werden.
3.2 Debye-Sears-Effekt
Aus den Beugungsbildern des Debye-Sears-Versuchs (linke Abbildung, 4 MHz in Wasser) für verschiedene Testflüssigkeiten (Wasser, Glyzerin, Speiseöl) kann die Wellenlänge der Schallwelle bestimmt und damit die Schallgeschwindigkeit der Flüssigkeit berechnet werden. Dazu wird die Entfernung zwischen 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 λL lässt sich dann aus
Formel (1): λs = (2 * λL * s) / x
die Wellenlänge des Ultraschalls λs berechnen. Zur Bestimmung der einzelnen Größen siehe nachfolgende Abbildung.
Diagram showing diffraction patterns from the Debye-Sears experiment, illustrating orders of diffraction (N=0, N=1, N=2, etc.) and the measurement of distance 'x' between diffraction orders.
Mit der an der Monitorbuchse gemessenen Frequenz des Ultraschalls ν ergibt sich die Schallgeschwindigkeit c in der Flüssigkeit:
Formel (2): c = λs * ν
Beispielmessungen:
1. Wasser: ν = 4 MHz; s = 2,90 m; N = 4; x = 4,1 cm; λL = 650 nm ergibt: λs = 367,8 µm; c = 1471 m/s (Tabelle: 1480 m/s bei 20°C)
2. Glycerin: ν = 4 MHz; s = 2,90 m; N = 2; x = 1,6 cm; λL = 650 nm ergibt: λs = 471,2 µm; c = 1885 m/s (Tabelle: 1900 m/s bei 25°C)
3.3 Projektion stehender Ultraschallwellen
Die direkte Abbildung der stehenden Welle stellt eine interessante Versuchserweiterung dar. Dabei wird die Schallwelle über eine in den Strahlengang eingefügte Sammellinse mit divergentem Licht durchstrahlt. Auf dem Schirm zeigt sich dann die Dichteverteilung der stehenden Welle als Helligkeitsmodulation (linke Abbildung). Zur Bestimmung der Wellenlänge aus dem Verteilungsbild und der Geometrie müssen außer der Brennweite f der Linse in Luft (hier 100 mm) noch Brechungskorrekturen durch die Glaswände und die Messflüssigkeit berücksichtigt werden (zur Geometrie siehe folgendes Schemata).
Diagram illustrating the geometry for the projection experiment, showing the lens, vessel, and light path. Labels include focal length (f), glass thickness (g1, g2), refractive indices (ng, nFL), distances (a1, a2), and the ultrasonic wavelength (λs).
Formel (3): λs = (2 * x * N) / (f - g1 - a1 - (g1 + g2)/ng - a2/nFL)
Der Abstand a1 zwischen Schallfeld und Glaswand auf der Linsenseite und der Abstand a2 können näherungsweise mit jeweils der Hälfte des Innenmaßes von 9,6 cm angenommen werden. Die Glasstärken g1 und g2 betragen etwa 5 bzw. 4 mm. Die Brechungsindizes nFL der Messflüssigkeit und ng des Glases müssen bestimmt oder aus Tafelwerken entnommen werden. N ist die Anzahl der Helligkeitsmaxima und x der dazugehörende Abstand. Die Schallgeschwindigkeit des Mediums ergibt sich nun wieder aus der gemessenen Frequenz ν nach (2).
Achtung: Eine gute Projektion der stehenden Ultraschallwelle lässt sich mit dem Probengefäß (U10008) nur für 4 MHz realisieren. Für 2 MHz und besonders für 1 MHz kommt es destruktiven Überlagerungen der eingestrahlten Ultraschallwellen mit den an der Unterseite des Gefäßbodens reflektierten Ultraschallwellen. Die Laufzeitunterschiede der reflektierten Wellen liegen nur für 4 MHz im Bereich eines Vielfachen der Wellenlänge. Für 8 MHz ist die Amplitude der abgestrahlten Ultraschallwelle zu gering und zusätzlich die Absorption deutlich höher (der Absorptionskoeffizient ist proportional zum Quadrat der Frequenz), so dass es zu keiner deutlich ausgeprägten stehenden Welle kommt.
Beispielmessung: Wasser: a1 = a2 = 4,8 cm; f = 10 cm; nFL = 1,33; ng = 1,45; s =3,03 m; ν = 4 MHz; x = 8,9 cm; g1 = 5 mm; g2 = 4 mm ergibt: λs = 397 µm; c = 1590 m/s (Tabelle: 1480 m/s bei 20°C)
4. Technische Daten
4.1 Ultraschallgenerator (U10006)
| Merkmal | Wert |
|---|---|
| Frequenz | 1, 2, 4, 8 MHz einstellbar |
| Ausgangssignal | sinusförmig, kontinuierlich, einstellbar zwischen 5 Vss bis ca. 65 Vss, abschaltbar, mit Kontrollleuchte rot |
| Anzeige | 3-stellige LCD, eine Dezimalstelle, Ziffernhöhe 10 mm |
| Monitorsignal | TTL, Frequenzsignal |
| Laserausgang | 3 V DC, max. 300 mW an Hohlstecker-Buchse 5,5 mm Außen-Ø, 2,5 mm Innen-Ø, abschaltbar, mit Kontrollleuchte rot |
| Abmessungen | 256 x 86 x 156 mm |
| Netzspannung | 115/230 V, 50/60 Hz |
| Leistungsaufnahme | max. 60 VA; 5 VA Leerlaufleistung (Laser und Schall aus) |
| Absicherung | T 315 mA (230V) / T 630 mA (115 V) |
Ultraschallsonde
| Merkmal | Wert |
|---|---|
| Sondendurchmesser | 27 mm |
| Aktive Fläche | 2 cm² |
| Kabellänge | 1 m mit BNC-Buchse |
4.2 Probengefäß (U10008)
| Merkmal | Wert |
|---|---|
| Probengefäß | 100 x 100 x 120 mm |
| Probenvolumen | ca. 900 ml |
| Laserhalterung | 17 mm Innendurchmesser |
| Sondenhalterung | verstellbar, passend für Ultraschallsonde aus U10006 |
Linse auf Glasträger
| Merkmal | Wert |
|---|---|
| Linsenhalterung | 76 mm x 26 mm Glasträger mit angerauter Grifffläche |
| Linse | plankonvex, f = 100 mm (Luft), 16 mm Ø |
4.3 Laserdiode (U10007)
| Merkmal | Wert |
|---|---|
| Strahlfleck | < 6 mm in 3 m Abstand |
| Wellenlänge | 650 nm |
| Leistung | < 1 mW, Laserschutzklasse II |
| Versorgungsspannung | 3 V DC |
| Stromaufnahme | max. 35 mA |
| Anschlussstecker | 1 m Kabel mit Hohlstecker, 5,5 mm Außen-Ø, 2,5 mm Innen-Ø |
| Abmessungen | 80 mm x 17 mm Ø |
