Messung der Schallgeschwindigkeit in Stahl

[Manf]

Wie lassen sich die dargestellten Hilfsmittel: Kleiderbügel, Messschieber, Feuerzeug und Oszilloskop mit Signalgenerator einsetzten, um die Schallgeschwindigkeit im Stahldraht des Kleiderbügels zu messen?
Welcher Messwert für die Schallgeschwindigkeit wird erwartet?

Manfred


https://www.roboternetz.de/phpBB2/album_pic.php?pic_id=517

[PicNick]

Stehwelle ? mit glühenden Knoten ?

[Manf]

Passt irgendwie gut zusammen die Kombination.
Schwingende Saite mit Luftkühlung außerhalb der Knoten.
Es gibt auch so einen Versuch, kann man damit die Schallgeschwindigkeit im Material messen?
Manfred

[PicNick]

Ich bin mir nicht sicher, ob der Putzerei-Bügel zum Schwingen zu bringen ist ? Wie koppelst du ein ?
Wenn wir haben Frequenz, Länge Bügel, Lambda Stehwelle hätten wir ja alles, um glücklich zu sein ? (Außer den Formeln, aber das gilt nur für mich)

[Manf]

Das ist alles völlig richtig.
Die Formeln sind hierbei das wenigste: v= Lambda / T.

Das Experiment selbst ist ungefährlich, aber der Kleinderbügel wird den Versuch nicht überdauern, nicht nur der. Zur Messung des Materials muss ein Stück (oder auch mehrere) aus dem Bügel herausgeschnitten werden.

Dann war auch noch die Frage: Welcher Messwert für die Schallgeschwindigkeit wird erwartet?
Manfred

[PicNick]

Hi, schwer zu sagen, aus was genau so ein Drahtbügel besteht. Aber so umd die 6000 m /s wurd' ich schon schätzen

[ranke]

Welcher Messwert für die Schallgeschwindigkeit wird erwartet?

In meinem Tabellenbuch (Dubbel) wird folgende Formel zur Berechnung von Schallgeschwindigkeiten (Longitudinalwellen in großen Körpern) angegeben:

c = ((2*G*(1-ny))/(rho*(1-2*ny)))^0,5

mit:

G: Gleitmodul, für Stahl 80 000 N/(mm^2)
ny: Poissonsche Zahl, ny =(E/(2 * G))-1
E: Elastizitätsmodul, für Stahl 210 000 N/(mm^2)
rho: Dichte, für Stahl 7,85 kg/(dm^2)

Alles eingestetzt, kommt (hoffentlich richtig gerechnet) etwa 4300 m/s für die Schallgeschwindigkeit raus.

Zumindest in der Größenordnug stimmt das mit der Schätzung von Picnick überein (Vielleicht ist der Kleiderbügel auch nicht hinreichend groß?)



nicht nur der

könnte das der Zünder für das Feuerzeug sein?

[PicNick]

@ranke
wenn mich meine Frau bei derlei Experimenten in geschlossenen Räumen erwischt, ist überhaupt mit massivsten Kollateralschäden zu rechnen, da ist mir der Kleidebügel oder das Feuerzeug wurst
@Manfred
Wie krieg ich den Bügel hinreichend zum Schwingen ? Experminent schon mal durchgezogen ?

[Manf]

Ja prima alles richtig bis jetzt, die treibende Kraft für das Experiment kam gerade von der anderen Seite, der Kleiderbügel war nur Zusatzmaterial.

Bei einem geraden Stück der Länge 30cm braucht man ja schon eine Anregung von 10kHz um überhaupt nur einen Lamda/2 Schwinger zu erhalten.

Ich will auch kurz vorweg nehmen, dass die Schall-Geschwindigkeit im Drahtkleiderbügeln (eine weithin unterschätzte Größe) etwa in der Mitte, so bei 5150m/s liegt.

Spricht es noch jemand aus wie es geht, oder darf ich die Messung beschreiben?
Manfred

[PicNick]

Mal umgekehrt: Um Schall zu messen, muß ich erstmal einen haben. Hätt ich zwei Drähte knapp parallel (verbogener Bügel ?), könnt' ich den Draht ev. zum Schwingen bringen, bei Resonanz könnt' das vielleicht gehen, daß man davon was merkt (und wenn der Generator das leistet). Mit den glühenden Knoten bin ich ja skeptisch, daß das so punktgenau wird, um es zu messen ? Vielleicht eher der Meßschieber die Bauch-Maxima ?
*rumrätsel*

[Manf]

Mal umgekehrt: Um Schall zu messen, muß ich erstmal einen haben. Hätt ich zwei Drähte knapp parallel (verbogener Bügel ?),
Vielen Dank für den Kommentar, ich will die Hinweise noch mal zusammenstellen und auffrischen:

(Longitudinalwellen in großen Körpern)
könnte das der Zünder für das Feuerzeug sein?
Bei einem geraden Stück der Länge
Signalgenerator einsetzten
So könnte es gehen.
Manfred

[ranke]

Also habe ich gestern abend noch so ein Piezozünder aus einem Feuerzeug ausgebaut und einen Draht (ca. 40 cm lang) über die Seite des Spannungserzeugers balanciert, auf der sonst der kleine Hammer aufschlägt
An den Hochspannungskontakten des Zünders das Oszilloskop angeschlossen und hochohmig (100kOhm) den Funktionsgenerator.
Beim Durchstimmen hatte ich erhofft, bestenfalls Schwingungsmaxima am Oszilloskop zu sehen, aber wenigstens die Schwingung zu hören.
Beides leider Fehlanzeige, auch mit verschiedenen Versuchsanordnungen zur Verbesserung der Kontaktierung oder der Schallabstrahlung (Blech als Schallmembran): kein Geräusch, keine Maxima.
Schließlich habe ich das ganze (vergossene) Ding mit dem Taschenmesser zerschnitzt. Dabei habe ich gefunden, daß intern eine schlechte Kontaktierung vorhanden war, beim bestimmungsgemäßen Gebrauch hat das die Hochspannung überhaupt nicht gestört, mein Funktionsgenerator konnte den Kristall aber nicht anregen.
Fazit: ich gehe heute noch ein paar Feuerzeuge kaufen.

[Manf]

Hier ist dann die Beschreibung der Messung der Schallausbreitung in Längsrichtung des Drahtes.

In dieser ersten Phase der Messungen ging es darum im Spektrum "Störungen" nachzuweisen die vom Probekörper stammen. Mittelerweile ist die Messung Schaltungstechnisch verfeinert worden und es gibt damit schönere Bilder von Frequenzgängen.

Man entnimmt dem Feuerzeug den Piezozünder und verbindet ihn mit dem Signalgenerator.
Das ist brutal, aber die elektromechanische Umsetzung muss ja irgendwo erfolgen. Dafür geht die Messung dann ohne Feuer. (Die Anmerkung ist richtig die Kontaktierung im Feuerzeug ist unterschiedlich ausgeführt. Es gibt auch preisgünstige Piezozünder im Handel für einen Preis von etwa 3 Feuerzeugen.)

Da mit nur einem einzelnen Wandler gemessen wird, muss die Kopplung des Signalgenerators an den Wandler so schwach gehalten werden, dass die Rückwirkung eines Probekörpers bei Resonanz erkennbar wird. Der Signalgenerator wird auf maximale Amplitude eingestellt (z.B.20V) und über einen kleinen Kondensator von 10-30pF an den Wandler gekoppelt. Das Oszilloskop wird zu Messung an den Wandler angeschlossen.

Der Signalgenerator durchfährt nun periodisch einen Frequenzbereich und die Amplitude wird dabei auf dem Oszilloskop aufgezeichnet. Zunächst wird dabei das Spektrum des Wandlers alleine aufgenommen. Es zeigt sich, dass der Wandler eine Eigenresonanz im Bereich von 75kHz hat (Bild2).


https://www.roboternetz.de/phpBB2/album_pic.php?pic_id=519

Da Stahl mit einer Schallgeschwindigkeit von 5000m/s angegeben ist, werden aus dem Kleiderbügel Probestücke der halben Wellenlänge im Bereich von 75kHz entnommen. Das entspricht einer Länge von 5m/(2*75), also 33mm. Das Probestück wird dann jeweils in der Mitte (im Schwingungsknoten) gehalten und leicht auf den Wandler aufgesetzt (Bild 1) und die Resonanzfrequenz, die im Bild des Spektrums erscheint, gemessen. (Bild 3)

Die im Versuch entnommenen Probstücke hatten eine Länge von 25mm bis 60mm. Es wurde eine Messreihe der Länge der Probestücke und der daraus berechneten Resonanzfrequenzen aufgestellt. (Bild 4)

Das Ergebnis ist eine Schallgeschwindigkeit von 5134 m/s. Die Genauigkeit der durchgeführten Messung dürfte bei ca. 1% liegen, ist aber auch leicht auf 0,05% zu steigern.

Manfred

[PicNick]

Feuerzeug als Wandler, sieh' an !
Deine Beförderung zum Zweistein hab' ich ja schon ventiliert, mehr Steine gehen aber nicht, sonst wirst du zu Geröllheimer, und das ist ja auch nix.