Versuch
Info
Die Schallgeschwindigkeit wird über die Laufzeit des Schalls in einem Rohr gemessen. Das Rohr kann mit verschiedenen Gasen gefüllt werden. Wird Helium in das Rohr eingelassen, verkürzt sich die Schalllaufzeit. Die Messung in Kohlenstoffdioxid wird durch starke Schallabsorption erschwert.
Vorbereitungsdauer: 2.0 TageBeschreibung
Helium:
Ein senkrecht gestelltes Abflussrohr mit Deckel wird von unten mit einem Ultraschallpuls angestrahlt und die Laufzeit des Echos gemessen (der Ultraschallgeber ist gleichzeitig ein Empfänger). Am Rohr ist ein Nippel für Gaseinlass angebracht.
Wird Helium in das Rohr eingelassen, verkürzt sich die Schalllaufzeit.
Kohlenstoffdioxid:
Für die Messung in CO2 ist es günstig ein kürzeres Rohr zu nehmen und von oben nach unten zu beschallen. CO2 ist schwerer als Luft. Wegen der starken Schallabsorption in CO2 kann man hier nur die Tendenz zeigen.
Die starke Schallabsorption in CO2 bei 50kHz erschwert die Messung. Kann als Beispiel für Schallabsorption bei hohen Frequenzen eingeführt werden.
Gemessene Werte:
Rohrlänge ca. 78 cm
Laufzeit in Luft: 4,55 ms ⇒ c = 342 m/s
Laufzeit in He: 1,67 ms ⇒ c = 920 m/s
Literaturwerte:
c(Luft, 20°C) = 344 m/s
c(He, 20°C) = 1020 m/s
Beachte: Das Rohr ist unten offen, sodass sich der Sensor in Luft befindet.
Schallintensität \(I(r)=I(r_{0})\cdot e^{-\alpha (r-r_{0})}\) mit dem Schallabsorptionsgrad \(\alpha\)
Luft (N2), f = 600 kHz: α/f2 10-11 = 0,05 s2/m
He, f = 600 kHz: α/f2 10-11 = 1 s2/m
CO2, f = 300 kHz: α/f2 10-11 = 27,1 s2/m