Staatliche Realschule für Knaben, Neumarkt OPf.

Messung der Schallgeschwindigkeit mit der Soundkarte am PC



(Anleitung und Geräte by 
J. Grzesina, KRS Neumarkt, 16. Januar 2000)

Die Schallgeschwindigkeit in Luft kann mit diesem Verfahren sehr genau bestimmt werden. Der relative Messfehler liegt unter 5% und wird hauptsächlich durch das verwendete Soundprogramm beeinflusst.

1. Geräte

2. Verfahren

3. Ergebnis

1. Geräte

1 beliebiger PC mit Soundkarte
   Programm zur Bearbeitung von WAV-Dateien

2 dynamische Mikrofonkapseln oder Hörerkapseln von einem alten Telefon
2 Vorverstärkereinheiten
1 Stereo-Leitung von 1 - 2 m als Verbindung der einen Aufnahmeeinheit mit der Soundkarte
1 Monoleitung von ca. 5 - 10 m als Verbindung zur zweiten Aufnahmeeinheit.

Der Mikrofoneingang ist bei den meisten Soundkarten nicht in Stereo ausgelegt. Damit ist ein Aufteilen der Aufnahmeeinheiten auf zwei Kanäle und eine optimale Trennung der Signale nicht möglich. Deshalb verwende ich zwei Hörerkapseln aus alten Telefonen mit je einem nachgeschalteten integrierten Vorverstärker, die jede für sich in das Gehäuse einer alten Gegensprechanlage eingebaut sind. Der Vorverstärker wird über eine 9V-Batterie versorgt (ca. 2 - 4 mA). Nachfolgend die Abbildungen von Schaltplan, Layout, Bestückung und Einbau der Baugruppen im Gehäuse.


Schaltplan des Verstärkers:

Als OpAmp kann ein TL 071 dienen. (mit R2 wird der Verstärkungsfaktor eingestellt, C2 und C3 sind recht unkritisch und können hier auch kleiner gewählt werden - 0,5 .. 1 µF)

Schaltung aus: "Elektronik III - Grundschaltungen, Kammerer Josef u. a., Richard Pflaum Verlag KG, München)

 

  


Beim Platinenherstellen kommt die Druckseite direkt auf die Beschichtungsseite der Platine.

So sind die Teile im Gehäuse untergebracht.

Die beiden Aufnahmeeinheiten werden mit einem mindestens 5 m langen Kabel über Klinkenstecker verbunden. Die hier dargestellte Einheit nimmt das Signal der anderen entgegen (links unten) und schleift es an die gemeinsame Ausgangsbuchse (im Bild links oben) durch. Von hier gehen beide Signale auf einer Stereo Leitung an die Soundkarte des PCs und werden dort am LINE IN Eingang eingespeist. 

Verbindung der Aufnahmeeinheiten, das schwarze Kabel geht zum PC

Hinweis: Wird zur Verbindung der Aufnahmeeinheiten auch ein dreiadriges Kabel genommen, dann kann man die Versorgungsspannung von Einheit 1 auch an die Einheit 2 geben und spart sich damit eine Batterie und einen Schalter.

Auf dem PC muss ein Programm zur Bearbeitung von WAV-Dateien installiert sein, das die Speilzeit in Millisekunden auflöst.

 

Verfahren

Aufnahmeeinheiten positionieren (ca 4 - 5 m Entfernung), Entfernung ausmessen und die Einheiten einschalten. Programm starten und den Mixer (kartenabhängig) so einstellen, dass das Signal des LINE IN - Eingangs als einziges aufgenommen wird. Klarstellen, dass tatsächlich beide Signale getrennt aufgezeichnet werden können. Das ist der Fall, wenn man getrennt an den Gehäusen kratzt und die Aufnahmebalken der Aussteuerungsanzeige unabhängig voneinander reagieren. Die Aufnahmequalität sollte auf 16 Bit Stereo bei 44 kHz eingestellt sein. Es ist bei dieser Methode unerheblich ob die Aufnahmeeinheiten unmittelbar an der Wand oder auf umgebenden Möbeln stehen. Reflexionen machen sich nicht nachteilig bemerkbar, weil die Laufzeit des Schallimpulses auf unterschiedlichen Kanälen aufgenommen wird.

Starten der Aufnahme.

In ca. 1 m von einem der beiden Kästchen entfernt (nicht auf der Strecke dazwischen sondern auf der rückwärts verlängerten Linie) klatschen oder ein anderes lautes Geräusch hervorrufen. Aufnahme stoppen.

 

Ergebnis

Das Bild des zeitlichen Verlaufs der Schallwellen am Ort der Aufnahmeeinheiten wird jetzt Soundbearbeitungsprogramm dargestellt. Die Zeitachse sollte eine Auflösung in ms zeigen und die Wellenbilder sollten durchgezeichnet sein. Im Ulead Mediastudio 5.0 Pro sind dazu folgende Einstellungen über das Menü DATEI - VOREINSTELLUNGEN nötig.


Die aufgenommenen Signale können nun als WAV-Datei abgespeichert werden. Zur genauen Auswertung fügt man nun  die am Beginn des Knalls ausgeschnittene Markierung der ersten Aufzeichnung als neue WAV-Datei in ein neues Dokumentfenster mit den gleichen Einstellungen wie oben (16 Bit Stereo bei 44 kHz ) ein. 

  Wer es selbst probieren möchte, kann sich die diese Wavedatei runterladen (ZIP-Format 12 KB)


Diesen Vorgang wiederholt man noch ein bis zwei mal. Dadurch wird die Darstellung so weit aufgezogen, dass der Anstieg der beiden Wellenfronten mit der Maus ganz genau angesteuert werden kann. 

Nun den Bereich zwischen Anstieg der ersten Wellenfront bis zum Anstieg der zweiten markieren und die zeitliche Länge der Markierung ablesen (je nach Programm Statuszeile, Zeitleiste o. ä.). Im vorliegenden Fall ergibt sich aus der Zeitleiste: Laufzeit t = 12,3 ms - 1,0 ms = 11,3 ms bei Laufweite s = 3,8 m.

Entfernung der Aufnahmeeinheiten geteilt durch die Laufzeit (in s)  ergibt sehr gut die Schallgeschwindigkeit in Luft (20 °C)

cL = 3,8 m : 0,0113 s = 336 m/s  (Fehler ca. 1%  !). 

Je weiter die Entfernung genommen wird um so genauer ist der zu erwartende Wert für die Schallgeschwindigkeit.

Hier wurde die Laufzeit nur grob abgeschätzt. Wenn man durch Längenmessung auf dem Schirm oder einem Ausdruck des Bildschirmfotos genau linear interpoliert, ist eine Zeitmessung auf 0,1 ms ohne Probleme erreichbar. 

Hinweis: Nicht jedes Soundbearbeitungsprogramm eignet sich gleich gut. Das folgende Beispiel demonstriert die Unzulänglichkeit der Software, die mit SB 16 Karten geliefert wird. Da die Zeitleiste fehlt, kann nur auf ganze ms aufgelöst werden. die fehlende Interpolationsmöglichkeit erhöht den relativen Fehler.

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