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Experimente mit Ultraschall
Unter Ultraschall bezeichnet man Schallwellen der Frequenz den menschlichen Hörbereich übersteigt. Im Allgemeine sind somit Schallwellen mit einer Frequenz größer 20 kHz gemeint. Eine obere Grenze hingegen ist nicht genau definiert aber die technische Bereich verwendeten Frequenzen liegen zwischen 20 kHz und einigen Hundert Megahertz.
Technische Anwendungen gibt es sehr viele, darunter >Ultraschallreinigung<, >Sonaranwendungen<, >Materialprüfung< um nur einige zu nennen.
Die Erzeugung von Ultraschallwellen kann auf verschiedene Weise geschehen. Im technischen Bereich haben sich vor Allem Transducer mit piezoelektrischen Schwinger durchgesetzt. Nur bei niedrigen Frequenzen und hohen Leistungen kommen noch magnetostriktive Systeme zum Einsatz.
Ausführlich wird das Thema im >>Manuskript zur Ultraschallmikroskopie<< behandelt.

Das Experiment zermöglicht vier Versuche die verschiedene Eigenschaften von Ultraschall zeigen
 
1. Levitation mit Ultraschall
 
2. der Debay-Sears-Effekt
 
3. parametrischer Lautsprecher ( Schallscheinwerfer )
 
4. Quasioptische Eigenschaften von Ultraschallwellen
 
 
   
Ultraschall-Levitation:

Eine Ultraschallwelle besteht aus mit der Welle fortschreitender Kompression und Entspannung der Teilchen des Ausbreitungsmedium. Tatsächlich kann man eine Welle aufgrund der abwechselnden Druckunterschiede im Medium detektieren. Diese Druckschwankungen üben Kräfte auf kleine Partikel im Schallstrahl aus sodass diese entgegen der Schwerkraft zum Schweben gebracht werden können.
Besonders wirksam werden die Kräfte wenn durch eine Resonatoranordnung mit einem Reflektor stehende Wellen erzeugt werden.
Für den Versuch wurde ein Transducer aus einem defekten Ultraschallbad verwendet. Der Transducer ist nach dem Langewin-Prinzip aufgebaut und besteht aus zwei Piezokeramikringen die zwischen zwei Resonanzmassen geschraubt sind. Die obere konisch geformte Masse dient zur Impedanzanpassung.
Die Resonanzfrequenz des Transducers liegt bei 37 kHz entsprechend einer Wellenlänge von ca. 9 mm in Luft.
Der erforderliche Reflektor ist aus Plexiglas und mit vier Alusäulen stabil in Abstand von etwa 6 Wellenlängen über dem Transducer befestigt. Ein Feinjustierung des Abstands kann mittels Beilagscheiben erfolgen.
Die Generatorschaltung besteht aus einem Gegentaktoszillator (555,7474), einem Treiber (IR2110) und einer Gegentaktendstufe. Ein Ausgangstrafo erhöht die Treiberspannung auf circa 300Vss.
Styroporpartikel schweben in den Knoten der Schallwelle
Debay-Sears-Effekt:
Wie schon erwähnt führt eine Ultraschallwelle zu Druckgradienten im Ausbreitungsmedium. Diese Druckgradienten wiederrum bewirken eine Änderung des Brechungsindex des Mediums. Bei Gasen ist der Effekt nicht so stark aber trotzdem man kann die Welle mit >Schlierenfotografie< sichtbar machen. In Flüssigkeiten ist der Effekt stärker sodass die periodischen Änderung wie ein Beugungsgitter wirken und so Lichtstrahlen wie ein Gitter beugen und das typische Streifenmuster entsteht. Die Schallwellenlänge bestimmt die Gitterkonstante.
Um einen deutlichen Effekt zu erhalten darf die Wellenlänge nicht zu groß sein. Wird Wasser (cs ~ 1500 m/s) als Medium verwendet beträgt die Gitterkonstante bei 3 MHz Schallfrequenz 0,25 mm. Der Ablenkwinkel für einen roten Laserstrahl (650nm) beträgt dann 0,15° und bei einer Schirmdistanz von einem Meter hat das Beugungsmuster einen Abstand von 2,6 mm.
Man braucht also eine recht hohe Schallfrequenz im Megahertzbereich um deutliche Effekte zu erreichen. Für diese hohen Frequenzen geeignete Schwinger findet man in Ultraschallverneblern. Diese billigen Dekoobjekte arbeiten mit Frequenz zwischen 1 und 2 MHz und können auch mit geeigneten Schaltungen auf harmonischen Resonanzen angeregt werden. Die hier verwendeten Piezoschwinger können auch als Ersatzteil einzeln gekauft werden. Die Schaltung besteht aus einem Schmidttrigger-Oszillator der über einen Bereich von 1 bis 6 MHz eingestellt werden kann. Das Signal wird mit drei Gattern gepuffert und mit einem HF-Transistor verstärkt und über eine 1:2 Übertrager auf den Piezoschwinger gegeben.
 
Der Piezo ist in eine Glasküvette eingeklebt. Zur Beleuchtung dient ein roter Laserpointer, weil mit steigender Lichtwellenlänge die Beugung zunimmt.. Eine stehende Schallwelle ist für diesen Versuch nicht notwendig kann aber wegen der höheren Amplituden den Effekt verstärken. Die Frequenzeinstellung muss sehr feinfühlig geschehen da die Resonanzen sehr scharf sind und deshalb leicht übersehen werden können.
 
Bei der linken Beugungsfigur beträgt der Abstand der Maxima 1.8 mm. Der Abstand von der Küvette zum Schirm war 720mm und die Wellenlänge des Laserpointers 650 nm. Nach der obigen Formel errechnet sich die Ultraschallfrequenz zu 2,8 MHz.
Der rechte Film zeigt einen manuellen Sweep über die Frequenz
     
parametrischer Lautsprecher:

Im Allgemeinen ist Ultraschall für das menschliche Ohr nicht hörbar. Wird der Ultraschall aber mit einer Tonfrequenz moduliert sind diese Töne vor dem Ultraschalllautsprecher plötzlich hörbar, Voraussetzung ist eine hohe Intensität der Ultraschallstrahlung. Ursache sind nichtlinerare Effekte des Übertragungswegs. Durch diese Nichtlineritäten wird der Ultraschall "gleichgerichtet" und damit das Modulationssignal wieder hörbar. Ähnlich wie mit einer Diode als nichtlineares Bauteil modulierte HF-Spannung demoduliert wird.
Wozu ist der Effekt zu gebrauchen? Wegen der kleinen Wellenlänge des Ultraschalls kann dieser sehr gut gerichtet b.z.w. fokussiert werden. Das heißt die modulierten Töne können nur in einem bestimmtem lokalen Bereich wahrgenommen werden. Es ist möglich nur ein ausgewähltes Volumen zu beschallen. Mit hörbaren Tonfrequenzen ist das direkt wegen der großen Wellenlängen nicht möglich.

Für den Bau wurde auf eine Schaltung des >Elektor-Verlags< verwendet. Hier wird die Trägerfrequenz von 40 kHz mit einem PWM-Baustein TL494 erzeugt und die Amplitudenmudulation über das Tastverhältniss gewonnen. Das Signal steuert über einen Mosfettreiber IR2111 die Gegentaktendstufe. Nach dem Aufbau wurde aber festgestellt das die erhaltene Tonqualität sehr schlecht ist und das hörbare Signal abhängig von der Lautstärke extrem verzerrt wirkt. Nach einem Umbau auf eine analoge AM, die Betriebsspannung der Endstufe wird mit der Tonfrequenz moduliert, wurde das Signal wesentlich besser und enthält nun kaum hörbare Verzerrungen. Das Transducerarray besteht aus 45 Transducern die in einer möglichst engen Packung im Wabendesign aneinander geklebt wurden. Der Abstand der Transducer beträgt Mitte zu Mitte 16,5 mm und somit etwa zwei Wellenlängen. Wie schon vielfach im Netz beschrieben ist es notwendig die Phasenlage der einzelnen Transducer zu testen. Äußere Kennzeichnungen am Gehäuse sind kein sicherer Hinweis auf die Polung der Senderkeramik oder Folie.
Neben dem AM-Sender ist auf der Platine der Mini-MP3 Player für den Sound und ein StepUp-Wandler für die Betriebsspannung der Endstufe von 40V aufgebaut >Schaltung im PDF-Format<
Der erste Betrieb war etwas enttäuschend, die Richtwirkung bei weitem nicht so ausgeprägt wie erwartet. Möglicherweise liegt das aber auch and den Raumverhältnissen. Im engen, vollgestellten Hobbyraum kommen Reflektionen aus allen Richtungen.
Deshalb wurde erstmal die Abstrahlung des Lautsprechers ohne Modulation mit einem Ultraschallmikrofon gemessen. Das Mikrofon wurde in ca. 1,5m Abstand vom drehbar gelagertem Lautsprecher aufgestellt. Eigentlich sollte man solche Messungen natürlich in einem schalltotem Raum machen, der stand aber leider nicht zur Verfügung und zur groben Orientierung sollte das auch so reichen. Das Signal des Empfangstransducers wurde direkt mit einem Leistungsmesser von R&S gemessen. Das Ergebniss der Messung ist rechts zu sehen. Der Halbwertswinkel beträgt nur 2,7°, der Ultraschallstrahl ist also doch recht schmal.
In einem größerem Raum ist dann der Effekt schön zuhören. Vorallem wenn man neben dem Lautsprecher steht scheint die Musik von der angepeilten Wand zu kommen.
 
Signalübertragung mit Ultraschall:
Auch mit Ultraschall ist eine Informationsübertragung wie mit elektromagnetischen Wellen möglich. Ältere Zeitgenossen werden sich vielleicht noch an die Ultraschallfernbedienungen früherer Fernsehgeräte erinnern. Im folgenden Experiment wird ein Ultraschallsender mit Musik moduliert. Im Empfänger wird das Signal wieder demoduliert und hörbar gemacht.
Wegen der kurzen Wellenlänge folgt die Schallstrahlung weitgehend den Gesetzen der Optik. So kann sie mit Spiegeln um gelenkt, mit speziellen Linsen (z.B. Zonenplatten) fokussiert und mit Gittern gebeugt werden. Polarisationseffekte sind allerdings nicht zu erwarten da sich Schall in Gasen, im Gegensatz zur elektromagnetischen Strahlung, mit longitudenalen Wellen ausbreitet.
Die kurze Wellenlänge des 40 kHz Schalls von 8,25mm entspricht einer elektromagnetischen Strahlung im Millimeterwellenbereich um 36 GHz. Entsprechend ausgeprägt sind die quasioptischen Eigenschaften.
 
Die Nf-Quelle des Senders ist ein Mini MP3-Player. Die HF-Spannung von 40 kHz wird mit einem Schmidttrigger erzeugt und in der Endstufe mit dem Musiksignal in der Amplitude moduliert.
Im Empfänger wird das Signal verstärkt, demoduliert und mit einem NF-Verstärker auf Lautsprecherlevel angrehoben.
 
Sender- und Empfängerkapsel sind in etwa 25 cm Abstand so angeordnet dass zwischen ihnen keine Übertragung möglich ist. Der Film zeigt wie sich Ultraschall vom Sender zum Empfänger ausbreitet. Erst wenn durch zwei Spiegel die Welle vom Sender zum Empfänger gelangen kann ist die Modulation zu hören. Ein Holzklotz im "Strahlengang" unterbricht die Verbindung.
Auch über einen Schlauch kann der Ultraschall sich ausbreiten ähnlich wie Licht im Lichtleiter oder Mikrowellen im Hohlleiter.
Das gilt im gewissen Maße auch für hörbaren Schall. So wurden früher auf Schiffen Kommandos von der Brücke in den Maschinenraum durch Schläuche mit am Ende angesetzten Trichtern übertragen.