Einleitung
Eines der wohl wichtigsten Elemente unserer hochtechnisierten Gesellschaft ist glücklicherweise eines, das es sprichwörtlich wie Sand am Meer gibt. Gemeint ist Silizium, das nicht nur wegen seiner Halbleitereigenschaft, sondern auch wegen der piezoelektrischen Natur von SiO 2- Kristallen in der Physik von großer Bedeutung ist. Aus eben solchen Kristallen können durch Massenproduktion sehr kostengünstig Schwingquarze in verschiedenen Formen und Abmessungen hergestellt werden. Diese erfahren in Forschung und Technik vielfältige Anwendungen. Als bekannteste Nutzung wäre die
Taktgeberfunktion in Uhren oder Mikrocomputern zu nennen. (1)
Sie können aber auch als empfindliche Sensoren und Ultraschall-geber, z.B. bei der Erforschung von Oberflächenstrukturen, eingesetzt werden.
Ein besonders anschauliches Beispiel für diese Funktion ist in dem von mir benutzten Aufbau eines Ultraschallinterferometers realisiert, einem Präzisionsgerät zur Messung der Schall-geschwindigkeit. Der Aufbau wurde von Jochen Suthe im Rahmen seiner Staatsexamensarbeit in Zusammenarbeit mit Theodor Murdfield 1996 entwickelt und ist seitdem fester Bestandteil des
Demonstrationspraktikums für Lehramtsanwärter an der Westfälischen
Wilhelms- Universität in Münster.(2) Um die Schallgeschwindigkeit auch in verschiedenen Gasen bestimmen zu können erweiterte Thorsten Buthe diesen Aufbau durch ein Atmosphärengehäuse.(3) Außerdem wurde durch den Anschluß an ein Meßprogramm von Andreas Naber die Möglichkeit geschaffen, Meßkurven zu speichern und somit genauer zu untersuchen.(4) Mit Hilfe solcher Meßkurven können auch Rückschlüsse auf das Schwingverhalten eines Quarzes gezogen werden.
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1 Vgl. Herzog, W.: Oszillatoren mit Schwingkreisen, S. 1ff, S.301ff
2 Vgl. Suthe, J..: Examensarbeit
3 Vgl. Buthe, T.: Examensarbeit
4 Vgl. Naber, A.: Dissertation
Inhaltsverzeichnis
1 EINLEITUNG
2 GRUNDLAGEN
2.1 DER PIEZOEFFEKT
2.2 DER 1 MHZ STABSCHWINGER
2.2.1 MECHANISCHE EIGENSCHAFTEN
2.2.2 ELEKRISCHE EIGENSCHAFTEN
2.3 DAS ULTRASCHALLINTERFROMETER
2.3.1 ALLGEMEINE FUNKTIONSWEISE
2.3.2 AUFBAU DES VERWENDETEN INTERFEROMETERS
2.3.3 DIE OSZILLATORSCHALTUNG IN SMT
3 FRAGESTELLUNG
3.1 SCHWEBUNGEN DURCH LINEARE ÜBERLAGERUNG VON WELLEN
3.2 ÜBERLEGUNGEN ANHAND DES SPEKTRUMS
4 MEßMETHODE
4.1 DIE DURCHFÜHRUNG
4.2 AUSWERTUNG DER MESSUNGEN
4.2.1 EINFACHE BESTIMMUNG DER SCHALLGESCHWINDIGKEIT
4.2.2 BESTIMMUNG DES WINKELS
5 ANALYSE DER MEßKURVEN
5.1 SCHWEBUNG DURCH INTERFERENZ
5.2 STRAHLUNGSINTENSITÄT
5.3 VERGLEICH DER THEORETISCHEN BETRACHTUNGEN
6 ZUSAMMENFASSUNG
Zielsetzung und Themen
Die vorliegende Arbeit untersucht Schwebungsphänomene bei einem 1 MHz Stab-Schwingquarz in einem Ultraschallinterferometer, wobei insbesondere der Einfluss von Interferenzeffekten und akustischen Monopolen auf das Messsignal analysiert wird.
- Untersuchung der Ursachen von Schwebungen in Ultraschall-Messkurven.
- Konzeption und Aufbau einer verbesserten Oszillatorschaltung in SMT-Technik.
- Analyse der Winkelabhängigkeit zwischen Schwingquarz und Reflektorwand.
- Vergleich experimenteller Daten mit theoretischen Modellen akustischer Monopole.
Auszug aus dem Buch
4.2.1 Einfache Bestimmung der Schallgeschwindigkeit
Zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit stützt man sich im Wesentlichen auf die Erkenntnis, daß zwischen zwei festen Punkten sich ausbreitende ebene Wellenzüge gleicher Wellenlänge eine stehende Welle der Periodizität λ/2 ausbilden.
Dies bewirkt nach A. Michels, daß sich im Abstand von λ/4 Schalldruckmaxima und -minima abwechseln. Die Gatespannung ist über einen Feldeffekttransistor so geregelt, daß die Schwingungsamplitude konstant bleibt. Sie stellt ein Maß für die Be- bzw. Entdämpfung des Quarzes und damit für den Schalldruck dar.
Für die Messung der Schallgeschwindigkeit ist offensichtlich nur der Abstand zweier benachbarter gleichartiger Extrema entscheidend.
Um eine möglichst große Genauigkeit zu erzielen wird der durchschnittliche Abstand aller erfaßten Minima von Kurven wie in Abbildung 4.2 ermittelt.
Zusammenfassung der Kapitel
1 EINLEITUNG: Einführung in die Bedeutung von Silizium und piezoelektrischen Kristallen sowie Erläuterung des Aufbaus und der Zielsetzung der vorliegenden Untersuchung.
2 GRUNDLAGEN: Darstellung des Piezoeffekts, der physikalischen Eigenschaften des 1 MHz Stabschwingers und der Funktionsweise sowie des Aufbaus des Ultraschallinterferometers samt Oszillatorschaltung.
3 FRAGESTELLUNG: Analyse der theoretischen Entstehung von Schwebungen durch lineare Überlagerung und Betrachtung des Spektrums zur Identifikation möglicher Ursachen.
4 MEßMETHODE: Detaillierte Beschreibung der experimentellen Durchführung, der Vortriebsgeschwindigkeit der Wand und der angewandten Methoden zur Auswertung der Schallgeschwindigkeit und des Winkels.
5 ANALYSE DER MEßKURVEN: Untersuchung der winkelabhängigen Interferenzphänomene, der Strahlungsintensität unter Berücksichtigung von zwei Monopolen und Vergleich der theoretischen Modelle.
6 ZUSAMMENFASSUNG: Zusammenfassende Darstellung der Ergebnisse zur Identifikation der Schwebungsphänomene und der erfolgreichen theoretischen Beschreibung durch das Modell der akustischen Monopole.
Schlüsselwörter
Ultraschallinterferometer, Schwingquarz, Piezoeffekt, Schwebung, Schallgeschwindigkeit, Interferenz, Akustischer Monopol, Oszillatorschaltung, SMD-Technik, Strahlungsintensität, Frequenzspektrum, Nahfeld, Längsdehnungsschwinger, Wellenüberlagerung, Signalverarbeitung.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit beschäftigt sich mit der physikalischen Untersuchung von Schwebungsphänomenen, die bei der Nutzung eines 1 MHz Stab-Schwingquarzes in einem Ultraschallinterferometer auftreten.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Im Zentrum stehen die piezoelektrischen Eigenschaften des Quarzes, der Aufbau und die Optimierung einer Oszillatorschaltung sowie die physikalische Analyse von Interferenzmustern im Ultraschallfeld.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das Hauptziel ist es, die Ursachen für beobachtete, zuvor nicht näher erklärte langwellige Schwebungen in den Messkurven zu identifizieren und diese theoretisch zu begründen.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es werden experimentelle Messkurven der Gatesspannung analysiert und diese mit mathematischen Modellen zur Interferenz und zur Abstrahlung akustischer Monopole verglichen.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil umfasst den Aufbau des Interferometers, die Entwicklung einer SMT-Oszillatorschaltung, die experimentelle Durchführung bei verschiedenen Winkeln und die detaillierte theoretische Analyse der Messergebnisse.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die Arbeit lässt sich durch Begriffe wie Ultraschallinterferometer, Schwingquarz, Interferenz, Schwebung, akustischer Monopol und Frequenzanalyse beschreiben.
Welche Rolle spielt die SMT-Technik in dieser Arbeit?
Die SMT-Technik wurde genutzt, um eine funktionelle und miniaturisierte Oszillatorschaltung neu aufzubauen, was die Zuverlässigkeit und Übersichtlichkeit des gesamten Messaufbaus im Praktikum deutlich verbesserte.
Wie wurde der Winkel zwischen Quarz und Reflektorwand bestimmt?
Der Autor entwickelte ein spezielles Verfahren, das die Geometrie der Anordnung ausnutzt und die Änderung des Abstands der Reflexionspunkte auf der Wand bei einer Schrägstellung mathematisch berücksichtigt.
- Citation du texte
- Dirk Pigulla (Auteur), 1998, Schwebungsphänomene im Ultraschallfeld des 1 MHz Stab-Schwingquarzes, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/279
