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Inhaltsverzeichnis

1 Vorbereitungen........................................................................5 1.1 Experimentierbrett ............................................................. 5 1.2 Ultraschallsensoren ........................................................... 6 1.3 Schottky-Diode................................................................... 8 1.4 Leuchtdioden ..................................................................... 9 1.5 Transistor .......................................................................... 10 1.6 Integrierter Schaltkreis/OP................................................ 12 1.7 Widerstände...................................................................... 15 1.8 Trimmpotenziometer ........................................................ 16 1.9 Kondensator...................................................................... 19 1.10 Elektrolytkondensatoren (Elkos)...................................... 20 1.11 Steckstifte.......................................................................... 21 1.12 Piezo-Schallwandler .........................................................23 1.13 Lüsterklemmen ................................................................ 24 1.14 Batterie-Clip ..................................................................... 24 1.15 Schaltdraht....................................................................... 25 1.16 Komponenten in der Übersicht ....................................... 26

2 Ultraschallanwendungen ....................................................... 27

3 Anschluss und Funktion der Sensoren....................................28

4 Hörbarer und unhörbarer Schall ............................................ 29

5 Schallphänomene .................................................................. 32

6 Mückenscheuche ................................................................... 38

7 Ultraschallsender....................................................................41

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8 Resonanz und Resonanzfrequenz...........................................44

9 Ultraschalldetektor ................................................................46

10 Grundschaltung für Echoortung.............................................. 52

11 Echoortung mit optischer Anzeige.......................................... 56

12 Reflexion von Ultraschallwellen.............................................58

13 Absorption von Ultraschallwellen .......................................... 63

14 Abstandswarnung..................................................................64

15 Abstandswarnung mit optischer Anzeige................................66

16 Ultraschallalarm ....................................................................69

17 Ultraschallkonverter ...............................................................71

18 Prinzip Fledermausempfänger ............................................... 73

19 Empfindlicher Fledermausempfänger..................................... 74

20 Die Ultraschallwelt tut sich auf............................................... 78

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1 Vorbereitungen Im Lernpaket liegen alle erforderlichen Komponenten für die Experi-mente bereit, Sie können also gleich beginnen. Zur Stromversorgung der elektronischen Schaltungen sind lediglich eine 9-V-Batterie und einige haushaltsübliche Gegenstände (siehe Kasten) erforderlich.

Zusätzlich erforderlich (haushaltsübliche Gebrauchsgegenstände)

• 9-V-Batterie

• Schaumstoff

• Papier und Klebstoff

Nachfolgend werden die einzelnen Komponenten in ihrer Art und Eigenschaft erläutert.

1.1 Experimentierbrett Mit dem Experimentierbrett, auch als Steckbrett bezeichnet, können die Experimente ohne Lötkolben aufgebaut werden. Es besteht im Inneren aus Kontaktfedern, die in einem Reihensystem miteinander verbunden sind. Die elektronischen Bauteile und Verbindungsdrähte können wiederholt in die Kontakte eingesteckt werden. Das ermöglicht einen Schaltungsaufbau ohne Löten oder Schrauben und – durch Umstecken oder Austausch einzelner Komponenten – viele Experimente. Schräg mit dem Seitenschneider abgezwickte Anschlussdrähte erleichtern das Einstecken.

Das Steckbrett hat insgesamt 270 Kontakte im 2,54-mm-Raster. Die 230 Kontakte im mittleren Bereich sind jeweils durch vertikale Streifen in 5er-Reihen verbunden. An den Rändern der breiten Seite gibt es je eine

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Reihe mit 20 Kontaktpunkten, die horizontal mit einer Schiene ver-bunden sind. Diese »obere« und die »untere« Reihe eignen sich gut als Stromversorgungsschiene.

Abb. 1: Prinzip Steckbrett und »Stromversorgungsschiene«.

1.2 Ultraschallsensoren Die dem Lernpaket beiliegenden Ultraschallwandler arbeiten mit einer Frequenz von ca. 40 kHz. Bei prinzipiell gleichem mechanischem und optischem Aufbau gibt es einen speziellen Sensor für den Sendebereich mit T (= Transmitter) bezeichnet und einen speziellen Empfängertypen mit R (= Receiver) bezeichnet.

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Abb. 2: Ultraschallsensoren; a) je ein Empfänger- und ein Sendesensor von hinten sowie die Ansicht eines der Sensoren von vorn; b) Schaltbildsymbole.

Zum Aussenden und Empfangen von Ultraschallsignalen verwendet man piezoelektrische Quarz- oder Keramikschwinger. An den Wandler des Senders wird eine Wechselspannung mit dessen Eigenresonanzfrequenz angelegt. Die Schwingungen werden dann über die Luft und, bei speziellen Sensoren (nicht im Lernpaket enthalten), auch durch Flüssigkeiten übertragen.

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Hinweis Die für die nachfolgenden Experimente verwendeten Ultraschallsen-soren funktionieren nur im gasförmigen Medium (Luft) und dürfen nicht in Flüssigkeiten eingetaucht werden.

1.3 Schottky-Diode Dioden lassen den Strom nur in einer Richtung durch. Sie werden deshalb unter anderem zum Gleichrichten von Wechselspannungen und zur Abblockung unerwünschter Polarität bei Gleichspannung eingesetzt.

Die Funktion einer Gleichrichterdiode wie sie dem Lernpaket beiliegt kann man sich im Normalbetrieb am einfachsten wie ein Rückschlag-ventil (Wasserinstallation) vorstellen. Wenn Druck (Spannung) auf dieses Ventil (Diode) in Sperrrichtung erfolgt, wird der Stromfluss blockiert. In die Gegenrichtung (Pfeilrichtung) muss der Druck groß genug werden, um den Federdruck des Ventils (Sperrspannung) überwinden zu können. Danach öffnet sich das Ventil und der Strom kann fließen. Die Spannung, die in diesem mechanischen Modell zum Überwinden des Federdruckes notwendig ist, entspricht bei einer Diode der sogenannten Vorwärtsspannung. Dabei muss zunächst eine bestimmte Spannung in Flussrichtung der Diode anliegen, damit die Diode in den leitenden Zustand übergeht.

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Abb. 3: Schottky-Diode, Typ BAT 42; die Kathode der Diode ist an dem aufgedruckten schwarzen Ring zu erkennen, der andere Anschlussdraht ist die Anode.

Abb. 4: Schaltsymbol Diode; die technische Stromrichtung geht von der Anode (A) zur Kathode (K).

Der Stromfluss in Durchlassrichtung (Schaltsymbol Pfeil) beginnt bei der dem Lernpaket beiliegenden Schottky-Diode bei etwa 0,25 V.

1.4 Leuchtdioden Die LED (light emitting diode = Licht emittierende Diode) hat neben den Eigenschaften einer normalen Diode noch eine weitere: Sie leuchtet, wenn Spannung angelegt wird. Im Lernpaket finden Sie eine rote und eine grüne LED.

Leuchtdioden (LEDs) sollten immer mit einem Vorwiderstand betrieben werden. Dieser wird durch die Formel R = U / I berechnet (R = Wider-stand in Ohm, U = Spannung in Volt und I = Strom in Ampere). Beispiel: Eine normale LED (rot, orangefarben, grün, weiß) braucht, um hell zu leuchten, ca. 20 mA Betriebsstrom. Bei einer Spannung von 9 V geteilt durch 0,02 A (20 mA), erhalten Sie einen Widerstandswert von 450 Ohm.

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Bei diesem Beispiel ist auch ein Widerstand mit 1 kΩ geeignet. Dadurch leuchtet die LED sichtbar, verbraucht aber wenig Strom.

Im Gegensatz zur Glühlampe besitzt die LED keinen Glühfaden und hat aus diesem Grund eine lange Haltbarkeit und einen geringen Strom-verbrauch.

Abb. 5: Anschlussbelegung der Leuchtdioden: Die Anode (+) mit dem längeren Anschlussdraht (links im Bild) und der »Minus-anschluss«, die Kathode, zusätzlich durch eine Abflachung am Gehäuse markiert; b) das Schalt-symbol.

1.5 Transistor Transistoren sind aktive Bauelemente, die in elektronischen Anwendun-gen zum Schalten und Verstärken von Strom und Spannung eingesetzt werden. Die dem Lernpaket beigelegten bipolaren Transistoren haben die Typenbezeichnung BC 547. Es handelt sich dabei um einen Klein-leistungstransistor, der für eine maximale Betriebsspannung von 30 V und einen Strom von bis zu 200 mA geeignet ist. Die Grenzwerte werden bei den Experimenten im Lernpaket weit unterschritten.

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Abb. 6: Transistoranschlüsse: Emitter, Basis und Collector (Kollektor) sowie das Schaltsymbol.

Das Schaltsymbol des Transistors kann sowohl in einem Kreis als auch ohne Kreis dargestellt werden. Die Transistoren in den Schaltplänen des Lernpakets sind ohne Kreis dargestellt.

So funktioniert der Transistor: Ein kleiner, an der Basis-Emitter-Strecke angelegter Strom kann einen großen Strom auf der Kollektor-Emitter-Strecke steuern. D. h., fließt ein geringer Basisstrom (bei NPN-Transis-toren positiv, bei PNP negativ), leitet der Transistor den Strom vom Kollektor zum Emitter bzw. umgekehrt. Fließt über die Basis kein Strom oder ist der Basisanschluss auf negativem Potenzial (NPN) bzw. positivem Potenzial (PNP), sperrt der Transistor.

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1.6 Integrierter Schaltkreis/OP Integrierte Schaltkreise enthalten viele elektronische Bauteile, die auf kleinstem Raum zusammengefügt sind. Dem Lernpaket liegt der integrierte Schaltkreis mit der Bezeichnung NE 555 bei. Er enthält eine monolithisch integrierte Zeitgeberschaltung, die sich aufgrund ihrer Eigenschaften als Taktgeber, Oszillator und für Zeitschalter verwenden lässt.

Eigenschaften des NE555 • Betriebsspannung von 4,5 V bis 16 V • TTL-kompatibel • Ausgangsstrom bis max. 200 mA (bipolare Version) • Entladestrom (Discharge) bis max. 200 mA (bipolare Version) • Umgebungstemperatur nicht unter 0 °C • Frequenzbereich bis 500 kHz

Die dem Lernpaket beiliegende (bipolare) Version des NE 555 zieht beim Umschalten des Ausgangverstärkers einen hohen Impulsstrom aus der Spannungsquelle (Batterie). Deshalb sollten die Schaltungen immer mit einem Stützkondensator (Elko) mit relativ großer Kapazität betrieben werden (zwischen den IC-Anschlüssen 1 und 8).

Innenschaltung des NE555 Der NE555 besteht, wollte man ihn mit einzelnen Komponenten aufbauen, aus 23 Transistoren, 15 Widerständen und zwei Dioden. Abb. 7 zeigt die Anschlussbelegung der Pins, in Abb. 8 wird der innere Aufbau des IC gezeigt. An den Pins 1 und 8 wird die Versorgungsspannung angeschlossen; an Pin 1 = minus, an Pin 8 = plus (der Versorgungs-spannung). Erst durch die äußere Beschaltung kann der IC NE555 bestimmte Funktionen ausführen.

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Die Pin-Belegung des IC kann durch die Markierung/Kerbe am IC-Ge-häuse zugeordnet werden. In der praktischen Verwendung ist der IC beim Einstecken in das Experimentierbrett so auszurichten, dass die Markierung links liegt. Nehmen Sie beim ersten Einbau des IC die Beinchen zwischen Daumen und Zeigefinger und drücken Sie sie etwas zusammen, sodass sie sich leicht in das Steckbrett stecken lassen. Beim Ausbauen aus dem Steckbrett ist es hilfreich, den IC vorsichtig auszu-hebeln, indem man mit einem kleinen Schraubendreher zwischen Gehäuse und Steckbrett geht.

Abb. 7: NE 555 Markierung und Pin-Anschlüsse.

1) Masse/GND 2) Trigger 3) Ausgang (OUT) 4) Reset 5) Steuerspannung (CV) 6) Schaltschwelle (Treshold) 7) Entladung (Discharge) 8) Betriebsspannung/+VCC

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Abb. 8: a) Innere Beschaltung des IC; b) Pins zusammendrücken vor dem Einbauen; c) IC auf einfache Art wieder demontieren.

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Hinweis Der IC ist relativ unempfindlich bezüglich der äußeren Beschaltung – abgesehen von der Polarität der Stromversorgung. Es ist daher wichtig, dass die Stromversorgung richtig angeschlossen wird. Ein Verpolen der Plus- und Minusanschlüsse führt meist zur Zerstörung des Bauteils. Es ist mit besonderer Sorgfalt darauf zu achten, dass Pin 1 mit der Minuspolschiene des Steckbretts und Pin 8 mit dem Pluspol verbunden ist, bevor der Steckbrettaufbau mit der Batteriespannung verbunden wird.

1.7 Widerstände Ein Widerstand ist ein passives Bauelement in elektrischen und elektronischen Schaltungen. Seine Hauptaufgabe ist die Reduzierung des fließenden Stroms auf sinnvolle Werte (siehe auch das Kap. »Leucht-dioden«). Die bekannteste Bauform bei Widerständen ist der zylin-drische keramische Träger mit axialen Anschlussdrähten.

Die Widerstandswerte sind codiert und in Form von farbigen Ringen aufgedruckt. Im Lernpaket befinden sich Kohleschichtwiderstände mit folgenden in der Tabelle angegebenen Werten:

Anzahl Wider-

standswert

1. Ring

1. Ziffer

2. Ring

2. Ziffer

3. Ring

Multiplikator

4. Ring

Toleranz

1 100 Ω braun schwarz braun gold

2 1 kΩ braun schwarz rot gold

2 2,2 kΩ rot rot rot gold

2 10 kΩ braun schwarz orange gold

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Anzahl Wider-

standswert

1. Ring

1. Ziffer

2. Ring

2. Ziffer

3. Ring

Multiplikator

4. Ring

Toleranz

1 47 kΩ gelb violett orange gold

1 100 kΩ braun schwarz gelb gold

2 560 kΩ grün blau gelb gold

Abb. 9: a) Widerstand und b) Schaltsymbol.

1.8 Trimmpotenziometer Potenziometer (Trimmpoti) bezeichnet einen stufenlos veränderbaren Widerstand. Die Trimmpotis des Lernpakets haben einen Gesamtwert von 25K und 470K (oder auch 500K) und können mit einem Schrauben-dreher stufenlos auf den Widerstandswert eingestellt werden. Im Inneren besteht das Bauteil aus einer Widerstandsbahn und einem beweglichen Schleifkontakt, mit dem der Widerstandswert variabel verändert werden kann. Die Widerstandsbahn und der Schleifkontakt sind nur für kleine Ströme geeignet. Deshalb dürfen Verbraucher wie z. B. LEDs nicht direkt mit dem Trimmpoti geregelt werden, da dabei das Bauteil zerstört werden würde.

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Abb. 10: Trimmpoti und Schaltsymbol.

Abb. 11: Einstellen des Trimmpotis mit einem Schraubendreher.

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Um ein leichtes Einstecken des Trimmpotis in das Steckbrett zu er-reichen, wird empfohlen, die Anschluss-Pins der Trimmpotis vorsichtig mit der Flachzange um 45° zu verdrehen.

Abb. 12: a) Verdrehen der Anschluss-Pins des Trimmpotis und b) die Lage auf dem Steckbrett.

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1.9 Kondensator Ein Kondensator besteht aus zwei Metallflächen und einer Isolierschicht. Legt man eine elektrische Spannung an, bildet sich zwischen den Kondensatorplatten ein elektrisches Kraftfeld, in dem Energie gespeichert ist. Ein Kondensator mit großer Plattenfläche und kleinem Plattenabstand hat eine große Kapazität, speichert also je nach Spannung viel Ladung. Die Kapazität eines Kondensators wird in Farad (F) angegeben. Je nach Kapazität und Anwendungsbereich sind Kondensatoren unterschiedlich aufgebaut.

Der Wert des Keramikkondensators wird in drei Ziffern verschlüsselt aufgedruckt: Die ersten beiden Zahlen geben den Wert an, die dritte Zahl den Multiplikator.

Kondensatoren im Lernpaket

Anzahl Kondensatorwert Aufdruck

2 220 pF 221

2 1 nF 102

2 10 nF 103

1 100 nF 104

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Abb. 13: a) Keramischer Scheibenkondensator und b) Schaltsymbol.

1.10 Elektrolytkondensatoren (Elkos) Elektrolytkondensatoren haben im Vergleich zu normalen Konden-satoren eine hohe Kapazität. Wie der normale Kondensator haben auch sie zwei Platten, nur dass die zweite aus einem Elektrolyten besteht. Deshalb ist ein Elko polungsabhängig und die Anschlüsse sind mit einem Pluspol und einem Minuspol versehen. Wird das Bauteil über längere Zeit falsch herum angeschlossen, wird dadurch der Elektrolyt des Kondensators zerstört.

Die aufgedruckte maximale Spannungsangabe sollte nicht überschritten werden, andernfalls kann die Isolierschicht zerstört werden. Im Lern-paket befindet sich je ein radialer Elektrolytkondensator mit den Werten 100 µF und 1.000 µF.

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Hinweis µF (Mikrofarad): Die Einheit µ ist der millionste Teil der Grundein-heit Farad (F).

Abb. 14: a) Elektrolytkondensator (Elko) und b) Schaltsymbol; der Pluspol ist der längere Anschluss bei den Anschlussdrähten. Zusätzlich ist der Minuspol durch einen hellen Strich am Gehäuse gekennzeichnet.

Hinweis Der Einfachheit halber wird der Elektrolytkondensator von Fach-leuten mit dem Begriff Elko abgekürzt. Diese Abkürzung wird auch in der Anleitung verwendet.

1.11 Steckstifte Bei einigen Komponenten des Lernpakets wie z. B. dem Piezo-Schall-wandler sind die Anschlussleitungen (rot/schwarz) aus flexibler Litze. Die Drähte können durch die Steckstifte im Steckbrett besser fixiert

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werden. Stecken Sie dazu zuerst die blanken Drahtenden in die Kontakt-federn und danach zusätzlich die Steckstifte ein. Die Drahtenden werden dadurch fixiert. Beim Eindrücken der Steckstifte kann ein harter Gegenstand wie z. B. die flache Schraubendreherklinge hilfreich sein.

Abb. 15: a) Die Anschlussleitungen aus flexibler Litze werden mit einem Steckstift im Steckbrett gesichert. b) Zuhilfenahme eines Schraubendrehers, um den Steckstift einzudrücken.

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1.12 Piezo-Schallwandler Der Schallwandler dient als einfacher Hörer, Lautsprecher und als Mikro-fon oder Schwingungssensor. Das Prinzip: Ein flaches Keramikplättchen trägt auf beiden Seiten Metallelektroden. Elektrische Spannung auf diesen Elektroden verformt das Keramikplättchen. Diese Bewegung lässt die umgebende Luft mitschwingen, Schallwellen werden ausgesandt. Aller-dings kann der Piezo-Hörer nur als Notbehelf gelten. Wenn Sie tatsächlich hören wollen, was die Elektronik leistet, schließen Sie den Ausgang am besten an den Line-in-Eingang des PC oder an Ihre Hi-Fi-Anlage an.

Abb. 16: a) Piezo-Schallwandler und b) Schaltungssymbol.

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1.13 Lüsterklemmen Die Lüsterklemmen werden verwendet, um die Ultraschallsensoren ohne Löten mit dem Steckbrett zu verbinden.

Abb. 17: Lüsterklemme mit montiertem Ultraschallsensor.

1.14 Batterie-Clip Der Batterie-Clip dient zum Anschluss der 9-V-Blockbatterie an das Steckbrett. Die Anschlussleitungen (rot/schwarz) sind aus flexibler Litze. Die Litzenenden sind verzinnt, sodass sie problemlos in die Kontakte des Steckbretts eingesteckt werden können. Es wird empfohlen, den Minus-pol (schwarze Litze) in die untere Schiene des Steckbretts einzustecken.

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Abb. 18: a) Batterie-Clip und b) Anschluss am Steckbrett.

1.15 Schaltdraht Im Lernpaket finden Sie Schaltdraht. Er sollte an den Enden ca. 8 mm abisoliert werden und kann dann direkt in die Kontakte des Steckbrettes eingesteckt werden. Schräg mit dem Seitenschneider abgezwickte Anschlussdrähte erleichtern das Einstecken in die Steckbrettkontakte.

Vom Schaltdraht können Sie, je nach Bedarf, unterschiedliche Längen abschneiden und die Enden jeweils abisolieren. Mit diesen Drahtstücken können Sie die Kontaktschienen des Steckbretts untereinander ver-binden, z. B. um Anschlüsse elektronischer Komponenten zusammen-zuführen. Die einmal hergestellten Drahtbrücken können immer wieder verwendet werden.

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Abb. 19: Anwendungsmöglichkeit des Schaltdrahts.

1.16 Komponenten in der Übersicht

Bauteil Stück Typ Details

Ultraschall, Sender 1 40 kHz

Ultraschall,

Empfänger

1 40 kHz

Steckbrett 1 SYB-46

IC 1 NE 555

Transistor 3 BC 547

Widerstände 10 Kohle 1K, 2,2K, 10K, 47K, 100K,

560K

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Bauteil Stück Typ Details

Trimmpoti 2 470 kΩ, 25 kΩ

Kondensatoren 7 Keramik 220 pF, 1 nF, 10 nF, 100 nF

Elko 1 16 V 1.000 µF

Elko 1 16 V 100 µF

Batterie-Clip 1 9 V

Steckstifte 2

Lüsterklemmen 2 2-polig, 1,5 mm²

Schottky-Dioden 2 BAT 42

LED 2 5 mm rot, grün

Piezo-Schallwandler 1 Piezo

Draht 0,5 m 0,6 mm

2 Ultraschallanwendungen Bei den hier beschriebenen und dargestellten Experimenten mit Ultra-schall kann sich der Experimentator mit vielen spannenden Phänomenen der Schallwellen – vor allem im Ultraschallbereich – praktisch auseinan-dersetzen.

Bei den Experimenten ist es gut, sich bewusst zu sein, dass auch Schallwellen eine enorme Energie darstellen können, die nutzvoll, aber auch zerstörerisch eingesetzt werden kann. Bei Unkenntnis können Mensch und Tier und auch die Umwelt Schaden erleiden. Daher sind die in den Experimenten gemachten Erfahrungen und das Grundlagenwissen eine sinnvolle Voraussetzung für weitere prak-tische Umsetzungen von Ultraschallanwendungen.

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3 Anschluss und Funktion der Sensoren Verbinden Sie die Ultraschallsensoren elektrisch mit der einen Seite der Lüsterklemme, auf der anderen Seite wird die Verbindung mit den Kontakten des Steckbretts durch Drahtstücke in die Lüsterklemme hergestellt. Die Ultraschallsensoren sind so zu montieren, dass zwischen dem Gehäuse des Sensors und der Lüsterklemme ein Abstand von ein paar Millimetern ist. Das ist wichtig, weil bei direktem Gehäusekontakt des Ultraschallsensors zur Lüsterklemme Körperschall übertragen werden kann, der zu Fehlergebnissen bei den Experimenten führen kann.

Zusätzlich kann man zur weiteren Abdämpfung von Körperschallüber-tragung die Sensoren mit etwas Schaumstoff oder Gummi auf dem Steckbrett oder der Unterlage befestigen, sodass der Körperschall von Tisch und Steckbrett möglichst wenig auf die Sensoren übertragen wird. Die Sensoren können für die Experimente ab Kap. 9 auf dem Steckbrett in der angegebenen Art belassen bleiben.

Abb. 20: Ultraschallsensor über die Schraubklemme mit dem Steckbrett verbunden.

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Abb. 21: Unterstützung des Ultraschallsensors mit einer Schaumstoffunterlage.

Hinweis Die Experimentierreihen sind so aufgebaut, dass die Versuche jeweils einen Schritt weitergehen. Sie müssen daher nicht jedes Mal alle Teile wieder abbauen, sondern können auf dem vorhergehenden Versuch weiter aufbauen, indem Teile dazu gesteckt, weggenommen oder ausgetauscht werden.

4 Hörbarer und unhörbarer Schall Komponenten: Steckbrett, Batterie-Clip und Batterie, 2 Transistoren BC 547, 2 Kondensatoren C2 und C3 je 220 pF, 1 Kondensator 1 nF, 2 Wider-stände R1 und R2 je 10K, 2 Widerstände R3 und R4 je 560K, alternativ jeweils 100K, 1 Widerstand R5 mit 47K, Trimmpoti P1 470K, Piezo-Schall-wandler, Elko 100 µF, LED rot

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Abb. 22: Variabler Multivibrator; a) Schaltplan, b) Steckbrettaufbau und c) Detail des Steckbrettaufbaus.

Wir beginnen mit einer einfachen Möglichkeit der Schallerzeugung, zuerst im noch hörbaren Bereich, und tasten uns langsam immer weiter in den Ultraschallbereich vor, bis wir die Schallwellen nicht mehr direkt wahrnehmen können. In nachfolgender Tabelle sind die Bauteilewerte und die entsprechenden Frequenzen angegeben.

Schritte Wert C2 und C3 Wert R3 und R4 Frequenz in Hz, P1

1 220 pF (221) 560 kΩ 2.500–7.500

2 220 pF (221) 100 kΩ 8.500–25.000

Der in der letzten Spalte angegebene Frequenzbereich kann mit dem Trimmpoti P1 eingestellt werden.

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5 Schallphänomene Komponenten und Aufbau: wie zuvor.

Schallwellen unterscheiden sich in Ihren Eigenschaften wesentlich von den Eigenschaften der magnetischen Wellen (z. B. Radiowellen). Schall-wellen brauchen ein Medium, z. B. Gas, Luft oder eine Flüssigkeit, und breiten sich darin mit unterschiedlicher Geschwindigkeit aus, wohin-gegen magnetische Wellen sich auch im luftleeren Raum ausbreiten.

Wenn wir einen Ton erzeugen, z. B. indem wir auf eine Trommel schlagen, wird an der Stelle hinter dem Trommelfell das Medium Luft dichter zusammengedrückt (der Druck steigt). Danach breitet sich diese Schicht von hohem Luftdruck zu niederem Luftdruck hin aus, und zwar in alle Richtungen. Die Geschwindigkeit der Ausbreitung findet in der Luft mit 343 m/s (1.235 km/h) statt. Den Luftdruck einer Schallwelle kann man manchmal auch körperlich spüren – vor allem bei sehr lauten Geräuschen (hohem Schalldruck).

Experimente mit Piezo-Signalgeber und Schallkörpern Verwendet wird der Schaltungsaufbau mit dem Multivibrator aus dem vorherigen Kapitel (Schritt 4) in leicht abgewandeltem Aufbau. Dazu werden lediglich die Kondensatoren C2, C3 mit je 1 nF und C4 (anstatt 1 nF nun mit 10 nF) ausgetauscht. Damit schwingt der Multivibrator in einem tieferen Frequenzbereich von etwa 1.000–6.000 Hz, mit P1 einstellbar (je nach Batteriezustand).

Piezo-Schallwandler weisen eine Resonanzfrequenz auf, bei der am meisten Energie abgestrahlt wird, die durch die größte Lautstärke wahrgenommen werden kann. Die Frequenz ist umso tiefer, je größer der Piezo-Kristall und das Metallplättchen sind, auf das der Piezo-Kristall geklebt wurde. Ähnliche Erfahrungen kann man auch bei anderen

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schwingenden Gegenständen machen. Die langen Metallplättchen einer Mundharmonika erzeugen die tiefen Töne, die kurzen die hohen. Verkürzt man eine Geigen- oder Gitarrensaite, wird der schwingende Ton höher.

Versuchsaufbau

Wert C2 und C3 C4 Wert R3 und R4 Frequenz in Hz

1 nF (102) 10 nF (103) 560 kΩ 1.000–4.500

Dann drückt man den Piezo-Schallwandler auf den Boden eines leeren Joghurtbechers oder auf den Tisch und stellt gleichzeitig auf die Resonanzfrequenz des Piezo-Schallwandlers ein, indem die Tonhöhe verändert und die größte Lautstärke eingestellt wird. Die Resonanz-frequenz des Piezo-Bauteils ist fertigungstechnisch unterschiedlich, liegt aber bei etwa 1.500–4000 Hz.

Abb. 23: Schaltbild mit den geänderten Kondensatoren C2, C3 und C4 (mit Oval).

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Abb. 24: Piezo-Schall-wandler auf den Boden eines leeren Joghurtbechers drücken oder mit einem Klebestreifen befestigen.

Beobachtung Zunächst hört man nur einen leisen Ton. Wenn der Piezo-Wandler mit dem Boden des Joghurtbechers in direkten Kontakt kommt, wird das Signal erheblich verstärkt. Wird die Öffnung des Joghurtbechers in Richtung Ohren gedreht, wird der Ton noch lauter.

Erklärung Die schwingende Fläche eines Piezo-Schallwandlers ist recht klein, sodass nur ein schwaches Schallsignal abgestrahlt wird. Der Joghurt-becher wirkt wie der Resonanzkasten eines Musikinstruments. Die schwingende Fläche wird erheblich vergrößert, und damit wird auch die

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wahrzunehmende Lautstärke größer. Wird die Öffnung in Richtung der Ohren gedreht, verstärkt der »Schalltrichter« des konisch auseinander laufenden Joghurtbechers den Ton.

Schallwellen entstehen durch schwingungsfähige Teilchen des Mediums und der Kopplung zwischen den Teilchen. Schallwellen können sich in Gasen, Flüssigkeiten und festen Körpern bewegen. Je nach Medium, in dem sich der Schall bewegt, verändert sich die Schallgeschwindigkeit. So ist sie im Wasser viermal größer als in der Luft. Wellen in Luft, Gasen und Flüssigkeit nennt man Longitudinalwellen. Diese Wellenform bewegt sich in der ausgesendeten Richtung weiter (Fortschreitungs-richtung).

In Festkörpern nennt man Schallwellen Transversalwellen. Sie bewegen sich seitlich zur Fortschreitungsrichtung. Bei Flüssigkeiten bewegen sich die Transversalwellen nur an der Oberfläche, bei Longitudinalwellen nur darunter.

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls ist, je nach dem Medium, in dem sich der Schall bewegt, unterschiedlich. So breitet sich Schall im Wasser mit etwa 1.500 m/s wesentlich schneller als in der Luft (343 m/s) aus. Die Schallgeschwindigkeit im Wasser hängt auch von den Eigenschaften der Flüssigkeit ab, wie z. B. vom Salzgehalt, der Temperatur und dem atmosphärischen Druck. In großen Tiefen des Ozeans breiten sich Schallwellen besonders weit aus.

Im luftleeren Raum (Vakuum) ist keine Ausbreitung von Schallwellen möglich. Man könnte, würde man sich im Weltraum befinden, nur die absolute Stille wahrnehmen.

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Der Schall wird wissenschaftlich entsprechend seiner Frequenz gemes-sen. Im hörbaren Bereich haben tiefe Töne eine niedrigere Frequenz als die hohen Tone.

Schallfrequenzen werden in drei Kategorien unterteilt: 1. Der für den Menschen hörbare Schall liegt im Bereich von 16 Hz bis

20.000 Hz (maximales Hörvermögen des gesunden menschlichen Gehörs).

2. Der Infraschall befindet sich unterhalb der 16-Hz-Grenze und kann vom Menschen über den Körper in Form von Vibrationen wahrgenommen werden.

3. Der Ultraschall liegt über der 20.000-Hz-Grenze und wird vom Menschen nicht durch sein Gehör wahrgenommen. Diese Wellen können im menschlichen Organismus aber Auswirkungen haben.

In der Physik werden Schallschwingungen mit dem Begriff Frequenz definiert. Die Maßeinheit ist Hertz. Sie gibt die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde an: 1 Hertz beschreibt 1 Schwingung pro Sekunde. Die Einheit wurde zu Ehren des deutschen Physikers Heinrich Rudolf Hertz gewählt.

Je höhere Töne wir wahrnehmen, desto höher ist die Frequenz/die angegebene Hertz-Zahl. So hat z. B. der Grundton des tiefen »C« eine Frequenz von 66 Hz.

Spannende Eigenarten von Schallwellen Dass Schallwellen im Unterschied zu magnetischen Wellen ein Medium benötigen, wurde im vorhergehenden Kapitel bereits dargestellt. Interessant ist dabei auch das Verhalten beim Wechsel der Schallwellen von einem Medium wie z. B. Luft in ein anderes Medium wie z. B.

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Wasser. Hier ändert sich sowohl die Wellenlänge als auch die Aus-breitungsgeschwindigkeit. Wird die Geschwindigkeit beim Übergang größer, muss auch die Wellenlänge größer werden. Im Physikunterricht gibt es dazu den anschaulichen Versuch, bei dem eine Versuchsperson ein Gas wie z. B. Helium in den Stimmraum nimmt und danach ein paar Worte spricht. Die Person spricht dann für die Zuhörer mit einer hellen Stimme, die als »Mickymausstimme« bezeichnet wird. Der Grund: Beim Verlassen der Schallwellen des mit Gas gefüllten Stimmraums folgt ein Wechsel von Helium in Luft. Dadurch ändern sich die Wellenlängen und die Schallgeschwindigkeit. Die Wellenlänge wird beim Übergang in die Luft erhöht, und die Zuhörer haben die Wahrnehmung, dass die Versuchsperson mit einer höheren Frequenz spricht.

Experiment Man taucht den Piezo-Schallwandler (die auf dem Steckbrett aufgebaute Elektronik bleibt im Trockenen) bei eingestellter Resonanzfrequenz in einen Becher mit Wasser. Kurzes Eintauchen des Schallwandlers schadet diesem nicht, wenn er anschließend wieder getrocknet wird. Es ist darauf zu achten, dass sich das Gefäß und der Piezo-Schallwandler nicht direkt berühren (Körperschallübertragung)

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Abb. 25: Experiment der Schallausbreitung im Wasser.

Beobachtung Die Tonhöhe verändert sich zu einem tieferen Ton, den man auch außerhalb des Wassers klar und deutlich hören kann. Hört man erst mal nichts, sollte die Tonhöhe am Trimmpoti verändert werden.

Wasser leitet die Schallwellen und die Schallfrequenz verändert sich durch das andere Medium.

6 Mückenscheuche Komponenten: Steckbrett, Batterie-Clip und Batterie, 2 Transistoren BC 547, 2 Kondensatoren C2 und C3 je 220 pF, 1 Kondensator 1 nF, 2 Wider-stände R1 und R2 je 2,2K, 2 Widerstände R3 und R4 je 560K, Piezo-Schallwandler, Elko 100 µF, LED rot

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Mit dem im Schritt 4 und 5 erforschten Multivibrator ist es mit nur geringen Änderungen möglich, einen sogenannten Mückenvertreiber (Mückenscheuche) aufzubauen. These ist, dass die stechenden Mücken-weibchen Schallfrequenzen, die den Fluggeräuschen der Männchen entsprechen, meiden, weil sie nach der ersten Begattung vor ihnen auf der Flucht sind. Mit einer Schaltung, die eine Tonfrequenz der Flug-geräusche der männlichen Tiere von ca. 10–16 kHz aussendet, könnte man möglicherweise vor den weiblichen Stechmücken Ruhe haben. Das ist Grund genug zu untersuchen, ob die These stimmt, indem wir die Schaltung aufbauen. Für Menschen mit gutem Gehör ist der erzeugte Ton hörbar, wenn der Piezo-Schallerzeuger in die Nähe des Ohrs gehalten wird. Die Höhe der Frequenz ist auch abhängig von der Batteriespannung/vom Batteriezustand. Bei einer älteren schwächeren Batterie ist die Frequenz niedriger, bei einer neuen und vollen Batterie höher. Die rote LED zeigt an, ob die Schaltung funktioniert.

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Abb. 26: a) Steckbrettaufbau und b) Schaltplan des Mückenvertreibers mit einer Frequenz von ca. 13.000 Hz.

Abb. 27: Messaufbau: Ultraschall-Mücken-vertreiber, Multimeter mit Messbereich Hz.

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7 Ultraschallsender Mit dem integrierten Schaltkreis (IC) NE 555 ist es möglich, mit wenigen zusätzlichen Bauteilen einen leistungsfähigen Ultraschallsender zu bekommen, der für die nachfolgenden Experimente genutzt werden soll. Daher ist es sinnvoll, die Schaltung sorgfältig auf dem Steckbrett aufzubauen.

Praktischer Aufbau Komponenten: Steckbrett, Batterie-Clip 9 V, Ultraschallsensor-Sender, IC NE 555, Trimmpoti 25K, Widerstand 1K, Kondensator 1 nF, LED orange, Elko 100 µF. Beim Stecken des IC in das Steckbrett ist die richtige Positionierung der Anschlüsse von Bedeutung, gekennzeichnet durch die halbrunde Einbuchtung im Gehäuse. Die Pins können dann wie im Schaltbild dargestellt verdrahtet werden.

Abb. 28: Schaltplan Ultraschallsender im Bereich von 28–240 kHz; der im Schaltbild angedeutete Tastschalter kann als Drahtbrücke ausgebildet werden.

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Mit dem Trimmpoti P1 kann die Ultraschallfrequenz von ca. 28–240 kHz eingestellt werden. Damit man an den Timer-Eingängen keinen Kurz-schluss verursacht, wenn der Trimmpoti auf 0 Ω eingestellt ist, sollte man immer einen 1-kΩ-Widerstand (R1) in Reihe zum Poti einfügen.

Abb. 29: a) Aufbau auf dem Steckbrett; b) Detail des Aufbaus von der anderen Seite aus fotografiert.

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Steht ein Multimeter mit dem Messbereich »Hz« zur Verfügung, kann die abgegebene Frequenz eingestellt und parallel zum Ultraschallsensor-Sender gemessen und abgelesen werden.

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Abb. 30: a) Messaufbau, b) Anschlussplan; Messung der Frequenz mit einem Multimeter, Anschluss parallel zum Ultraschallsensor.

8 Resonanz und Resonanzfrequenz Der im vorherigen Experiment aufgebaute Ultraschallsender kann eine Ultraschallfrequenz von 28–240 kHz erzeugen und mit dem Sendersensor diese auch in die Umgebung abstrahlen. Gleichzeitig gibt es auch hier eine sog. Resonanzfrequenz, bei der der Sensor optimal arbeitet, d. h. die maximale (Energie) Ultraschallstärke abstrahlen kann. Diese Resonanzfrequenz gilt es zu ermitteln und einzustellen.

Für die Abstimmung der Resonanzfrequenz gibt es folgende Möglichkeiten:

A) Multimeter mit Messbereich mA, Gleichstrom in der Stromzuleitung der Batterie zum Ultraschallgenerator, hier ohne die LED.

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Abb. 31: Abgleich mit dem Multimeter; Messbereich Gleichstrom a) Messanordnung, b) Schaltplan.

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B) Mit der roten und der grünen LED in Reihe zur Batteriezuleitung als Stromflussanzeige; beim Einstellen der optimalen Resonanzfrequenz leuchten die LEDs am hellsten, da dann am meisten Strom durch die beiden LEDs fließt.

Abb. 32: Abgleich mit der roten und der grünen LED.

Hinweis Mit zwei Lernpaketen kann man gleichzeitig den Ultraschallsender und den Ultraschalldetektor aufbauen und damit die Experimente noch erweitern.

9 Ultraschalldetektor Mit einem Ultraschalldetektor besteht die Möglichkeit, das Vorhanden-sein von Ultraschallwellen anzuzeigen. Um auch schwächere Signale anzuzeigen, ist es erforderlich, die vom Sensor aufgefangenen Ultra-

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schallwellen elektronisch zu verstärken. Im nächsten Versuchsaufbau erhält man die Möglichkeit, praktische Forschungen durchzuführen.

Komponenten: Steckbrett, 9-V-Clip, Batterie, Ultraschallsensor-Empfänger (US1), 3 Transistoren BC 247, 1 Widerstand 47K, 1 Widerstand 2,2K, 2 Widerstände 560K, 1 Widerstand 10K, 1 Widerstand 100K, 1 Widerstand 1K, 1 Trimmpoti 470K, 2 Schottky-Dioden BAT 42, 2 Kondensatoren 10 nF (parallel), 1 Kondensator 220 pF, 1 Elko 1.000 µF, 1 LED rot, 1 LED grün

Diese Schaltung dient als Grundschaltung für mehrere nachfolgende Experimente und sollte daher sorgfältig aufgebaut werden. In den nachfolgenden Experimenten wird dieser Aufbau durch Austauschen und Hinzufügen einzelner Komponenten verändert und erweitert.

Schaltungsbeschreibung Die Grundschaltung besteht aus einem Ultraschallempfänger mit dem Sensor US1 und einem empfindlichen zweistufigen Transistorverstärker mit den oben aufgeführten Komponenten. Die vom Sensor US1 auf-genommenen Signale (bevorzugt) in der Resonanzfrequenz des Ultraschallsensors werden durch den zweistufigen Transistorverstärker verstärkt. Dieses Wechselstromsignal gelangt über den Spannungs-verdoppler, bestehend aus C3, C4 und D4, D5 zum Transistor T3, der dann die Leuchtdiode durchschaltet. Die Schaltempfindlichkeit des dritten Transistors kann mit dem Trimmer (P2) eingestellt werden.

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Abb. 33: Schaltplan empfindlicher Ultraschalldetektor.

Abb. 34: Aufbau auf dem Steckbrett.

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Abb. 35: Aufbaudetail von der anderen Seite aus fotografiert, C2 besteht aus 2 x 10 nF parallel gesteckt.

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Abb. 36: Aufbaudetail zu C2 und Bauteile um den Transistor T2.

Der empfindliche Ultraschalldetektor kann durch unterschiedliche Ultraschallquellen getestet werden, so z. B. durch das Schütteln eines Schlüsselbunds, ein vorhandenes Ultraschallgerät oder auch mithilfe des PC. Ultraschallsignale vom Computer können mit einfacher Open-Source-Software generiert und genutzt werden. Des Weiteren gibt es Online-Tongeneratoren, und es werden zahlreiche »Hörtests« online angeboten, die von der Frequenz weit in den Ultraschallbereich gehen. Das alles sind Möglichkeiten um den Ultraschalldetektor zu testen, wenn gerade keine Fledermäuse in der Nähe sind.

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Steht ein zweites Ultraschall-Lernpaket zur Verfügung, besteht die Möglichkeit, den Ultraschallsender als Ultraschallquelle zu benutzen und damit zusätzliche umfangreiche Experimente durchzuführen.

Abb. 37: Test des empfindlichen Ultraschalldetektors mit dem Computer. Es eignet sich z. B. Anti-Moskito-Software oder man verwendet Programme für Tongeneratoren, die als Shareware (oder mit Lizenz) online aus dem Internet bezogen werden können.

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Der elektronische Ultraschalldetektor ist so empfindlich, dass auch mit größeren Entfernungen zur Ultraschallquelle experimentiert werden kann. Sinnvoll ist es jedoch, zunächst mit einem geringen Abstand zu beginnen.

Hinweis Für den Fall, dass Ihr Versuchsaufbau nicht so gute Werte zeigt, lohnt es sich, den Schaltungsaufbau noch einmal zu überprüfen. Wie viele Bauteile sind im Schaltplan angegeben und wie viele Komponenten befinden sich auf dem Steckbrett? Am sinnvollsten ist es, die einzelnen Komponenten nach Sorten zu prüfen: Widerstände, Kondensatoren, Transistoren, Dioden usw. Der Kondensator C2 ist im Schaltplan mit 20 nF angegeben. Hierfür werden zwei Kondensatoren mit je 10 nF verwendet, die in denselben Kontakt gesteckt werden. Sind die Dioden richtig herum eingesetzt? Hier lohnt sich eine gute und sorgfältige Arbeit, denn die weiteren Schaltungen (wie z. B. die Echoortung) bauen auf dieser Grundschaltung auf.

10 Grundschaltung für Echoortung Die Echoortung ist ein Prinzip, das in erster Linie durch das Beobachten und Studieren der Fledermäuse erforscht und für verschiedene Anwendungen technisch nachgebildet wurde. Wie beim Echolot (Schifffahrt), werden auch hier Ultraschallwellen ausgesendet und die vom Hindernis reflektierten Wellen ausgewertet. Aus der Reflexionszeit und dem Reflexionswinkel kann dann die Entfernung, die Größe des Hindernisses, die Bewegungsart usw. bestimmt werden. Die Bestimmung der Richtung, aus der die Echos eintreffen, kann z. B. durch mehrere Empfangssensoren, aber auch durch bewegliche Sensoren erfolgen.

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Die in diesem Kapitel aufgebaute Elektronikschaltung zur Echoortung wird in abgewandeltem Aufbau für mehrere nachfolgende Experimente genutzt. Die Funktion der Schaltung arbeitet im Prinzip wie eine Audio-Verstärkeranlage, bei der ein Lautsprecher durch das in die Nähe gebrachte Mikrofon in wilde Schwingungen gerät (ein Rückkopplungs-pfeifen von sich gibt), die wiederum von dem Mikrofon aufgenommen, durch den Verstärker verstärkt und vom Lautsprecher wieder abgegeben werden. Im Unterschied zu dem dargestellten Bild von Verstärkeranlage mit Mikrofon und Lautsprecher werden für das Mikrofon und für den Lautsprecher bei diesem Aufbau die speziellen Ultraschallsensoren des Lernpakets verwendet.

Komponenten: Steckbrett, 9-V-Clip, Batterie, Ultraschallsensor Empfänger (US1), Ultraschallsensor Sender (US2), 3 Transistoren BC 247, 1 Wider-stand 47K, 1 Widerstand 2,2K, 2 Widerstände 560K, 1 Widerstand 1K, 1 Widerstand 10K, 1 Widerstand 100K, 1 Trimmpoti 25K, 1 Trimmpoti 470K, 2 Schottky-Dioden BAT 42, 2 Kondensatoren 10 nF, 1 Kondensator 220 pF, 1 Elko 100 µF, 1 LED rot, 1 LED grün

Schaltungsfunktion Die Schaltungseinheit besteht aus einem Ultraschallempfänger mit dem Sensor US1 und einem empfindlichen zweistufigen Transistorverstärker mit den oben aufgeführten Komponenten. Die vom Sensor US1 aufgenom-menen Signale, (bevorzugt) in der Resonanzfrequenz des Ultraschall-sensors, werden auch hier wieder durch den zweistufigen Transistorver-stärker verstärkt. Dann gelangen sie aber auf den Sensor US2, der die empfangenen und verstärkten Ultraschallwellen wieder abstrahlt.

Wenn sich nun beide Sensoren gegenüber befinden oder ein Gegenstand die ausgestrahlten Ultraschallwellen zum Empfängersensor US1 reflek-tiert, findet eine Rückkopplung mit einem Wechselstromsignal statt.

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Dieses Signal gelangt über den Spannungsverdoppler, bestehend aus C3, C4 und D4, D5, zum Transistor T3, der bei Rückkopplung die rote Leuchtdiode durchschaltet. Mit dem Trimmer P2 kann die Einschalt-schwelle der LED eingestellt werden, mit P1 (25K) die Empfindlichkeit der Schaltung/des Ultraschall-Aufnahmesensors.

Abb. 38: Schaltplan der Grundschaltung.

Abb. 39: Experimentieraufbau mit den beiden Ultraschallsensoren; unten der Empfänger-, oben der Sendersensor.

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Der Steckbrettaufbau verlangt wieder viel Sorgfalt, da die Teile sehr dicht zueinander gesteckt werden. An ein paar Stellen des Steckbretts wird es erforderlich, zwei dünne Drähte von Bauteilen gemeinsam in einen Steckkontakt zu schieben. Das stellt kein Problem dar und verbessert sogar den Kontakt der dünnen Anschlussdrähte der Bauteile im Steckbrett.

Abb. 40: Steckbrettaufbau-Details; je zwei Anschlussdrähte (C2) in einem Steckkontakt des Steckbretts (siehe Pfeil).

Des Weiteren ist es wichtig, die beiden Ultraschallsensoren am linken Rand des Steckbretts entsprechend der Abbildung auszurichten, sodass

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sie parallel in die gleiche Richtung zeigen und ihr Gehäuse das Steckbrett möglichst nicht direkt berührt.

Abb. 41: Lage der Ultraschallsensoren.

11 Echoortung mit optischer Anzeige Nach dem Aufbau der Schaltung auf dem Steckbrett und dem Anschluss der 9-V-Batterie an den Batterie-Clip sollte die grüne LED leuchten. Nun ist die elektronische Schaltung erst mal abzugleichen.

Ausrichtung der Sensoren Beide Ultraschallsensoren sollten so ausgerichtet werden, dass sich im unmittelbaren Abstrahlbereich (2–3 m) keine Gegenstände/Reflexionsflächen befinden.

Abgleich der Schaltung Drehen Sie den Trimmpoti P1 (links im Bild) bis zum rechten Anschlag. Stellen Sie P2 (rechts im Bild) so ein, dass die rote LED aufleuchtet, und drehen Sie dann ein Stück zurück, sodass die rote LED gerade wieder

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erlischt (wenn der Einstellbereich von P2 nicht ausreicht, evtl. P1 etwas nach links drehen).

Nun kann die Empfindlichkeit der Schaltung mit P1 eingestellt werden, indem ein Gegenstand z. B. im Abstand von 50 cm vor die Ultraschallsensoren gestellt und P1 so lange verdreht wird, bis die LED leuchtet. Dann nehmen Sie den Gegenstand weg – die LED sollte nun wieder ausgehen.

Abb. 42: Experimentieranordnung beim Abgleichen; Einstellung der Trimmpotis P1 (25K) links im Bild bei den Ultraschallsensoren und P2 (470K) rechts im Bild.

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12 Reflexion von Ultraschallwellen Interessant sind Experimente mit dem Reflexionsverhalten der Schall-wellen. Treffen gerade, gerichtete Schallwellen auf eine Wand, kann man eine Reflexion wahrnehmen. Dabei ist der Einfallwinkel – wie bei Lichtstrahlen, die auf einen Spiegel treffen – gleich dem Ausfallwinkel. Dieses Phänomen kann mit Schall, und besonders gut mit Ultraschall, erforscht werden.

Abb. 43: Ultraschallwellen treffen auf eine Wand und werden, ähnlich wie ein Lichtstrahl, entsprechend dem Einfallwinkel reflektiert – hier sinnbildlich mit einer Taschenlampe und einem Spiegel dargestellt.

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Experimentieraufbau Steckbrett mit Grundschaltung wie gehabt, zusätzliche Ausstattung der Ultraschallsensoren mit zwei Richtungsrohren bestehend aus Glanz-karton (Fotopapier) mit den Abmessungen entsprechend der Abbildung. Daraus werden, wie in der Abbildung gezeigt, Papierhülsen gebildet. Die angegebenen Maße sind auf ein Fotopapier (altes Foto oder Ähnliches) zu übertragen, dann die Hülsen auszuschneiden und mit Klebstoff zusammenzufügen.

Abb. 44: Abmessungen der Papierhülsen.

Der Klebevorgang mit flüssigem Kleber gelingt besonders gut, wenn zuerst auf einer Seite der zu klebenden Fläche Kleber aufgetragen wird. Die darauf zu klebende Fläche wird auf die erste gelegt, etwas hin- und hergeschoben und sofort wieder entfernt. Dann lässt man den Klebstoff auf beiden Klebeflächen etwas antrocknen und drückt danach beide Flächen wieder fest zusammen, sodass sie miteinander verkleben. Achten Sie darauf, dass kein Kleber in den Sensor gelangt!

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Abb. 45: Richtungsrohre a) ausgeschnitten und gerundet, b) um einen Stift wickeln und zusammenkleben.

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Das Richtungsrohr sollte so dicht am Ultraschallsensor anliegen, dass der Ultraschall nicht »hinten« durch eine Undichtigkeit herauskommen oder hineindringen kann.

Nachdem die Richtungsrohre auf die Sensoren aufgesteckt wurden, kann man mit der Anordnung, bestehend aus Sender und Empfänger, verschiedene Experimente durch führen. Ähnlich wie mit einem Spiegel beim Licht werden auch Ultraschallwellen am besten an glatten Oberflächen reflektiert. Die Experimente zur Reflexion können mit Flächen wie Fensterglas, einer Wasseroberfläche, poliertem Stein usw. durchgeführt werden.

Bei den Experimenten ist es sinnvoll, zuerst die Empfindlichkeit bei einem definierten Abstand und einem Reflexionsmedium einzustellen und dann nacheinander den Schaltungsaufbau vor verschiedenen reflektierenden Objekten/Flächen zu positionieren.

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Abb. 46: Richtungshülsen montiert mit der Grundschaltung und Experimente mit unterschiedlichen Reflexionsmedien, hier als Beispiel Wellpappe und eine CD.

Hinweis Für die weiteren Experimente bietet es sich an, die Batterie mit Klebeband hinten am Steckbrett zu befestigen, damit man die Hände frei hat, um die Experimente durchzuführen.

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Abb. 47: Batterie mit Klebeband hinten am Steckbrett befestigen.

13 Absorption von Ultraschallwellen Schallabsorption erfolgt durch raue Oberflächen und zerklüftete Wandstrukturen. Schallschutzwände nutzen den Effekt der Schallabsorption aus, um z. B. Straßenlärm fernzuhalten.

Prinzip der Schalldämpfung Bei der Schalldämpfung erfolgt in der Hauptsache eine Umwandlung von Schallenergie durch Reibung in Wärme. Das schallabsorbierende Material wird in Bewegung versetzt. Luftschalldämpfung erzielt man mittels poröser oder faseriger Dämmmaterialien mit hohem Absorp-tionsgrad wie z. B. Stoff (Teppiche), Schafwolle, Mineral- oder Polyesterwolle und offenporigen Schaumstoffen.

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Experimente zur Schallabsorption können mit dem Steckbrettaufbau des vorhergehenden Kapitels durchgeführt werden. Der Experimentierablauf sollte so durchgeführt werden: Zuerst die Empfindlichkeit bei einem definierten Abstand und einem guten Reflexionsmedium (z. B. Glas-scheibe) einstellen und dann den Schaltungsaufbau nacheinander vor verschiedenen absorbierenden Flächen positionieren (z. B. raues Papier, Stoff, Teppich, Schaumstoff, ein zerklüfteter Stein, raues Holz usw.). Welche Materialen reflektieren und welche absorbieren den Schall?

Abb. 48: Experiment mit absorbierenden Materialien wie z. B. mit einem Stück Stoff.

14 Abstandswarnung Ein ausreichender Abstand, vor allem im Straßenverkehr, kann vor Schaden bewahren – sei es der ausreichende Abstand zu einem spielenden Kind, zu einem vorausfahrenden Fahrzeug oder, beim Rückwärtsfahren, zu einem Poller.

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Aus diesem Grund werden inzwischen in vielen Pkws standardmäßig messende Sensoren eingebaut, die den Fahrer darüber informieren, welcher Abstand zwischen dem Fahrzeug und umgebenden Objekten besteht. In der einfachsten Ausführung kann dies ein akustisches Warnsignal beim Unterschreiten des vorher festgelegten Abstands sein, komfortabler sind entsprechende Anzeigen zur Entfernungsmessung.

Einfache und preiswerte Einparksysteme arbeiten mit zwei oder vier Ultra-schallsensoren. Beim Einparken werden Hindernisse über die Ultraschall-sensoren erfasst, und die Informationen über die Distanz zum Hindernis werden dem Fahrer mit akustischen oder optischen Signalen angezeigt. So ändert sich z. B. der Ton des Signalgebers im Verhältnis zur Entfernung zum Hindernis, und im Gefahrenbereich ertönt dann ein Dauerton. Das System kann sinnvollerweise so angeschlossen werden, dass es auto-matisch durch das Einlegen des Rückwärtsgangs aktiviert wird.

Abb. 49: Abstandswarnung beim Einparken.

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15 Abstandswarnung mit optischer Anzeige Mit der Grundschaltung aus Kapitel 10 kann man eine solche Abstands-anzeige konkret erforschen. Dazu können wir auf dem Experimentier-tisch einige Gegenstände wie z. B. eine Teetasse, eine kleine Schachtel und ein Buch aufstellen und mit dem Steckbrett zusammen mit der Elektronik und den Ultraschallsensoren auf dem Tisch »umherfahren«. Besonderen Spaß macht das mit einem kleinen Modellauto. Die Batterie ist auf die Rückseite des Steckbretts befestigt und kann bei diesem Experiment auch als Gleitkörper dienen (als Ersatz für die Räder, wenn kein Modellauto vorhanden ist).

Bevor man mit dem »Umherfahren« beginnt, ist zuerst der Abstand einzustellen, bei dem die Warnung angezeigt wird. Das Steckbrett wird dazu z. B. im Abstand von 15 cm zu einem Buch positioniert. Dann ist die Schaltung mit P1 so einzustellen (nach links drehen), dass die rote LED gerade erlischt. Wenn man nun mit den Sensoren näher an das Objekt »fährt« muss die LED aufleuchten und damit vor zu geringem Abstand warnen.

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Abb. 50: Anzeige mit LED; a) Grundschaltung auf dem Steckbrett, b) praktisches Experiment mit einem Modell-Lkw und Papierrollen.

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Weitere praktische Experimente Entscheidend bei dieser Anzeige ist die Frage nach der Auflösung, d. h., welche Objekte können noch erfasst werden. Ist es möglich, dass ein dicker Filzstift, ein dünner Bleistift, ein Nagel oder der Schaft eines Schraubendrehers von den Sensoren noch erkannt wird?

Abb. 51: Experimente mit unterschiedlichen Objekten wie z. B. dem dünnen Schaft eines Schraubendrehers.

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16 Ultraschallalarm Im Vergleich zu einer optischen Alarmanlage (aufgebaut durch eine Lichtschranke), bietet eine Ultraschallalarmanlage mehrere zusätzliche Vorteile. Hier können z. B. der Sender und der auswertende Empfänger an der gleichen Position ohne einen zusätzlichen Spiegel angeordnet sein. Bewegen sich Objekte (Menschen und Tiere) in dem durch Ultra-schall »beschallten« Bereich, verändert sich das beim Empfänger ein-treffende Signal. Dieses Signal kann nun entweder mit einer einfachen Warnanzeige – z. B. einer LED – verknüpft sein, oder dahin gehend ausgewertet werden, dass man die Art, die Ausmaße, die Geschwindig-keit usw. des Objekts technisch erkennen kann. So könnte eine spezielle, mit Ultraschallsensoren ausgestattete Elektronik anzeigen, ob das wahrgenommene Objekt ein harmloses Tier oder ein menschlicher Einbrecher ist.

Abb. 52: Prinzip einer Ultraschall-Alarmanlage mit dem »Schallteppich«.

Ultraschallalarmanlagen werden vor allem zur Sicherung des Innen-raums von Autos verwendet. Damit soll verhindert werden, dass

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Einbrecher ungestört in ein Fahrzeug eindringen und darin befindliche Gegenstände entwenden. Der Alarmausgang kann dann z. B. die Kfz-Hupe, eine Sirene und auch ein Alarmsignal per SMS an das Mobiltelefon ansteuern. Die prinzipielle Funktion kann mit dem Schaltungsaufbau aus Abb. 38 praktisch nachvollzogen werden.

Die Grundschaltung wird zu diesem Experiment im Raum aufgestellt. Die Sensoren sollen so angeordnet sein, dass die Öffnungen parallel in die gleiche Richtung gehen und in eine Richtung zeigen, in der im Abstand von ca. 3 m keine Objekte im Raum sind.

Danach ist mit P1 die Einstellung so vorzunehmen, dass die rote LED gerade erlischt (zuerst ganz nach rechts und dann ein kleines Stück nach links drehen. Nun kann man sich in verschiedenen Abständen zu den Sensoren im Raum bewegen und die rote LED beobachten. Beson-ders wirkungsvoll kann das Experiment bei Dunkelheit durchgeführt werden. Dann kann man auch gut erkennen, wenn die rote LED ein »Alarmsignal« anzeigt.

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Abb. 53: Alarmfunktion mit den Ultraschallsensoren.

17 Ultraschallkonverter Will man als Mensch Ultraschalltöne hören, geht das nur, wenn der Ultra-schall durch entsprechende Technik umgewandelt und hörbar gemacht wird. Es gibt unterschiedliche Möglichkeiten die außerhalb unseres Hör-bereichs befindlichen Ultraschallwellen hörbar zu machen. Man braucht dazu einen Ultraschallkonverter mit einem speziellen ultraschallempfind-lichen Mikrofon. Technisch gibt es für die Realisierung unterschiedliche Verfahren. Ein technisch relativ einfaches arbeitet mit der Überlagerungs-technik und funktioniert nach folgendem Prinzip: Ein Ton von einer be-stimmten Frequenz wird von einer Elektronik erzeugt und dem ein-gehenden Mikrofonsignal überlagert (dazugemischt). Daraus entstehen zwei neue Töne, nämlich die Addition und die Subtraktion von Mikrofon-signal und Mischfrequenz.

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Nehmen wir an, ein Ultraschallsignal von 40 kHz soll »hörbar« gemacht werden. In einer Mischstufe werden 37 kHz vom Eingangssignal 40 kHz abgezogen, sodass ein Ton von 3 kHz am Ausgang übrig bleibt. Diese Frequenz kann vom menschlichen Ohr problemlos wahrgenommen werden. Bei einem Eingangssignal von 45 kHz abzüglich 37 kHz bleiben dann 8 kHz übrig. Gleichzeitig entstehen auch Frequenzen von 77 kHz und 82 kHz die nicht gehört werden können und deshalb nicht weiter verwendet werden.

Abb. 54: Prinzipdarstellung (Blockschaltbild) des einfachen Ultraschallkonverters mit Mischer.

Weitere Möglichkeiten sind die Count-down-Methode (Frequenzteilungsverfahren), bei der pro 10 aufgenommenen Wellenschwingungen, nur eine ausgegeben wird (aus 80 kHz werden also 8 kHz gemacht). Es gibt auch digitale Verfahrensweisen, bei denen der aufgenommene Ultraschallton im PC digital bearbeitet und über die Soundkarte wiedergegeben werden kann.

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18 Prinzip Fledermausempfänger Mit den Komponenten des Lernpakets kann ein einfacher Ultraschall-konverter entsprechend dem Überlagerungsprinzip aufgebaut und es können damit Experimente durchgeführt werden.

Komponenten: Steckbrett, 9-V-Clip, Batterie, Ultraschallsensor Empfänger (US1) 1 Transistor BC 247, 1 Widerstand 47K, 1 Widerstand 2,2K, 1 Widerstand 1K, 1 Widerstand 10K, 1 Poti 25K, 2 Kondensatoren 1 nF, 1 Kondensator 10 nF 1 Kondensator 220 pF, 1 Elko 100 µF, 1 LED rot

Es wird ein Ultraschallkonverter mit dem NE 555 als Mischer aufgebaut. Die Schaltung wurde ursprünglich von Burkhard Kainka entwickelt und eignet sich bei einem einfachen Aufbau gut für erste Experimente zur Konvertierung der Ultraschallwellen in den hörbaren Bereich. Die Schaltung setzt einen Ultraschallbereich von etwa 37 bis 49 kHz in einen hörbaren Bereich von 100 Hz bis 12.000 Hz um. Die umsetzbare Frequenz wird mit dem Trimmpoti P1 eingestellt. Der einstufige Transis-torvorverstärker lässt den Konverter noch nicht sehr empfindlich wahr-nehmen. Deshalb wird im nächsten Kapitel ein zweistufiger Vorver-stärker aufgebaut, mit dem der Ultraschallkonverter »große Ohren« bekommt.

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Abb. 55: Ultraschallkonverter (Mischer) mit einstufigem Vorverstärker; Schaltbild.

Nach dem Aufbau der vorgestellten Konverterschaltung ist noch ein Endverstärker erforderlich. Mehr dazu im nächsten Kapitel.

19 Empfindlicher Fledermausempfänger Die im vorhergehenden Kapitel aufgebaute Mischerschaltung wird mit einer weiteren Vorverstärkerstufe so empfindlich, dass man auf die Entdeckungsreise gehen kann.

Komponenten: Steckbrett, 9-V-Clip, Batterie, Ultraschallsensor Empfänger (US1) 2 Transistoren BC 247, 1 Widerstand 47K, 2 Wider-stände 2,2K, 1 Widerstand 560K, 1 Widerstand 1K, 1 Widerstand 10K, 1 Poti 25K, 2 Kondensatoren 1 nF, 2 Kondensatoren 10 nF 1 Kondensator 220 pF, 1 Elko 100 µF, 1 LED rot

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Abb. 56: Ultraschallkonverter (Mischer) mit Vorverstärker; a) Schaltbild, b) Aufbau auf dem Steckbrett, c) Aufbaudetail.

Nach dem Aufbau der vorgestellten Konverterschaltung ist noch ein guter Endverstärker erforderlich. Dafür können z. B. Aktivboxen von einem MP3-Player, Computer usw. verwendet werden. Hierzu wird der Klinkenstecker der Aktivboxen mit dem Ausgang des Ultraschall-konverters verbunden (siehe Abb. 57).

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Abb. 57: a) Konverter in Verbindung mit Computer-Aktivboxen, b) Anschluss an den Klinkenstecker mit Krokoklemmen.

Die Verbindung zum Klinkenstecker kann auch mit dem beiliegenden Draht hergestellt werden (siehe auch die folgenden Abbildungen).

20 Die Ultraschallwelt tut sich auf Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Computer, ein Net- oder ein Notebook als Verstärker zu verwenden. Der Vorteil: Damit können die umgewandelten Ultraschallsignale auch aufgezeichnet und wieder-gegeben werden. Der Stecker wird dann in den Line-in-Eingang des Computers (Steckbuchse am Computer mit Mikrofonsymbol), für die Konverterexperimente gesteckt.

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Abb. 58: a) Anschluss des Ultraschallkonverters an ein Netbook, b) Detail des Aufbaus und Verbindung zum Klinkenstecker.

Vorgehensweise mit dem Betriebssystem Windows 7 1. Systemsteuerung aufrufen, dort Hardware und Sound anklicken 2. Dann Sound, Audiogeräte verwalten anklicken 3. Registerkarte Aufnahme anklicken 4. Microphone auswählen, Eigenschaften anklicken 5. Registerkarte Abhören auswählen 6. Das Kästchen: Dieses Gerät als Wiedergabe wählen durch Haken

aktivieren, Vorgang mit OK abschließen

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In der Registerkarte Pegel und Mikrofonverstärkung kann man dann noch die Eingangsempfindlichkeit einstellen.

Abb. 59: Registerkarte Sound und Eigenschaften von Microphone.

In der Registerkarte Verbesserungen und Erweitert können noch weitere spezifische Eigenschaften eingestellt werden, um die Soundqualität zu verändern. Die Ausgangslautstärke kann man meist mithilfe der Tastatur (Funktion) und mit den Tasten Lautsprecher lauter oder leiser regeln.

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Abb. 60: a) Registerkarte Eigenschaften von Microphone, Haken setzen zum Mithören. b) Mikrofonverstärkung einstellen.

Sinnvoll ist es, für die Erforschung der Ultraschallgeräusche einen Köpf-hörer zu verwenden, wenn man den Ultraschallkonverter angeschlossen hat.

Um die Ultraschallgeräusche mit dem Computer aufzunehmen, empfiehlt es sich, ein einfaches Freeware-Programm aus dem Internet herunterzuladen und zu verwenden.

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Ist die elektronische Schaltung des Ultraschallkonverters aufgebaut und mit einem Verstärker verbunden, kann man auf Entdeckungsreise in die Welt des Ultraschalls eintauchen. Für einen ersten Test kann man z. B. mit einem Schlüsselbund Ultraschallgeräusche erzeugen. Es tut sich ein weites Feld neuer und bisher verborgener Wahrnehmungsmöglichkeiten auf. Wenn man entdeckt, wo sich noch überall weitere Schallquellen befinden, kann man jetzt auch Tiere verstehen, die unruhig werden, wenn man z. B. mit dem Fahrrad an ihnen vorbeifährt. Denn Ultra-schallquellen sind z. B. ungeölte Fahrradketten, Schrauben, perlende Kohlensäure, Blätterrauschen im Wald, Fledermäuse, Nagetiere wie z. B. Ratten. Es gibt viele weitere schwer identifizierbare Geräusche von technischen Geräten wie z. B. undichten Luftdruckleitungen, Lecks in Reifen und bei Gasanlagen, Ultraschallmessgeräte, Reinigungsbäder, Ultraschallalarmanlagen, Geräte für die Schädlingsbekämpfung usw.

Eine neue Welt der Ultraschallklänge tut sich auf und möchte entdeckt werden. Conrad Electronic wünscht Ihnen viel Freude dabei!

Impressum © 2012 Franzis Verlag GmbH, 85540 Haar www.elo-web.de Autor: Ulrich E. Stempel

ISBN 978-3-645-10108-0

Produziert im Auftrag der Firma Conrad Electronic SE, Klaus-Conrad-Str. 1, 92240 Hirschau Alle Rechte vorbehalten, auch die der fotomechanischen Wiedergabe und der Speicherung in elektronischen Medien. Das Erstellen und Verbreiten von Kopien auf Papier, auf Datenträger oder im Internet, insbesondere als PDF, ist nur mit ausdrücklicher Genehmigung des Verlags gestattet und wird widrigenfalls strafrechtlich verfolgt. Die meisten Produktbezeichnungen von Hard- und Software sowie Firmennamen und Firmenlogos, die in diesem Werk genannt werden, sind in der Regel gleichzeitig auch eingetragene Warenzeichen und sollten als solche betrachtet werden. Der Verlag folgt bei den Produktbezeichnungen im Wesentlichen den Schreibweisen der Hersteller. Alle in diesem Buch vorgestellten Schaltungen und Programme wurden mit der größtmöglichen Sorgfalt entwickelt, geprüft und getestet. Trotzdem können Fehler im Buch und in der Software nicht vollständig ausgeschlossen werden. Verlag und Autor haften in Fällen des Vorsatzes oder der groben Fahrlässigkeit nach den gesetzlichen Bestimmungen. Im Übrigen haften Verlag und Autor nur nach dem Produkthaftungsgesetz wegen der Verletzung des Lebens, des Körpers oder der Gesundheit oder wegen der schuldhaften Verletzung wesentlicher Vertragspflichten. Der Schadensersatzanspruch für die Verletzung wesentlicher Vertragspflichten ist auf den vertragstypischen, vorhersehbaren Schaden begrenzt, soweit nicht ein Fall der zwingenden Haftung nach dem Produkthaftungsgesetz gegeben ist.

Elektrische und elektronische Geräte dürfen nicht über den Hausmüll entsorgt werden! Entsorgen Sie das Produkt am Ende seiner Lebensdauer gemäß den geltenden gesetzlichen Vorschriften. Zur Rückgabe sind Sammelstellen eingerichtet worden, an denen Sie Elektrogeräte kostenlos abgeben konnen. Ihre Kommune informiert Sie, wo sich solche Sammelstellen befinden.

Dieses Produkt ist konform zu den einschlägigen CE-Richtlinien, soweit Sie es gemäß der beiliegenden Anleitung verwenden. Die Beschreibung gehört zum Produkt und muss mitgegeben werden, wenn Sie es weitergeben.