Hallo zusammen, ich habe mir aus Interesse vorgenommen, die Druckabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit zu untersuchen. Dazu verwende ich einen HC-SR04 Ultraschallsensor, da ich mit diesem gute Erfahrungen in Bezug auf die Genauigkeit gemacht habe. Ein anderer Grund ist, dass sich vor und hinter der Membran des Sensors durch eine Öffnung an der Seite der gleiche Druck einstellen kann und der Sensor somit nicht gegen einen starken Überdruck arbeiten muss. Der Versuchsaufbau besteht nun aus einem Rohr mit einem Durchmesser von 100mm und einer Länge von etwas über 1m. Im Rohr sind ein Temperatur, ein Drucksensor und an jedem Rohrende jeweils ein Ultraschallsensor angebracht. Ich messe die Schallgeschwindigkeit also in beide Richtungen, sodass ich bei jeder Messung zwei Laufzeiten messe. Bei Umgebungsdruck stimmt die ermittelte Schallgeschwindigkeit mit der berechneten auf weniger als 1% überein. Meine Erwartung war, dass sich die Laufzeit unter Druck nur geringfügig verändert, da es sich bei der Umgebungsluft nicht um ein ideales Gas handelt... Die ermittelten Geschwindigkeiten bei 5 bara sind jedoch bei etwa 560 m/s, was doch sehr deutlich von den erwarteten ca 343 m/s abweicht. Ich denke es liegt ein Problem mit den Sensoren vor, vlt. haben diese Probleme wegen der höheren Dichte der Luft, bzw. der Schallkegel vergrößert sich und führt zu Reflexionen... Falls jemand eine Idee dazu hat, wäre ich sehr dankbar für eine Rückmeldung. Viele Grüße!
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http://www.dl1glh.de/ultraschall-anemometer.html Zitat: "Akustische Virtuelle Temperatur Die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls ist über eine Wurzelfunktion von der absoluten Temperatur der Luft abhängig, jedoch annähernd unabhängig vom Luftdruck und nur gering abhängig von der Luftfeuchte. Daher kann dieser physikalische Zusammenhang für eine Temperaturmessung der Luft bei bekannter und konstanter chemischer Zusammensetzung genutzt werden. Es handelt sich hierbei um eine Messung der Gastemperatur ohne den Umweg der thermischen Kopplung dieses Gases zu einem Messfühler. c = 331,5 m/s * √(1 + T/273,15) mit Schallgeschwindigkeit c [m/s] und Temperatur T [°C] "
Schon einmal vielen Dank für die Antwort. none schrieb: > annähernd > unabhängig vom Luftdruck Das ist mir durchaus bewusst. Aber wie du bereits zitiert hast, ist es nicht komplett unabhängig. Außerdem handelt es sich bei meinem Aufbau um Überdrucke von bis zu 4 bar, was die auftretenden Schwankungen im Luftdruck bei Weitem übersteigt. Ich würde gerne einen realistischen Wert für die Änderung der Schallgeschwindigkeit messen, daher geht es mir im Moment eher um die Fehler am Messaufbau, als um die physikalischen Hintergründe.
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Peter T. schrieb: > Ich denke es liegt ein Problem mit den Sensoren vor, vlt. haben diese > Probleme wegen der höheren Dichte der Luft, bzw. der Schallkegel > vergrößert sich und führt zu Reflexionen... Vielleicht wird der Schall bei höherem Druck besser in die Rohrwand eingekoppelt, so dass eine ausreichend starke Schallwelle über die Rohrwand zum Empfänger läuft. Die Schallgeschwindigkeit im Rohr dürfte deulich höher als in Luft sein. Eventuell muss man das Rohr bedämpfen.
none schrieb: > nur gering abhängig von der Luftfeuchte Ohne tiefer nachgedacht zu haben: wie ist das denn mit der Luftfeuchte? Die ist ja bezogen auf das Volumen. Hat Luft mit dreimal so hohem Luftdruck auch eine dreimal so hohe Luftfeuchtigkeit?
Wolfgang schrieb: > Vielleicht wird der Schall bei höherem Druck besser in die Rohrwand > eingekoppelt Ich gehe relativ sicher davon aus. Der Druck ist ein Maß für die (Stöße*Impuls)/Zeit bei höerem Druck wird durch mehr Stöße auch mehr Energie an die Rohrwand übetragen.
Wie wird denn die Schallgeschindigkeit in dem Aufbau gemessen? Per Phasenverschiebung (schlecht) oder time of flight (gut) mit einem Impuls? Wenn es per Phase geschieht dann könnte ich mir vorstellen dass die Ultraschalltransducer eine druckabhängige Phasenverschiebung erzeugen die den Messfehler verursachen.
Hallo, ich habe noch einige Dinge getestet und melde mich mal wieder zurück! Der Fehler war schlicht und einfach, dass ich mit einer zu hohen Frequenz gemessen habe, wodurch die "alten" Echos gemessen wurden. Meine Vermutung: Durch die Erhöhung des Drucks steigt die Impedanz der Luft (in der ich messe) an und somit wird ein größerer Teil der Schallwellen vom Rohr reflektiert, sodass diese längere Zeit im Rohr verweilen und die Chance diese zu messen entsprechend größer ist. Zur Luftfeuchtigkeit: Ich fülle das Rohr mit trockener Druckluft auf, sodass die absolute Luftfeuchtigkeit annähernd gleich bleibt, die relative (und aussschlaggebende) Feuchtigkeit jedoch abnimmt. Als Resultat sollte die Schallgeschwindigkeit leicht sinken. Die Maßnahmen bisher waren also: Messfrequenz senken und den Sensor mit Schaumstoff ummanteln, sodass nur der direkte Schall gemessen werden kann und die Vermutung mit dem Körperschall überprüft wird. Bei Umgebungsdruck messe ich immernoch die zu erwartende Schallgeschwindigkeit, unter Druck nimmt diese aber weiterhin zu. Bei 5 bar sind es etwa 8 m/s mehr als erwartet. Die Temperatur ist bei allen Messungen gleich und die Änderung der Luftfeuchte und somit Isentropenexponent und spezifische Gaskonstante würden eine Abweichung in dem Ausmaß auch nicht erklären. Mögliche Ursachen sind wohl immernoch der Sensor selbst, oder die Änderung der Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit im Wellenleiter (dem Messrohr)...
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