Messung der Schallgeschwindigkeit mit einer Soundkarte

Frederic Schommer, Wolfgang Kabuß
LK Physik 12

Fast jeder neuere Computer besitzt eine Soundkarte. Damit lassen sich jedoch nicht nur Spiele oder Multimediaanwendungen akustisch untermalen, sondern eine Soundkarte ist auch ein vielseitiges Experimentiergerät. Mit ihrer Hilfe können eine ganze Reihe von Experimenten aus der Akustik, Mechanik und Optik, für die bisher teure Laborgeräte benötigt wurden, auch zu Hause durchgeführt werden. Hier soll berichtet werden, wie man mit einer Soundkarte, zwei Mikrofonen, einem Gummiring, einem Stück Styropor und einem Sharewareprogramm zum Darstellen von WAV-Dateien die Schallgeschwindigkeit bestimmen kann.

Um beide Mikrofone an die Soundkarte anschließen zu können, haben wir zunächst ein Kabel gelötet, bei dem die Leitungen zweier Kupplungen, an die wir die Mikrofone angeschlossen haben, in einem Klinkenstecker zusammengeführt werden. Die Mikrofone wurden in einer Entfernung von 1,5 m voneinander aufgestellt. Dann haben wir in der Nähe eines der beiden Mikrofone einen scharfen Knall erzeugt, indem wir einen Gummiring auf ein Styroporstück schnellen ließen. Das Meßprinzip ist nun, aus der von der Soundkarte erzeugten WAV-Datei den Zeitunterschied zwischen dem Ansprechen beider Mikrofone abzulesen und dann mit Hilfe des Mikrofonabstands die Schallgeschwindigkeit zu berechnen.

Leider zeigt sich, daß ein derartiger Knall viel länger dauert, als der Schall braucht, um sich vom ersten Mikrofon zum zweiten auszubreiten. Da man nur die Summe der Mikrofonspannungen erfassen kann, ist es schwer zu sagen, ab welchem Zeitpunkt das zweite Mikrofon einen Beitrag zum gemeinsamen Signal liefert. Daher haben wir das erste Mikrofon mit einem Pullover umwickelt. Dadurch wird der Knall gedämpft und das Mikrofonsignal ist ziemlich klein. Der Beginn des Signals des zweiten Mikrofons ist dadurch recht gut zu sehen und die Zeitdifferenz zwischen dem Ansprechen der beiden Mikrofone kann man auf ca. 1/20000 s ablesen. In der Abbildung ist das die Zeit zwischen den hellblauen Linien.


Das ist eine WAV-Datei, die von den beiden Mikrofonen beim Knall erzeugt wird. Durch die Dämpfung des ersten Mikrofons ist gut zu sehen, wann der Schall beim zweiten Mikrofon ankommt. Die Zeitdifferenz beträgt hier 0,0042 s.


Wir haben fünf Zeitmessungen für eien Mikrofonabstand von 1,5 m ausgewertet. Die Ergebnisse sind in Klammern angegeben:
(0.0044s, 0.0041s, 0.0041s, 0.0042s, 0.0041s)
Daraus ergibt sich ein Mittelwert von t=0,0042s. Für die Schallgeschwindigkeit erhalten wir damit das Ergebnis:

v=1,5m/4,2ms=357 m/s.

Das weicht von dem Wert 343 m/s, der sich bei sich bei einer Temperatur von 20 °C ergeben müßte, um 4% ab. Das Meßergebnis liegt also noch innerhalb des Fehlerbereichs, der durch die Abtastrate von 22 kHz bedingt ist.


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