EXP:Schwingungen sichtbar machen

In diesem Experiment geht es darum Schwinungen, die für das Auge zu schnell sind, sichtbar zu machen. Hierfür wird ein Stroboskop verwendet, um die Bewegungen eines Lautsprechers scheinbar zu verlangsamen und somit für das menschliche Auge sichtbar zu machen. Der Aufbau kann allgemein für sämtliche schwingende Objekte verwendet werden (Stimmgabeln, Saiten etc.) und ist nicht an einen speziellen Aufbau gebunden.

Anordnung von LED und Lautsprechermembran. Ggf. zum Abspielen bitte anklicken.

Versuchsanleitung

Benötigtes Material

• 2 Frequenzgeneratoren
• Thorlabs LED mit Treiber
• Lautsprecher (+ Verstärker)
• Verbindungskabel

Versuchsaufbau

Schritt 1

Ein Frequenzgenerator wird mit dem LED Treiber und der damit angeschlossenen LED verbunden. Der Treiber wird in den Modus "MOD" gestellt. In diesem Modus lässt sich das Output-Signal durch ein Input-Signal modullieren.

Schritt 2

Freqenzgenerator auf eine Frequenz von 100 Hz stellen. Idealerweise wird als Ausgangssignal ein Pulse-Signal gewählt. Der Tastgrad (Duty-Cicle) sollte so kurz wie möglich gewählt werden. Bei 100 Hz ist ein Tastgrad von 20 % praktikabel.

Schritt 3

Der zweite Frequenzgenerator wird mit dem Lautsprecher verbunden. Handelt es sich nur um einen Lautsprecher, sollte noch ein Audio-Vestärker zur Erhöhung der Amplitude zwischengeschaltet werden.

Versuchsdurchführung

Nun wird eine Lautsprecherfrequenz von 101 Hz eingestellt. Besonders eindrucksvoll ist eine langsame ansteigende Frequenz des Lautsprechers von 100 Hz bis 120 Hz. Dies kann über die Einstellung "SWEEP" am Funktionsgenerator oder manuell eingestellt werden. Raum abdunkeln und die LED auf den Lautsprecher ausrichten.

Auswertung

Der Aufbau dient primär zur Veranschaulichung von Schwinungen. Eine quantitative Auswertung ist daher nicht möglich. Weiterführende Fragen können jedoch zum Verständis des Effekts beitragen. So können Stroboskopfrequenzen diskutiert und mit der Lautsprecherfrequenz verglichen werden.

Mögliche Probleme und ihre Lösungen

• Effekt schlecht sichtbar:
  • LED zu dunkel:
    • Tastrate erhöhen
    • Output-Amplitude des Funktionsgenerators für die LED erhöhen
  • Raum nicht ausreichend abgedunkelt
  • Audio-Amplitude zu klein
• Die Schwingung erscheint unscharf:
  • Tastrate reduzieren
• Beim "SWEEP" wird die sichtbare Schwingung langsamer und später wieder schneller, obwohl die Lautprecherfrequenz kontinuierlich steigt
  • Die Lautsprecherfrequenz sollte stets über der Stroboskopfrequenz liegen, damit der Effekt nicht in die "falsche Richtung" abdriftet. Auch ganzahlige Vielfache der Frequenzen sollten vermieden werden.

Sicherheitshinweise

Da die Stroboskopfrequenz relativ hoch liegt, geht keine Gefährdung für Epileptiker hervor.

Fotos

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       Versuchsaubau zur Veranschaulichung einer schwingenden Lautsprechermembran mit einer gepulsten LED. 
  

Universität Stuttgart, 5. Physikalisches Institut, AG Physik und ihre Didaktik, lizenziert unter CC BY-NC-SA 4.0