Een eenvoudige akoestische lens

Datum: December 2017

Principe:

Een ballon gevuld met koolzuurgas vormt een akoestische lens terwijl een ballon met Helium een divergerende akoestische lens vormt.

Materiaal:

  • Ballonnen
  • Statieven
  • Frequentiegenerator met adapter voor audioplug
  • Speaker
  • Roland Tri-Capture met microfoon
  • CO2 fietspatronen met houder
  • PC met Soundcard Oscilloscope sofware
  • Geluidsmeter

 

Uitvoering en resultaat:

  • Bouw de opstelling op zoals weergegeven in onderstaand foto. Laat voldoende ruimte tussen luidspreker en microfoon zodat de ballon ertussen past.
  • Verbindt de luidspreker met de signaalgenerator en stel deze in op een sinusvormig signaal van 2.5 kHz.
  • Start de PC en Soundcard software op.
  • Voer de metingen uit.
 
Opstelling


 

De geluidsmeting laat zien dat we inderdaad een signaal van 2.5 kHz genereren (hetgeen we ook kunnen horen)
 
Meting zonder ballon
Meting met ballon gevuld met uitgeademende lucht
Meting met ballon gevuld met Helium
Ingezoomd op het meetscherm
Lucht (zonder ballon) Helium ballon
 
CO2 en uitademlucht ballon
 

Discussie en conclusie:

Een ballon gevuld met CO2 gedraagt zich als een akoestisch focusserende lens door zijn convexe vorm en de lagere snelheid die het geluid heeft in CO2. Als de lens tussen de luidspreker en de microfoon geplaatst wordt dan stijgt het geluidsniveau dat door de microfoon waargenomen wordt zoal men op het oscilloscoop scherm kan zien door een stijging van de amplitude. Helium laat juist een tegenovergesteld effect zien. Het geluidssignaal divergeert hetgeen men op de oscilloscoop als een zwakker signaal ziet. Lucht zonder ballon dient in dit experiment als referentie.

Het is niet goed gelukt om een ballon te maken alleen maar gevuld met CO2, men moest altijd bijademen. Desalniettemin heeft men dan een ballon met een beduidend hoger gehalte aan CO2 dan in de lucht aanwezig is (minimaal 4% t.o.v. 0.03%), hetgeen dus al een duidelijk waarneembaar effect heeft.

CO2 moleculen zijn "massiever" dan stikstof, zuursof en helium moleculen waardoor de geluidssnelheid in CO2 lager is dan in deze andere gassen. Als geluidsgolven de CO2 rijke ballon ingaan vertragen ze en buigen ze af net zoals licht afbuigt als het van lucht in een glaslens overgaat.

 

Dichtheid bij 273 K en 1.01325x105 Pa:
  • Helium: 0.178 kg/m3
  • Lucht: 1.293 kg/m3
  • CO2: 1.986 kg/m3
Geluidssnelheid bij 273 K in:
  • Helium: 965 m/s
  • Lucht: 332 m/s
  • CO2: 259 m/s
 

Opmerkingen:

  • Je hebt niet echt een Roland TriCapture nodig. Ik had deze nog liggen en de microfoon is van hoogwaardige kwaliteit.
  • Hetzelfde geldt voor de geluidsmeter. Dat kan tegenwoordig net zo gemakkelijk met je smartphone. Dit experiment gaf me echter een excuus om deze geluidsmeter weer eens uit de kast te trekken.

Literatuur:

  • Bernard Valeur; "Licht en Geluid - Samenspel van twee natuurkundige fenomemen"; 2012; Veen Media; ISBN 9789085711223; p. 62- 64.
  • Haym Kruglak, Charkles C. Kruse; "A Visual Method For Demonstrating Refraction of Sound"; American Journal of Physiscs; 1940 1; p. 260,261.
  • Derek C. Thomas, Kent L. Gee, R. Steven Turley; "A ballooon lens: Acoustic scattering from a penetrable sphere"; American Journal of Physiscs; 2009 77; p. 197-203.
  • Binas; 5de druk; 2008; Noordhoff; ISBN 9789001893805; Tabel 8; Tabel 15A.

Relevante websites
 

Achtergrondinformatie:

De geluidssnelheid is de snelheid waarmee geluidstrillingen of geluidsgolven zich voortplanten. Geluid kan zich enkel in een medium voortplanten (vast, vloeibaar of gasvormig) en de voortplantingssnelheid (v) hangt af van de compressiemodulus (kappa)  en de dichtheid (rho) van het medium, volgens de volgende formule:

v = (k/r)

De dichtheid en de compressiemodulus kunnen afhankelijk zijn van onder meer de temperatuur en bijvoorbeeld het vochtgehalte.

De compressiemodulus is een maat voor de de elasticiteit van een materiaal en deze geeft aan hoe snel de deeltjes van het medium een geluidsgolf kunnen doorgeven. In elastische materialen, zoals vaste stoffen, zitten deze deeltjes relatief dicht op elkaar en deze reageren snel op de geluidsgolf.

De geluidsnelheid in een medium is ook temperatuur afhankelijk. Als de temperatuur hoger wordt, zullen de sneller bewegende deeltjes vaker botsen waardoor een verstoring in het medium zich sneller door het materiaal kan voortbewegen.

In vloeistoffen en vaste stoffen zijn de dichtheidsverschillen als gevolg van een hogere temperatuur te verwaarlozen zodat ook de geluidssnelheid nauwelijks verandert bij stijgende temperatuur


10/01/2018