PHY02 Schallgeschwindigkeit in Festkörpern

Ultraschallwellen breiten sich in einem Medium mit einer vom Material abhängigen Geschwindigkeit aus, die frequenz­abhängig sein kann. In Gasen und Flüssigkeiten erfolgt die Schallausbreitung nur in Form von Longitudinal­wellen. Dagegen können in Festkörpern auf Grund ihrer elastischen Eigenschaften auch Transversalwellen auftreten. Transversal- und Longitudinal­wellen breiten sich im Allgemeinen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit aus. Die Schall­geschwindigkeit der in einem Festkörper bei senkrechter Schalleinkopplung erzeugten Longitudinalwellen kann einfach durch Laufzeitmessungen nach dem Impuls-Echo-Verfahren bestimmt werden. Durch die Verwendung von Probekörpern unterschiedlicher Länge und Schallsonden unterschiedlicher Frequenz sollen im Versuch Aussagen zur Frequenz­abhängigkeit der Schallausbreitung und zu Fehlerquellen, die durch den Aufbau der verwendeten Ultraschallsonden bedingt sind, getroffen werden.

Schallgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Zylinderlänge und Sondenfrequenz

Die aus den gemessenen Laufzeiten berechneten Schall­geschwindigkeiten weisen einen systematischen Fehler auf, dessen Einfluss mit zunehmender Messstrecke kleiner wird und durch die mitgemessene Laufzeit in der Anpassungs­schicht der Sonden bedingt ist. Im vorliegenden Fall besitzt die 2-MHz-Sonde eine dickere Anpassungs­schicht, so dass die mit ihr bestimmten Schallgeschwindigkeiten einen größeren Fehler aufweisen. Durch eine Differenzberechnung aus zwei Messungen mit unterschiedlichen Probenlängen kann dieser Fehler eliminiert werden (grüne Linie in der Grafik, cL = 2750 m/s, gleiche Werte für beide Frequenzen, keine Dispersion).