Bestimmung der Schallgeschwindigkeit mit der Soundkarte.

1. Messprinzip.

Ein Computer mit Soundkarte eignet sich dazu die Schallgeschwindigkeit zu bestimmen. Wie bei dem gewohnten Experiment werden zwei Mikrophone verwendet. Statt sie jedoch an einen Kurzzeitmesser anzuschließen, verbindet man sie jeweils mit einem der Stereo-Eingänge einer Soundkarte. Sind die beiden Mikrofone eine Strecke s entfernt, so erreicht ein Schallsignal z.B. das am linken Kanal angeschlossene Mikrofon früher als das mit dem rechten Kanal verbundene Mikrofon. Aus dieser zeitlichen Verschiebung t der Signale und der Entfernung s der beiden Mikrofone läßt sich die Schallgeschwindigkeit v bestimmen.

2. Das Problem des Anschlusses.

Leider ist alles nicht ganz so einfach, wie es auf den ersten Blick scheint:
Die Mikrofon-Eingänge mancher Soundkarten sind nicht für Stereo-Betrieb ausgelegt, so dass ein direkter Anschluß zweier Computer-Mikrofone an den Mikrofon-Eingang der Soundkarte ( mit Hilfe einer y-Kupplung ) leider nicht immer zum Ziel führt. Der Line-In Eingang ist immer für Stereobetrieb ausgeführt, jedoch geben dynamische Mikrofone in der Regel nur Spannungsignale im Millivolt-Bereich aus, was für den Line-In Eingang zu wenig ist. Man muß daher das Spannungssignal der Mikrofone verstärken.

Hierfür könnte man einen Mikrofon-Vorverstärker benutzen.
Eine weitere Möglichkeit für den Eigenbau sei hier beschrieben.

3. Ein Eigenbau-Vorschlag mit Elektretmikrofonen.

Im Elektronikhandel sind Elektret-Mikrofone erhältlich (z.B. der Typ EM3), die intern bereits einen eingebauten FET-Vorverstärker haben. Sie haben 10 mm Durchmesser und sind auch etwa 10 mm hoch. Die Mikrofone kosten ca. 3 - 4 Euro. (Bezugsquellen siehe hier) Zum Betrieb des eingebauten Verstärkers benötigt man dann noch eine Spannung von 9 Volt, die einer Blockbatterie entnommen werden kann. Die Abbildung zeigt die Beschaltung der Mikrofonkapsel mit Verstärker von der Rückseite ( Lötseite ) her gesehen. Die Belegung ist nicht identisch mit der Belegung, die von Bruno Rager im LEU-Heft 36 angegeben wird. Er weist genau die umgekehrte Polung der Spannungsversorgung aus. Die hier verwendeten Elektretmikrofone wurden bei Mükra gekauft und hatten Anschlußkabelstücke angelötet, so dass man daraus die Belegung entnehmen kann. Sicher ist, dass der Halbkreis der Signalausgang ist.

An diese Mikrofone wird ein zweiadriges, abgeschirmtes Kabel angelötet, das eine Länge von etwa 1 bis 1,5 Meter haben sollte. (Die eine Ader führt zum Pluspol der Spannungsquelle, die andere Ader zum Signalausgang - hier rot und grün bezeichnet - die Abschirmung wird an Masse gelegt)

Die Mikrofone werden in eine geeignete Hülse eingebaut. Aus "Stangenware" von Metallrohren, wie man sie in Baumärkten erhält, sägt man z.B. Stücke von 10 cm Länge. Es eignet sich beispielsweise ein Kupferleitungsrohr (für die Wasserinstallation) mit 12 mm Außendurchmesser, da passt das Mikrofon gerade hinein. Eine andere Möglichkeit ist ein Aluminiumrohr mit 12 mm Außendurchmesser. Gegebenenfalls muß man dieses mit einem 10 mm Bohrer auf einer Standbohrmaschine noch etwas aufbohren. Dafür hat man dann einen Anschlag, so dass das Mikrofon nicht zu weit nach innen rutschen kann. Die Mikrofone werden vorsichtig - z.B. mit Zweikomponentenkleber - in die Rohre eingeklebt. Die Photos zeigen ein solches bearbeitetes Rohrstück mit und ohne Mikrofon. Das andere Ende des Kabels führt zur Batteriebox.

Ein Kunststoffgehäuse mit Batteriefach für einen 9V-Block, das z.B. unter der Nummer 524050 (weiß) oder 523992 (schwarz) bei Conraderhältlich ist, nimmt den 9V Block auf. Von dort führt eine Stereo Leitung die Mikrofonsignale zum Computer, zwei Leitungen gehen zu den Mikrofonen.

Wenn man möchte, kann man auch auf die Steckmöglichkeit der Mikrofone verzichten und diese direkt anschließen. Man hat dann möglicherweise weniger Kontakt- und Kurzschlußprobleme, dafür aber mehr "Kabelsalat".

Wie man alles verkabeln muß, ist aus der folgenden Skizze ersichtlich. (Die Kabelfarben dienen nur der besseren Orientierung, sie müssen nicht mit den Aderfarben des abgeschirmten Kabels identisch sein!)

4. Geeignete Schallquellen und Messbeispiele.

Bruno Rager vom Studienseminar Esslingen hat mit verschiedenen Schallquellen experimentiert und folgende als für den Unterricht oder ein Praktikum geeignet ermittelt. (Seine Original-Sounddateien können durch Klick in die Grafik geladen werden.)

Alle hier gezeigten Messbeispiele sind von ihm. (Die Ausblendungen der Kanäle rechts wurden aufgehellt um den Signalverlauf besser sichtbar zu machen, die Zeitdifferenz wurde markiert.)

a) Die "Knackente".

Das beliebte Kinderspielzeug bekommt man in Spielwarengeschäften. Sie eignet sich gut als Schallquelle.

Das hier gezeiget Signal gehört zum ersten der beiden "Knackser".

Man erkennt, dass das Signal der Knackente den linken Kanal (oben) zuerst erreicht hat. Dasselbe Signal, jedoch zweitversetzt und etwas schwächer vom rechten Kanal sieht man darunter. Markiert man z.B. jeweils das erste Maximum, so erhält man eine Laufzeitdifferenz von t=0,001769s.( Im Bild rot markiert )

Bei der Aufnahme betrug der Abstand der Mikrofone s=0,60m.
Daraus errechnet sich eine Schallgeschwindigkeit von v=s / t=0,60m / 0,001769s=339,17 m/s.

b) Die Pistole.

Im zweiten Beispiel wurde eine kleine Plastikpistole verwendet. Löst man sie aus, springt ein Plastikhut weg und es ergibt sich ein "plop"-Geräusch.

Der Abstand der beiden Mikrofone betrug wieder s=0,60m. Als Laufzeit des Schallsignals ermittelte Rager hier t=0,001746 s.
Daraus erechnet sich eine Schallgeschwindigkeit von v=s / t=0,60m / 0,001746s=343,64 m/s.

Dies ist in guter Übereinstimmung mit den sonst in den üblichen Experimenten ermittelten Werten.

Der Vorteil der Schallgeschindigkeitsmessung mit Computer und Soundkarte besteht allerdings darin, dass man die Schüler selber experimentieren lassen kann, wenn man eine genügend große Zahl an Mikrofonen und Batterieboxen hat.
Auch Hausexperimente sind möglich, da heute fast alle Schülerinnen und Schüler Zuhause Zugang zu einem Computer haben und die meisten davon mit Soundkarten ausgerüstet sein dürften.

Kollege Michael Eisenmann vom Albert-Einstein-Gymnasium in Ulm / Donau hatte Probleme passende Elektret-Mikrofone mit drei Anschlüssen zu bekommen. Er hat dann mit handelsüblichen Mikrofonen mit zwei Anschlüssen experimentiert und eine Lösung gefunden, wie es auch mit solchen Mikrofonen funktioniert. Nach seiner Aussage hat sich die Schaltung im Alltag und auch in Schülerhänden gut bewährt.

Wir vom Landesbildungsserver werden demnächst seine Schaltung nachbauen und selber testen. Wenn wir zum gleichen Ergebnis kommen, werden wir seine Lösung hier noch ausführlicher vorstellen.

Zunächst einmal bieten wir aber hier seinen Bauvorschlag als Download im pdf-Format an.