Eine Disk als Alarmanlage
Thema
Beim GYPT 2022/2023 gab es die Aufgabe 03 Siren, die wie folgt lautete:
"If you direct an air flow onto a rotating disk with holes, a sound may be heard. Explain this phenomenon and investigate how the sound characteristics depend on the relevant parameters."
Es entsteht also ein Ton, wenn ein Luftstrom auf eine rotierende Scheibe/Disk mit Löchern trifft. Dieses Phänomen einer Tonerzeugung soll erklärt und untersucht werden, außerdem, wie die Toneigenschaften von den relevanten Parametern abhängen.
Theorie
Eine Tonerzeugung kann beobachtet werden, wenn ein Luftstrom auf eine rotierende Scheibe mit Löchern, den sogenannten Bohrungen, trifft.
Ein Ton entsteht durch Schallwellen, die von einer Schallquelle erzeugt werden. Wenn ein Objekt oder ein Medium in Schwingungen versetzt wird, breiten sich diese Schwingungen als Schallwellen durch dieses aus.
Der Ton ist aus Obertönen zusammengesetzt. Die Höhe der Obertöne beeinflusst die hörbare Tonfrequenz.
$$f_{ton}=f_{dreh} \cdot n$$
Dabei ist fton die Tonfrequenz, fdreh die Rotationsfrequenz der Scheibe und n die Anzahl der Bohrungen auf einem der konzentrischen Kreise.
Die Tonfrequenz fton ist proportional zur Rotationsfrequenz fdreh der Scheibe. Der Proportionalitätsfaktor n muss experimentell ermittelt werden.
Aufbau
Materialien
Software
- Zeichenprogramm (wie zum Beispiel AutoCAD)
- Phyphox
Geräte und Hilfsmittel
- Elektromotor
- Scheibe
- Kompressor
- Druckluftpistole
- Magnet
Erst wird eine Bohrschablone erstellt (Abbildung 1). Um eine möglichst regelmäßige Bohrschablone zu erstellen, wird ein Zeichenprogramm, wie zum Beispiel AutoCAD verwendet. Damit wurde eine Schablone mit 8 Bohrungen pro Kreis erstellt, die in 4 konzentrischen Kreisen angeordnet sind (siehe Abbildung 1). Die Parameter der Scheibe sind die konzentrischen Kreise, beziehungsweise deren Durchmesser, die Anzahl der Bohrungen und deren Durchmesser. Die Anordnung der Bohrungen ist symmetrisch.
Versuchsaufbau
Das ist der Aufbau für die Messungen vom Versuch (siehe Abbildung 2). Ein Elektromotor erzeugt die Rotation. Die erstellte Bohrschablone ist an diesem befestigt. Die Anordnung der Bohrungen auf den konzentrischen Kreisen der Scheibe ist bei diesem Versuch symmetrisch. An dem Kompressor ist eine Druckluftpistole mit einem Schlauch (blau) angeschlossen. Aus dieser kommt ein Luftstrom.
Daten
Die Messungen wurden alle mit der App Phyphox durchgeführt.
1. Messung
Es wurde eine Messung mit der App Phyphox durchgeführt, bei der 10 Messwerte aufgenommen wurden.
In Abbildung 3 sind die Ergebnisse der Messung der Tonfrequenzen in Abhängigkeit von der Rotationsfrequenz der Scheibe dargestellt. Es ist ein linearer Zusammenhang zwischen der Rotations- und der Tonfrequenz zu beobachten, da der Graph monoton steigt bzw. eine lineare Funktion (Steigung m=8,1 und Ordinatenabschnitt n=0) ist.
Aus dem Anstieg des Graphen kann gemäß der Formel fton = fdreh x n eine Steigung von 8,1 (Größe der Dimension Eins) berechnet werden.
2. Messung
Es wurden Messungen mit der App Phyphox durchgeführt, bei denen das Audio Spektrum von den verschiedenen konzentrischen Kreisen aufgenommen wurde.
Die vierte Abbildung zeigt die erste Messung. Es wurde der äußerste konzentrische Kreis gemessen.
Die fünfte Abbildung zeigt die zweite Messung. Es wurde der zum Mittelpunkt nähere konzentrische Kreis, als in der ersten Messung, gemessen.
Die sechste Abbildung zeigt die dritte Messung. Es wurde der zum Mittelpunkt nähere konzentrische Kreis, als in der zweiten Messung, gemessen.
Der am nächsten zum Mittelpunkt des Kreises befindliche konzentrische Kreis konnte aufgrund der Befestigung nicht gemessen werden (siehe Abbildung 2).
Fazit
In diesem Projekt wurde die Erzeugung von Tönen durch eine rotierende Scheibe mit konzentrischen Bohrlöchern untersucht. Ein Luftstrom wurde durch die Scheibe geleitet. Für die Untersuchung wurden die Rotationsfrequenzen experimentell ermittelt. Die oben beschriebenen Parameter waren bei dem in dieser Arbeit vorgestellten Experiment unverändert, können aber prinzipiell auch variiert werden. Die Folgen der Parametervariation sind noch zu untersuchen.
Herausgefunden wurde, dass zwischen der Rotationsfrequenz der Scheibe und der Frequenz der erzeugten Töne ein linearer Zusammenhang besteht.
Erfolge
Jugend forscht: 3. Platz Regionalwettbewerb Berlin Mitte (Physik)
