klangweltenDie hier vorgestellte Unterrichtsidee orientiert sich an der dritten Phase und dem Modul D des Themenhefts zum Planspiel „Klangwelten“ .

Der hier ausgewählte Versuch soll Basiswissen zum Thema „Sehen mit Schall“ vermitteln.

Geräte:

Arduino UNO, PC, USB-Kabel, Software, Ultraschallsensor, LCD-Display,  9V-Block mit Clip und Normstecker, Steckbrett

Zusammenstellung der Teile:

klangw-1

Verdrahtung:

klangw-2

Programmcode mit Erklärungen (Beim Kopieren bitte so verfahren, wie im Kapitel LCD-Display erklärt.):

#include <LiquidCrystal_I2C.h>

#define printByte(args)  write(args); // Zeichen auf dem ..
uint8_t mu[8] = {0,18,18,18,28,16,16,16}; // Display definieren

LiquidCrystal_I2C lcd(0x27,20,4); // Art des Displays

const int TrigPin = 7;               // Trig ist an Pin 7
const int EchoPin = 8;               // Echo ist an Pin 8

long dauer;      // Messen der Laufzeit des Schallimpulses

void setup() {
  
pinMode(TrigPin, OUTPUT);   // Pin 7 ist ein Ausgan

lcd.begin();                // Display wird initialisiert
lcd.backlight();            // Display wird beleuchtet
lcd.createChar(6, mu);      // Sonderzeichen wird erstellt
}
void loop()
{

digitalWrite(TrigPin, HIGH); // Pin 7 ist an (US-Impulse)
delayMicroseconds(5);        // 5 Mikrosek. warten
digitalWrite(TrigPin, LOW); // Pin 7 ist aus (keine US-impulse)

pinMode(EchoPin, INPUT);       // Pin 8 ist ein Eingang
dauer = pulseIn(EchoPin,HIGH); // Laufzeit wird gemessen
lcd.clear();                   // Display wird gelöscht
  lcd.setCursor(0,0);  // Cursor wird gesetzt (Pos. 0, Zeile 0)
  lcd.print("Dauer");  // Text wird auf dem Display ausgegeben
lcd.setCursor(0,1);  // Cursor wird gesetzt (Pos. 0, Zeile 1)
lcd.print(dauer); // Zeitspanne wird auf dem Display ausgegeben
lcd.setCursor(6,1); // Cursor wird gesetzt (Pos. 6, Zeile 1)
lcd.printByte(6);    // Das Sonderzeichen wird ausgegeben
lcd.setCursor(7,1);  // Cursor wird gesetzt (Pos. 7, Zeile 1)
lcd.print("s");  // Text wird auf dem Display ausgegeben   
delay(500);  // Die Messungen werden alle 0,5 sec wiederholt

}

Versuchsziel:

Das Prinzip des Echolots soll demonstriert und die Schallgeschwindigkeit in der Luft aus der Laufzeit eines Schallimpulses und der Entfernung zu einem reflektierenden Gegenstand bestimmt werden.

Theoretische Grundlagen:

Ultraschallwellen werden an Grenzflächen zwischen Medien unterschiedlichen Schallwiderstands reflektiert. Beim Echolot sendet man gepulste Ultraschallsignale aus und misst die Zeit, nach der das an der Grenzfläche reflektierte Signal am Empfänger erscheint. Aus der Zeitdifferenz zwischen Senden und Empfangen lässt sich bei bekannter Entfernung die Schallgeschwindigkeit ermitteln.

In dem Versuch dienen zwei Ultraschallwandler als Sender bzw. Empfänger. Die Umwandlung zwischen elektrischer und mechanischer Energie erfolgt durch ein piezoelektrisches Material: Legt man eine elektrische Spannung an das Material an, liefert der eine Wandler eine Schallamplitude (Trig). Umgekehrt erzeugen die Schallwellen im zweiten Wandler eine piezoelektrische Spannung (Echo).

Durchführung:

Der Programmcode wird mit den Schülerinnen und Schülern erarbeitet und  anschließend auf das Arduino-Board übertragen. Dann wird der Versuch wie abgebildet zusammengestellt. Vor dem Ultraschallsensor wird in einem bestimmten Abstand eine reflektierenden Fläche aufgestellt und die Zeit auf dem LCD-Display abgelesen. Die Schallgeschwindigkeit errechnet sich aus dem doppelten Abstand zwischen Sensor und Reflexionsfläche (der Schallimpuls läuft hin und zurück) und der gemessenen Zeit.