Mögliche Fragen

Allgemein Spektren:

VIS…visible radiation

a.) Begriff “Licht” nicht eindeutig. Es handelt sich hierbei um elektromagnetische Strahlung.

b.)

Bei lichttechnischen (photometrischen) Größen wird im Gegensatz zu strahlungsphysikalischen (radiometrischen) Größen die Wahrnehmung des menschlichen Auges berücksichtigt.

Strahlungsphysikalische Größen (Radiometrie): Diese Größen beschreiben die physikalische Strahlung (-> Energie) unabhängig von der Wahrnehmung durch das menschliche Auge. Beispiele für strahlungsphysikalische Größen sind:

• Strahlungsleistung (P): Die gesamte abgegebene Energie pro Zeiteinheit, gemessen in Watt (W).

• Strahlungsfluss: Die Energie der Strahlung pro Zeiteinheit, die in eine bestimmte Richtung abgegeben wird.

Strahlungsphysikalische Größen sind rein physikalisch und betreffen die gesamte elektromagnetische Strahlung, unabhängig davon, ob sie sichtbar ist oder nicht.

Lichttechnische Größen (Photometrie): Diese Größen berücksichtigen die Empfindlichkeit des menschlichen Auges für verschiedene Wellenlängen. Lichttechnische Größen beziehen sich nur auf den sichtbaren Teil des Spektrums und wie stark das menschliche Auge darauf reagiert. Beispiele sind:

• Lichtstrom (Φ): Die gesamte Lichtleistung, die eine Lichtquelle abgibt, gemessen in Lumen (lm).

• Lichtstärke (I): Die Lichtleistung pro Raumwinkel, gemessen in Candela (cd).

c.)

photometrische Strahlungsäquivalent (auch als Lichtausbeute bezeichnet): beschreibt das Verhältnis der sichtbaren Strahlung (gemessen in Lumen) zur physikalischen Strahlungsleistung (gemessen in Watt). Es gibt also an, wie viel sichtbares Licht pro Watt Strahlungsleistung ausgesendet wird.

Die maximale Lichtausbeute wird bei einer Wellenlänge von 555 nm im grün-gelben Bereich des Spektrums erreicht, weil das menschliche Auge bei dieser Wellenlänge am empfindlichsten ist. Bei dieser Wellenlänge beträgt das photometrische Strahlungsäquivalent etwa 683 Lumen pro Watt. Für andere Wellenlängen, bei denen das Auge weniger empfindlich ist, ist das Strahlungsäquivalent niedriger.

Chat GPT:

Allgemein:

Synonym für Detektoren: Sensor,Fühler, Aufnehmer,…

Fotodektoren: Einrichtung zur Umwandlung von EM-Strahlun in ein Messignal

Fotowiderstände:

Light Dependent Resistor (LDR)

Ein Fotowiderstand ist ein lichtempfindliches Bauelement, dessen elektrischer Widerstand sich in Abhängigkeit von der einfallenden Lichtmenge ändert.

1. Im Dunkeln: Der Fotowiderstand hat einen sehr hohen Widerstand, weil nur wenige freie Ladungsträger im Halbleitermaterial vorhanden sind.

2. Bei Lichteinfall: Photonen (Lichtteilchen) regen Elektronen im Halbleitermaterial an, sodass sie in den leitenden Zustand übergehen. Dadurch entstehen mehr freie Ladungsträger, was den Widerstand des Bauteils deutlich senkt.

Vorteile:

• Einfache Handhabung

• Kostengünstig

Nachteile:

• Langsame Reaktionszeit im Vergleich zu Fotodioden

• Nicht besonders präzise, eher für einfache Anwendungen geeignet

Messignal Temperaturabhngig.

Durch Fotodiode völlig verdrängt.

Fotodioden:

Eine Fotodiode ist ein Halbleiterbauelement, das Licht in einen elektrischen Strom umwandelt. Sie besteht typischerweise aus einer p-n-Übergangsdiodenstruktur, die lichtempfindlich ist. Wenn Photonen auf den p-n-Übergang treffen, werden Elektronen angeregt und erzeugen einen Photostrom.

• Im Dunkeln: Es fließt nur ein sehr geringer Leckstrom, der sogenannte Dunkelstrom.

• Bei Lichteinfall: Photonen regen Elektronen und Löcher (positive Ladungsträger) im p-n-Übergang an. Diese Ladungsträger erzeugen einen Strom, der proportional zur Intensität des einfallenden Lichts ist.

Betrieb als Fotodiode im 3. Quadranten:

Zur Lichtmessung weden Fotodioden in Sperrichtung betrieben. Im Dunkeln ist der messbare Sperrstrom sehr gering, solange die Temperatur im Arbeitsbereich niedrig genug bleibt. Da Halbleiter generell Heißleiter sind, werden mit zunehmender Temperatur in der Raumladungszone Elektronen-Lochpaare erzeugt, die den Dunkelstrom vergrößern.

Wird die Beleuchtungsstärke erhöht, vergrößert sich der Sperstom

Der Photostrom ist proportional zur Lichtstärke, was die Fotodiode sehr präzise für die Messung von Lichtintensitäten macht.

Dunkelstrom proportional zu T

Betrieb als Photoelement (Solarzelle) im 4.Quadranten

Vorteile:

• Hohe Empfindlichkeit und Präzision

• Schnelle Reaktionszeiten

• Kann sowohl Strom als auch Spannung erzeugen

Nachteile:

• Komplexer und teurer als Fotowiderstände

• Dunkelstrom (kleiner Strom im Dunkeln), der die Messgenauigkeit beeinflussen kann

Fototransistoren

• Bipolartransistor mit lichtsensitiver Basis

• Prinzip wie Fotodiode – Fotoeffekt in Sperrschicht -

• Verstärkungsfaktoren 100 – 1000

• Sensitiver als Photodioden

Lateraleffektdioden

• Große Fotodiode mit Elektroden an gegenüberliegenden Seiten

• Detektion positionsempfindlich – 0,05 % der aktiven Länge

Lateraleffektdioden, auch bekannt als Position Sensitive Detectors (PSD), sind spezielle Fotodioden, die dazu verwendet werden, die Position eines Lichtpunkts auf ihrer Oberfläche zu bestimmen. Diese Dioden sind in der Lage, die laterale (seitliche) Verschiebung eines Lichtstrahls oder Lichtpunkts auf der Detektoroberfläche zu messen, wodurch sie in der optischen Positionsbestimmung und Verfolgung verwendet werden.

Anwendung z.B. für Justage von optischen Einrichtung

Wenn Licht auf die Oberfläche der Diode trifft, wird in der Diode ein Photostrom erzeugt, der von der Position des Lichteinfalls abhängt.

Positionsermittlung: Bei Lichteinfall wird der Photostrom auf die Elektroden an den Enden der Diode verteilt. Die Menge des Photostroms, der zu jeder Elektrode fließt, hängt von der Position des Lichtpunktes ab. Durch das Messen der Ströme an den Elektroden kann die genaue Position des Lichtpunkts bestimmt werden.

CCD Chips

CCD-Chips (Charge-Coupled Devices) sind lichtempfindliche Halbleiterbauelemente, die in Bildsensoren zur Aufnahme von optischen Informationen verwendet werden. Sie wandeln Licht in elektrische Signale um, die anschließend in ein digitales Bild konvertiert werden.

• Matrix von lichtsensitiven Kondensatoren (Pixel)

• jedes Pixel speichert eine Ladung, die proportional zur Beleuchtungsstärke ist, die auf das jeweillige Pixel fällt

• Auselesen über Schieberegister

  • gespeicherte Ladungen werden Schrittweise Verschoben, bis diese in ein digitales Signal umgewandelt wurden

• Anwendung bei bildgebender Detektion (z.B. Fotografie, Beam-Profiler)

  • Farbbilder über RGB-Filter

• Heute durch Active-Pixel-Sensoren (APS) weitgehend verdrängt

Active-Pixel-Sensoren (APS) oder CMOS Sensor

Der Hauptunterschied zwischen einem APS und einem CCD-Sensor besteht darin, dass bei einem APS jeder einzelne Pixel nicht nur passiv Ladungen sammelt, sondern auch eine eigene, aktive Verstärkerschaltung enthält. Daher kommt auch der Name „Active Pixel“. Diese Verstärkerschaltung macht den Sensor schneller und effizienter, da jeder Pixel die Ladung selbstständig in ein Signal umwandeln kann.

Ein APS-Pixel in einem CMOS-Sensor besteht typischerweise aus folgenden Komponenten:

1. Photodiode: Dies ist der lichtempfindliche Teil des Pixels, der Photonen (Licht) in Elektronen umwandelt, genau wie bei einem CCD-Sensor. Je mehr Licht auf die Photodiode fällt, desto mehr Elektronen werden erzeugt.

2. Reset-Transistor: Er wird verwendet, um das Pixel vor der Belichtung zurückzusetzen, also die Ladung zu löschen, bevor neue Elektronen durch die Photonen erzeugt werden.

3. Verstärker-Transistor (Source-Follower): Dieser Transistor verstärkt das von der Photodiode erzeugte elektrische Signal. Jedes Pixel hat einen eigenen Verstärker, was den Sensor „aktiv“ macht.

   • Verstärkung des Photostroms (PD “entlädt” sich)

4. Auslese-Transistor (Row-Select): Dieser Transistor ermöglicht das selektive Auslesen des Pixels, indem er das Signal des Pixels in die Auslesezeile schaltet, wenn es an der Reihe ist, ausgelesen zu werden.

   • Auslesen nach definierter Beleutungszeit

   • Analog out Spannung proportional zur Beleuchtungsstärke während Belichtungszeit

Im vgl. zu CCD-Chips: APS kompakter, voll integriert (oft incl. A/D-Wandler), einfacher und schneller anzusteuern

Photoelektronenvervielfacher

Ein Photoelektronenvervielfacher (auch Photomultiplier Tube, PMT genannt) ist ein hochempfindliches optoelektronisches Bauteil, das schwaches Licht (Photonen) in messbare elektrische Signale umwandelt und diese Signale verstärkt. Er wird oft in Anwendungen verwendet, bei denen es darauf ankommt, extrem geringe Lichtmengen präzise zu detektieren.

1. Photokathode: Dies ist der lichtempfindliche Bereich, der Photonen absorbiert und Elektronen durch den photoelektrischen Effekt freisetzt.

   • Gemäß dem photoelektrischen Effekt wird das Elektron aus der Photokathode herausgelöst, wenn das Photon genügend Energie hat (abhängig von der Wellenlänge des Lichts und dem Material der Photokathode). Es entsteht ein Photoelektron.

   • Das ausgelöste Elektron ist jetzt frei und wird durch ein angelegtes elektrisches Feld in Richtung der nächsten Komponente, der ersten Dynode, beschleunigt.

     
     

2. Dynoden: Mehrere elektrisch leitfähige Stufen, die die Anzahl der Elektronen durch sekundäre Elektronenemission schrittweise erhöhen.

   • Das freigesetzte Photoelektron trifft auf die erste Dynode. Dynoden sind elektrisch leitfähige Materialien, die Elektronen durch sekundäre Elektronenemission** vervielfachen können.

   • Wenn das Photoelektron auf die Dynode trifft, gibt es genug Energie frei, um mehrere neue Sekundärelektronen aus der Dynode herauszulösen. Typischerweise können pro aufprallendem Elektron etwa 3 bis 5 neue Elektronen erzeugt werden.-> Exponnetielle Vervielfachung

3. Anode: Dies ist der Ausgang des PMT, an dem das verstärkte Elektronensignal gesammelt wird, um es als elektrisches Signal weiterzuverarbeiten.

   • Am Ende der Verstärkungsstufen erreichen die stark vervielfachten Elektronen die Anode.

   • Die Elektronen werden an der Anode gesammelt und erzeugen dort einen Stromimpuls, der proportional zur ursprünglich einfallenden Lichtmenge (Photonenzahl) ist.

** Sekundäre Elektronenemmission

1. Wenn ein hochenergetisches Elektron (oder ein anderes Teilchen) auf die Oberfläche eines Materials trifft, überträgt es seine Energie auf die Elektronen im Material.

2. Diese Elektronen im Material können dabei so viel Energie aufnehmen, dass sie das Material verlassen und als sekundäre Elektronen emittiert werden.

Breitbandige Strahlungsempfänger

Breitbandige Strahlungsempfänger sind Geräte, die elektromagnetische Strahlung über ein breites Spektrum von Wellenlängen erfassen und messen können. Der Begriff „breitbandig“ bezieht sich darauf, dass der Empfänger nicht nur auf eine bestimmte Wellenlänge oder Frequenz beschränkt ist, sondern Strahlung aus einem breiten Bereich des Spektrums wahrnehmen kann.

Allgemein Umwandlung in Wärme:

• Wellenunabhängige Absorptionsmessung (Messung der Energiedeponierung)

  • Die Energie der Strahlung wird absorbiert und in Wärme umgewandelt, was zu einer Erwärmung führt.

  • Die Temperaturänderung kann dann gemessen werden, um Rückschlüsse auf die Strahlungsintensität zu ziehen.

Arten von Strahlungsempfänger:

• Thermoelektrische Strahlungsempfänger (Thermosäulen)

  • Diese Geräte nutzen die Verschaltung von Thermoelementen. Ein Thermoelement erzeugt eine elektrische Spannung, wenn es einem Temperaturunterschied ausgesetzt ist.

  • Ein Thermoelement besteht aus zwei verschiedenen Metallen, die an einem Ende verbunden sind. Wenn die Temperatur an diesem Verbindungsende sich ändert (z. B. durch absorbierte Strahlung), wird eine elektrische Spannung erzeugt, die proportional zur Temperaturänderung ist.

  • Mehrere solcher Elemente können zu einer Thermosäule verschaltet werden, um die Empfindlichkeit zu erhöhen.

• Bolotmeter

  • Ein Bolometer besteht aus einer absorbierenden Schicht, die mit einer thermischen Masse (Wärmespeicher) verbunden ist.

  • Das Bolometer misst die Strahlung durch den Temperaturanstieg in dieser absorbierenden Schicht. Die Temperaturänderung führt zu einer Änderung des elektrischen Widerstands.

  • Der Bolometer erfasst also die Strahlungsenergie, indem er den Widerstand in Abhängigkeit von der Strahlungsenergie misst. Dies ist besonders bei Infrarotstrahlung verbreitet.

  
  

  Skizze:

  • Die Änderung der Temperatur wirkt sich auf den Widerstand aus, und das Signal wird durch einen resistiven Thermometer gemessen.

  • Die thermische Energie fließt über einen Wärmeleiter (Thermal Conductance G) in ein thermisches Reservoir, um eine Stabilisierung zu ermöglichen.

• Pyroelektrische Strahlungsempfänger (PIR sensor)

  • PIR-Sensoren (Passive Infrared Sensors) nutzen die pyroelektrische Eigenschaft von Materialien. Das bedeutet, dass diese Materialien bei Temperaturänderungen (durch eintreffende Strahlung) eine elektrische Ladung erzeugen.

  • Wenn Infrarotstrahlung auf den Sensor trifft, ändert sich die Temperatur des Materials und dadurch die Ladungsverteilung. Dies wird als elektrisches Signal erfasst.

  • PIR-Sensoren werden häufig zur Bewegungserkennung eingesetzt, weil sie auf Temperaturänderungen reagieren, wie sie von Menschen oder Tieren verursacht werden.

UV-Sensoren

• Standart Silizium-Halbleiterbauteile (z. B. in CCD- oder CMOS-Sensoren) sind für UV-Strahlung normalerweise nicht empfindlich, da UV-Strahlung von der SiO₂-Schicht (Siliziumdioxid) auf der Oberfläche der Halbleiterbauelemente absorbiert wird.

• Die SiO₂-Schicht verhindert, dass die UV-Strahlung in das aktive Halbleitermaterial eindringen und dort Elektronen-Loch-Paare erzeugen kann, die zur Detektion notwendig sind.

Phosphoreszente oder Fluoreszente Beschichtung

• Eine Methode, um UV-Strahlung zu detektieren, besteht darin, den Sensor mit einer phosphoreszenten oder fluoreszenten Beschichtung zu versehen.

• Diese Beschichtung absorbiert die UV-Strahlung und emittiert Licht bei einer längeren Wellenlänge, die dann von Standarddetektoren (wie CCD oder CMOS) erfasst werden kann.

  • Das bedeutet: Die UV-Strahlung selbst wird nicht direkt vom Siliziumdetektor erfasst, sondern die Beschichtung „wandelt“ die UV-Strahlung in eine Wellenlänge um, auf die der Sensor empfindlich ist (typischerweise im sichtbaren oder nahen Infrarotbereich). Das Silizium ist für diese umgewandelte Strahlung empfindlich, und so kann der Sensor letztlich doch auf UV-Strahlung reagieren.

• Es kommt also zur Emission detektierbarer \lamda Starhlung, die der Detektor verarbeiten kann.

Back-Illuminated CCD (Rückseitig belichtete CCDs)

• Bei Back-Illuminated CCDs wird die SiO₂-Schicht auf der Rückseite des CCD-Chips entfernt, damit die UV-Strahlung ungehindert auf das Silizium treffen kann.

• Dadurch wird der gesamte Bereich des Siliziums genutzt, ohne dass die UV-Strahlung durch die oberflächliche Schicht blockiert wird.

Deep-Depletion-CCD

• Bei einem Deep-Depletion-CCD wird das Problem anders angegangen: Hier wird die Verarmungszone des Siliziums (der Bereich, in dem die Ladungsträger erzeugt werden) vergrößert, sodass die UV-Strahlung, die es ins Silizium schafft, mehr Absorptionspotenzial hat.

  • Auch hier ist es wichtig zu beachten, dass in einem Deep-Depletion-CCD in der Regel die SiO₂-Schicht entweder entfernt oder minimiert wurde, um sicherzustellen, dass die UV-Strahlung überhaupt in das Silizium gelangen kann.

• Sobald die UV-Strahlung im Silizium ist, versucht man, die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen, dass die Strahlung dort absorbiert wird und Photonen-Elektronen-Paare erzeugt, die für die Messung benötigt werden.

BTW Elektronen Loch Paar Bildung durch photoelektrischen Effekt:

1. Halbleiter und Energiebandmodell

In Halbleitern wie Silizium gibt es zwei wichtige Energiebänder:

• Valenzband: Das Band, in dem sich die Elektronen bei tieferen Energiezuständen befinden. Hier sind Elektronen normalerweise gebunden und können nicht frei durch das Material fließen.

• Leitungsband: Das Band, in das Elektronen angeregt werden können, um sich frei durch das Material zu bewegen und Strom zu leiten.

Zwischen diesen beiden Bändern befindet sich eine Bandlücke. Für Silizium beträgt die Bandlücke etwa 1,12 eV (Elektronenvolt). Ein Elektron im Valenzband benötigt mindestens diese Energie, um in das Leitungsband angehoben zu werden.

2. Absorption von UV-Strahlung

UV-Strahlung hat eine hohe Energie, da sie eine kurze Wellenlänge hat. Die Energie eines Photons (Lichtteilchens) ist gegeben durch die Formel:

E=h⋅cλE = \frac{h \cdot c}{\lambda}E=λh⋅c​

• EEE ist die Energie des Photons.

• hhh ist das Planck'sche Wirkungsquantum.

• ccc ist die Lichtgeschwindigkeit.

• λ\lambdaλ ist die Wellenlänge des Lichts.

Für UV-Licht liegt die Energie der Photonen typischerweise im Bereich von 3 bis 10 eV (abhängig von der genauen Wellenlänge des UV-Lichts). Diese Energie ist größer als die Bandlücke von Silizium (1,12 eV).

3. Elektronen-Loch-Paar-Bildung

Wenn ein Photon der UV-Strahlung auf das Silizium trifft, hat es genug Energie, um ein Elektron aus dem Valenzband in das Leitungsband zu heben. Dieser Prozess wird als photoelektrische Absorption bezeichnet. Dabei passiert Folgendes:

• Das Elektron erhält durch das Photon genügend Energie, um die Bandlücke zu überwinden und in das Leitungsband zu gelangen.

• Sobald das Elektron das Valenzband verlässt, bleibt im Valenzband ein Loch (also ein freier Platz für ein Elektron) zurück. Dieses Loch verhält sich ebenfalls wie ein positiver Ladungsträger.

• Dadurch entsteht ein Elektronen-Loch-Paar: ein Elektron im Leitungsband und ein Loch im Valenzband.

Dieses Elektronen-Loch-Paar kann nun zur Detektion von Licht verwendet werden, da beide als Ladungsträger fungieren. Elektronen können im Leitungsband frei bewegt werden (und somit Strom erzeugen), während sich die Löcher im Valenzband bewegen.

TODO

Alle Messgrößen sind auf physikalische Grundgrößen rückführbar (SI-Einheiten)

Fehler in Bild: 683 lm/W

Candela

1. Candela (cd) ist die SI-Basiseinheit für die Lichtstärke. Die Lichtstärke misst, wie viel Licht in eine bestimmte Richtung abgegeben wird. Sie wird in Lumen pro Steradiant (lm/sr) gemessen. Ein Steradiant ist eine Maßeinheit für einen Raumwinkel im dreidimensionalen Raum.

2. Historisch wurde Candela anhand der Strahlung einer Normalkerze (Hefnerkerze) definiert, die einen bestimmten Lichtstrom abgab. Heutzutage wird die Candela präziser durch das photometrische Strahlungsäquivalent definiert, das angibt, wie viel Strahlungsenergie einer bestimmten Wellenlänge der Lichtwahrnehmung des menschlichen Auges entspricht.

3. Das photometrische Strahlungsäquivalent (K_cd) ist eine Konstante, die den Zusammenhang zwischen der strahlungsphysikalischen und lichttechnischen Definition von Strahlung herstellt:

   Kcd=683 lm/WK_{cd} = 683 \, \text{lm/W}Kcd​=683lm/W

   Diese Konstante bedeutet, dass 1 Watt monochromatische Strahlung mit einer Wellenlänge von 555 nm (grünes Licht, wo das menschliche Auge am empfindlichsten ist) 683 Lumen an sichtbarem Licht entspricht.

   • Wenn eine Lichtquelle 1 Watt Leistung bei der Wellenlänge von 555 nm abstrahlt, erzeugt sie 683 Lumen Lichtstrom. Wenn dieser Lichtstrom in einen bestimmten Raumwinkel (Steradiant, sr\text{Steradiant, sr}Steradiant, sr) gelenkt wird, ergibt sich die Lichtstärke in Candela.

   • Formel: Lichtstärke in Candela (cd) ist definiert als Lichtstrom (in Lumen) pro Raumwinkel (in Steradiant):

     1 cd=1 lm /1 sr

   • Beispiel: Wenn du also 1 Watt an Strahlungsleistung bei 555 nm hast, entspricht dies 683 Lumen. Wenn diese Lumen in einen Raumwinkel von 1 Steradiant abgestrahlt werden, hast du 683 Candela.

Lumen

1. Abgegebenes Licht pro Zeit

2. 1 Lumen ist definiert als der Lichtstrom, der von einer Quelle ausgestrahlt wird, die 1 Candela Lichtstärke in einen Raumwinkel von 1 Steradiant abgibt.

3. 1 lm bei einer Wellenlänge von 555 nm entspricht einem Photonstrom von 4,1·10¹⁵ Photonen pro Sekunde

BTW:

Die Energie eines Photons wird durch seine Wellenlänge und die Lichtgeschwindigkeit bestimmt. Photonen sind die Grundbausteine des Lichts und tragen Energie. Diese Energie wird oft über die Wellenlänge (oder Frequenz) eines Photons beschrieben.

Schwingungen in elastischen Medien (Gase, Flüssigkeiten, Festkörper), die sich als

Druckwellen ausbreiten.

• Schall ist eine longitudinale Welle: Die Teilchen im Medium bewegen sich parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle.

• Die Frequenz der Schallwellen bestimmt die Tonhöhe (in Hertz, Hz). Hohe Frequenzen erzeugen hohe Töne, während niedrige Frequenzen tiefe Töne erzeugen.

• Die Amplitude der Schallwelle bestimmt die Lautstärke: Je größer die Druckschwankung, desto lauter erscheint der Schall.

• Schall benötigt ein Medium, um sich auszubreiten. In einem Vakuum (wie im Weltraum) gibt es keinen Schall, da keine Teilchen vorhanden sind, die die Wellen transportieren können.

• Eine Schallquelle erzeugt Druckänderungen: Wenn ein Objekt vibriert, schiebt es die Luftmoleküle abwechselnd zusammen und auseinander, was zu Verdichtungen und Verdünnungen der Luft führt.

  • Verdichtungen: Erhöhter Druck (die Luftmoleküle werden dichter zusammengedrückt).

  • Verdünnungen: Erniedrigter Druck (die Luftmoleküle sind weiter auseinander).

Diese wechselnden Druckänderungen breiten sich im Medium aus und werden als Schallwellen wahrgenommen.

Zusammenhand zwischen Schall und Druckmessung:

Da Schall eine Abfolge von Druckänderungen ist, kann er durch Druckmessung erfasst werden:

• Schalldruck:

  • Der Schalldruck ppp ist die lokale Druckschwankung, die durch eine Schallwelle im Medium erzeugt wird.

  • Er wird in Pascal (Pa) gemessen und repräsentiert die Änderung des Drucks gegenüber dem statischen Luftdruck.

• Schalldruckpegel (SPL):

  • Der Schalldruck wird oft in einer logarithmischen Skala als Schalldruckpegel angegeben, gemessen in Dezibel (dB).

Hierbei ist p0 der Bezugsdruck, der bei 20 µPa (Mikropascal) liegt, das ist der Hörschwellenwert des menschlichen Ohres bei 1 kHz.

• Ein typischer Schalldruck für normales Gespräch liegt bei etwa 60 dB, während ein Flugzeugtriebwerk etwa 120 dB erreichen kann.

** Elastisches Medium

Ein elastisches Medium im Zusammenhang mit Schallwellen ist ein Material (fest, flüssig oder gasförmig), das die Fähigkeit besitzt, sich unter dem Einfluss einer Kraft zu verformen und nach der Verformung wieder in seinen ursprünglichen Zustand zurückzukehren, sobald die Kraft nicht mehr wirkt. Diese elastischen Eigenschaften sind entscheidend für die Ausbreitung von Schallwellen, da die Teilchen in einem elastischen Medium auf Schwingungen reagieren können.

1. Ein elastisches Medium kann bei Verformung (z.B. durch Druck oder Zug) vorübergehend seine Form oder seinen Zustand ändern, aber es besitzt die Tendenz, in den Ausgangszustand zurückzukehren, sobald die verformende Kraft entfernt wird.

2. In einem elastischen Medium, wie Luft oder Wasser, können die Teilchen bei Druckänderungen hin- und herbewegt werden (z.B. durch Verdichtungen und Verdünnungen). Diese Bewegung ist die Grundlage für die Ausbreitung von Schallwellen.

Beispiele

• Elastische Medien:

  • Gase

  • Flüssigkeiten (Schall breitet sich in Wasser schneller aus als in Luft, weil die Moleküle dichter gepackt sind und elastisch miteinander interagieren)

  • Feststoffe

• Nicht elastische Medien

  • Dickflüssige Öle oder Harze: In hochviskosen Flüssigkeiten, wie dickem Motoröl oder Baumharz, wird die Schallausbreitung stark gedämpft. Die Viskosität verursacht, dass die Energie der Schallwelle schnell durch innere Reibung verloren geht.

  • Schaumstoffe

  • Vakuum

Schallkengrößen beschreiben den zustand eines Schallfeldes.

Messgrößen und Einheit

Schallgeschwindigkeit:

Definition: Die Schallgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, mit der sich Schallwellen durch ein bestimmtes Medium ausbreiten. In Luft bei 20 °C beträgt die Schallgeschwindigkeit etwa 343 m/s.

• in Gasen

  • formel oben: Zähler = Kompressibilität

• in Flüssigkeiten

• in Feststoffen

[Schalldruck] = Pa

[Wellenlänge] = m

[Schallschnelle] = m/s (Teilchengeschwindigkeit)

[Schallleistung] = W (Gesamtenergie, die eine Schallquelle pro Zeiteinheit abgibt)

[Schallfluss] = W/m^2 (Schallfluss , der pro Zeit durch eine bestimmte Fläche übertragen wird)

Pegelgrößen und Bezugswerte

BTW Allgemein:

Lautstärke: Physikalische Größe, welche den Schalldruckpegel beschreibt. Sie beschreibt wie stark der Druckunterschied der Schallwelle im Vergleich zum Umgebungsdruck ist.

Lautsärke = Schalldruckpegel

Lautheit: Subjektives maß für die wahrgenomene Stärke eines Schalls durch das menschliche Gehör. Sie hängt nicht nur von der Lautstärke (dem Schalldruckpegel) ab, sondern auch von anderen Faktoren wie der Frequenz des Schalls und der Empfindlichkeit des Gehörs. Durch Norm definiert

Messung: Die Lautheit wird in Phon und Sone gemessen:

• Phon: Eine Maßeinheit für Lautheit, die das subjektive Lautheitsempfinden mit der physikalischen Lautstärke in dB bei 1 kHz vergleicht. Ein Ton hat eine Lautheit von 50 Phon, wenn er so laut empfunden wird wie ein 50 dB starker Ton bei 1 kHz.

• Sone: Eine alternative Einheit für Lautheit, die versucht, das Lautheitsempfinden zu quantifizieren. Ein Ton von 40 Phon entspricht 1 Sone, und doppelt so lauter Schall (subjektiv) entspricht 2 Sone.

Der Schalldruckpegel (Sound Pressure Level, SPL) ist ein Maß für den Druck, den eine Schallwelle auf das menschliche Ohr oder auf ein Mikrofon ausübt. Er wird in Dezibel (dB) angegeben und basiert auf dem Schalldruck, der als Schwankung des Luftdrucks durch die Schallwelle definiert ist.

1. Schalldruck (p) ist die Änderung des Luftdrucks durch eine Schallwelle im Vergleich zum atmosphärischen Druck. Der Schalldruck wird in Pascal (Pa) gemessen.

2. Der Schalldruckpegel LpL_pLp​ wird aus dem Verhältnis des gemessenen Schalldrucks ppp zu einem Referenzwert p0p_0p0​ berechnet. Der Referenzwert p0p_0p0​ beträgt 20 µPa (dies ist der minimale Schalldruck, der vom menschlichen Gehör wahrgenommen werden kann, also die Hörschwelle bei 1 kHz).

Schalldruckpegel (SPL) wird mit Mikrofonen gemessen, die den Druckunterschied in der Luft (in Pascal) erfassen und diesen in einen elektrischen Spannungswert umwandeln, der dann in Dezibel (dB) umgerechnet wird.

Der Schallleistungspegel (Sound Power Level, SWL) ist ein Maß für die abgegebene Schallleistung einer Quelle und wird ebenfalls in Dezibel (dB) angegeben. Er beschreibt, wie viel Schallenergie pro Zeiteinheit von einer Schallquelle in alle Richtungen abgegeben wird.

Schallleistung und Schallleistungspegel:

• Die Schallleistung P ist die gesamte Schallenergie, die eine Quelle pro Sekunde abstrahlt. Sie wird in Watt (W) gemessen.

• Der Schallleistungspegel LWL_WLW​ wird aus dem Verhältnis der abgestrahlten Schallleistung P zu einer Referenzleistung P0 (normalerweise P0=10^−12 W) berechnet.

• “Mechanische Energie” der Druckwelle

• Für Charakterisierung von Schallquellen

Quellenunabhängig von der Umgebung: Der Schallleistungspegel ist eine Eigenschaft der Schallquelle und hängt nicht von der Umgebung oder der Entfernung ab. Dies unterscheidet ihn vom Schalldruckpegel, der von der Entfernung und den Umgebungsbedingungen abhängt.

Messung:

-keine direkte Messung möglich -> indirekte messung durch Bestimmung des Schalldruckpegels in einem definierten Abstand von der Quelle in reflexionsramen Raum oder Messbox. Anschließend Berechnung des Schallleistungspegels Lw über bekannte Formel:

Freifeldverfahren/Hallraumverfahren/Direkte Messung

TODO

Schallwandler allgemein:

Schallwandler sind Einrichtungen zur Umwandlung von Schallwechseldruck in elektrische Signale

Mikrofone:

Mikrofone sind Drucksensoren, die zur Messung von Schallwellen verwendet werden. Sie messen den Schalldruck und wandeln ihn in ein elektrisches Signal um, das analysiert und verarbeitet werden kann.

• Wandlung von Schallwechseldruck in elektrisches Signal

  • Membran folgt Druckschwankung

  • Wabdler an dünne Membran gekoppelt

Bsp.: Kondesatormikrofon:

Membran und Gegenelektrode bilden diese beiden Platten einen Kondensator. Der Abstand zwischen den Platten ist klein und bestimmt die Kapazität des Kondensators.

Wenn Schallwellen auf die Membran treffen, versetzt der Schallwechseldruck sie in Bewegung. Dadurch verändert sich der Abstand zwischen der Membran und der Gegenelektrode, was eine Änderung der Kapazität des Kondensators bewirkt.

Bsp.: Tauchspulenmikrofon:

1. Das Mikrofon besteht aus einer Membran, an die eine Spule aus Draht befestigt ist. Diese Spule befindet sich in einem Magnetfeld eines Permanentmagneten.

2. Wenn Schallwellen auf die Membran treffen, bewegt sich die Membran entsprechend den Schallschwingungen.

3. Durch die Bewegung der Membran wird die Spule in das Magnetfeld hinein und heraus bewegt. Nach dem Induktionsgesetz von Faraday wird durch diese Bewegung eine elektrische Spannung in der Spule erzeugt.

Lautsprecher:

Wandeln elektrische Signale in Schallwechseldruck um

Bsp.: Dynamischer Lautsprecher

1. Ein elektrisches Audiosignal führt zu einer Bewegung der Schwingspule im Magnetfeld.

2. Die Bewegung der Schwingspule setzt die Membran in Schwingungen.

3. Die Membran erzeugt Luftdruckschwankungen, die als Schallwellen wahrgenommen werden.

Ultraschallwandler sind Geräte, die elektrische Energie in Ultraschallwellen (Schallwellen mit einer Frequenz über 20 kHz, außerhalb des menschlichen Hörbereichs) und umgekehrt umwandeln.

Ultraschallwandler arbeiten typischerweise nach dem piezoelektrischen Prinzip oder dem magnetostriktiven Prinzip, wobei das piezoelektrische Prinzip am häufigsten verwendet wird.

Der piezoelektrische Effekt tritt in bestimmten kristallinen Materialien (z. B. Quarz, Keramiken wie Blei-Zirkonat-Titanat, auch PZT genannt) auf. Dieser Effekt funktioniert in zwei Richtungen:

• Direkter piezoelektrischer Effekt: Wenn mechanischer Druck auf ein piezoelektrisches Material ausgeübt wird, entsteht eine elektrische Spannung. Dies wird bei der Detektion von Ultraschallwellen genutzt.

• Umgekehrter piezoelektrischer Effekt: Wenn eine elektrische Spannung an das Material angelegt wird, verformt es sich mechanisch (es dehnt sich aus oder zieht sich zusammen). Dies wird bei der Erzeugung von Ultraschallwellen genutzt.

TODO Video suchen

Die Hörschwelle ist die geringste Schallintensität, die ein Mensch bei einer bestimmten Frequenz gerade noch wahrnehmen kann. Sie stellt den untersten Punkt des menschlichen Hörbereichs dar. Der Hörbereich eines normalen, gesunden Menschen liegt typischerweise bei Frequenzen zwischen etwa 20 Hz und 20 kHz. Die Hörschwelle ist frequenzabhängig und wird am besten bei etwa 1 bis 4 kHz wahrgenommen, wo das menschliche Gehör am empfindlichsten ist.

Die Hörschwelle entspricht einem Schalldruck von 20 µPa bei einer Frequenz von 1 kHz.

Diese 20 µPa gelten als Referenzwert für den Schalldruck bei 0 dB SPL.

Der Schalldruckpegel ist davon abhängig

Druck ist die Kraft pro Flächeneinheit. Es beschreibt, wie stark eine Kraft auf eine bestimmte Fläche wirkt.

Druck ist der Betrag einer Kraft, welche senkrecht zur Oberfläche pro Flächeneinheit wirkt

Die Einheit des Drucks im internationalen Einheitensystem (SI) ist das Pascal (Pa), wobei 1 Pa = 1 N/m² ist.

Fn..Druckkraft

• Skalare Größe (richtungslos)

• Thermodynamische Zustandsgröße

• Feldgröße

  
  

Konzept von Druck:

• Druck entsteht durch die thermische Bewegung von Materie

• Es resultiert eine Druckkraft **

• ohne Materie giebt es keinen Druck (absolutes Vakuum)

**

Die thermische Bewegung von Materie resultiert in Druckkraft aufgrund der kinetischen Energie der Teilchen. Hier ist eine detaillierte Erklärung:

1. Teilchenbewegung: In einem Gas bewegen sich die Moleküle ständig und zufällig in alle Richtungen. Diese Bewegung ist eine Folge der thermischen Energie, die die Teilchen besitzen.

2. Kollisionen: Diese Moleküle stoßen ständig miteinander und mit den Wänden des Behälters zusammen. Bei jedem Zusammenstoß üben die Moleküle eine Kraft auf die Wände aus.

3. Kraft pro Fläche: Die Summe dieser Kräfte, die von den Molekülen auf eine bestimmte Fläche ausgeübt werden, ergibt den Druck. Mathematisch wird dies als Druck

   p=F/A

   beschrieben, wobei (F) die Gesamtkraft und (A) die Fläche ist.

   
   

4. Temperaturabhängigkeit: Je höher die Temperatur, desto schneller bewegen sich die Moleküle, was zu häufigeren und heftigeren Kollisionen führt. Dies erhöht den Druck, da die kinetische Energie der Moleküle direkt proportional zur Temperatur ist.

Si Einheit = Pascal

Weitere Einheiten

atm = Mittlerer Luftdruck in Meereshöhe

Die Standardbedingungen sind definierte Referenzwerte, um Messungen vergleichbar zu machen. In der Physik und Chemie sind häufige Standardbedingungen:

Relativdruck: Druck im Vergleich zu Referenzdruck (Umgebungsdruck)

Absolutdruck: Druck im Vergleich zum absoluten Vakkum

1.) Federrealistische Druckmessung

Methoden:

• Kolbenmanometer

  (auch Druckwaage) Es basiert auf dem Prinzip, dass der Druck eine Kraft auf den Kolben ausübt, die proportional zum Druck ist.

  • Kraft durch auflegen von gewichten

  • Einstellen von Gleichgewicht

  • Hochgenaue Messung möglich (wird für kalinrierzwecke verwendet)

• Federbalgmanometer

  • Spiralfelder üben Gegenkraft auf auf Balg aus

  • Federbalg und Spirafelder sind im Gleichgewicht

  • Druck wirkt auf Balg

  • Durch Druck kommt es zur Verformung, die aan der Skala (im Bild rechts) angezeigt wird

    
    

• Kapselfedermanometer

  • Zwei an Randflächen gasdicht verbundene Plattenfedern (= gwelllete Membranen)

  • Das Medium strömt durch die Öffnung im Federträger

  • Wenn sich der Druck ändert, dehnen sich die beiden Membranen aus oder ziehen sich zusammen. Der Grad der Verformung ist proportional zum gemessenen Druck.

  • Relativdruckmessung

• Federrohrmanometer

  • auch Röhrenmanometer oder Bordonrohr

• Plattenfedermanometer