PHY11 Debye-Sears-Effekt

1932 zeigten Debye und Sears, dass Licht beim Durchgang durch eine Flüssigkeit, die zu hochfrequenten Schwingungen angeregt wird, eine Beugung erfährt. Mit Hilfe dieses Effektes kann Ultraschall quasi „sichtbar“ gemacht werden. Die von stehenden oder laufenden Ultraschallwelle in der Flüssigkeit erzeugten Dichtemaxima und Dichteminima wirken hierbei wie ein optisches Beugungsgitter. Die Gitterkonstante eines solchen von einer Ultraschallwelle erzeugten Gitters entspricht der Wellenlänge dieser Ultraschallwelle. Sie kann mit Hilfe der Beugungsbilder des Lichtes eines Laserstrahls bekannter Wellenlänge bestimmt werden. Da die Wellenlänge durch Frequenz und Schallgeschwindigkeit definiert wird, kann der Debye-Sears-Effekt in diesem Versuchsaufbau verwendet werden, um die Schallgeschwindigkeit in der durchschallten Flüssigkeit (z. B. Wasser) mit hoher Genauigkeit zu bestimmen.

Die unten stehenden Abbildungen zeigen typische Beugungsbilder für grünes und rotes Laserlicht an einer stehenden Ultraschallwelle in Wasser bei Schallfrequenzen von 3 MHz bis 10 MHz (Schrittweite: 1 MHz). Mit steigender Ultraschallfrequenz vergrößern sich die Abstände der einzelnen Beugungsmaxima, wobei das längerwellige rote Laserlicht stärker gebeugt wird. Die Anzahl der Beugungsordnungen ist im Wesentlichen durch die Übertragungseigenschaften der Schallsonde und die frequenzabhängige Dämpfung bestimmt.

Abstand der Beugungsmaxima in Abhängigkeit von der Schallfrequenz

Beugungsbilder grüner Laser

Beugungsbilder roter Laser