Single-Bubble-Sonolumineszenz- Es leuchtet!

[Ka6Pilot]

Guten Abend zusammen,

Kurz zu mir, ich bin Leo, Mitte 20 und seit Jahren stiller Mitleser hier im Forum, fand jedoch bisher nicht die Muße, mein Tun hier vorzustellen. Nun habe ich tatsächlich einmal ein Projekt, was hier im Forum auf Interesse stoßen könnte:

Auf den Seiten von Herrn Rapp ist unter anderem ein Beitrag zum Thema Sonolumineszenz zu finden. Sonolumineszenz beschreibt das Phänomen der schallinduzierten Lichtemission und wurde schon in den 1930er-Jahren bei der Ultraschallbehandlung von Filmmaterial entdeckt. Dieser Versuch weckte zwar mein Interesse, der Aufbau schien aber recht kompiliziert zu werden, sodass das Ganze erst einmal irgendwo in den unteren Zeilen meiner Prioritätenliste verschwand. Kürzlich hat The Tought Emporium ein Video zu genau dem gleichen Thema veröffentlicht, in dem interessanterweise ein weit einfacherer Versuchsaufbau zum Ziel zu führen scheint.

Die grundlegende Idee der Versuchsaufbauten ist es, einen wassergefüllten Rundkolben mittels Piezokeramischem Schallwandler derart anzuregen, dass sich im Inneren eine stehende Welle ausbildet, in deren Knoten eine Luftblase minutenlang festhängen kann. Die Luftblase expandiert und kollabiert durch die herschenden Druckunterschiede mit der Frequenz der Anregung (20- 40 kHz). Dabei wird Licht emittiert. Zum Mechanismus der Lichtemission gibt es zahlreiche Untersuchungen, eine Übersicht kann dieser Artikel geben, auch auf der Infoseite des
erwähnten Videos finden sich zahlreiche wissenschaftliche Publikationen.

Ursprünglicher Versuchsaufbau in Youtube.

Ursprung.png (6.01 KiB) 1783 mal betrachtet

Also flugs bei Ebay eingeloggt, und rund eine Woche später trudelten ein paar dieser Piezoelemente, ein Frequenzgenerator (AD9833) und ein 120W Class-D-Verstärkermodul ein. Der örtliche Laborbedarf versorgte mich mit einem Rundkolben 100 ml NS 29 und einem Stehkolben 100 ml Enghals. Reichelt schickte dazu noch Luftspulen für Frequenzweichen und Mosfettreiber des Typs MCP14E11.
Der MCP14E11 ist ein 2x Low-Side-Driver mit der Besonderheit, dass ein Ausgang invertiert ist. Eine angeschlossene Last kann daher direkt mit einer rechteckförmigen Wechselspannung versorgt werden.
Meine Idee war, zunächst einmal den Aufbau von The Thought Emporium nachzubauen, bis die Parameter Induktivität und Frequenz grob feststehen. Die Induktivität wird dabei von einer 1 mH-Luftspule, in die ein Ferritstab eingeschoben wird, dargestellt.
Der Aufbau sollte anschließend weiter vereinfacht werden, indem der Reihenschwingkreis, der sich aus L1 und der Kapazität des Piezos ergibt, direkt von einem Mosfettreiber mit Wechselspannung versorgt wird.
Kurzum, das Ganze entpuppt sich als ziemliche harte Nuss. Ich habe eine ganze Reihe an Versuchen unternommen und am Ende tatsächlich auf zwei verschiedenen Wegen eine stillstehende Blase erzeugen können, eine Lichtemission war allerdings auch nach 10 Minuten im völlig abgedunkelten Raum nicht auszumachen:

Blase aus Rückkopplungsversuch.

Grundlegendes: Das verwendete Wasser muss möglichst sauber und frei von gelösten Gasen sein. Ich habe abgekochtes Leitungswasser verwendet.
Ich möchte hier nicht alle Versuche ausbreiten, deshalb in aller Kürze die beiden Erfolgreichen:
Versuch I
-Stehkolben gefüllt bis 4,4 cm über Boden, Piezoelement angeklebt mit Sekundenkleber
-Anregung mit Rechteck, größte Amplitude bei 25,080 kHz
-Eintauchtiefe Ferritstab 8 mm
-Blase steht minutenlang still, kein Leuchten zu erkennen.

Versuch II
-Stehkolben aus Versuch I
-Anregung durch Rückkopplung. Gemessene Frequenz: 26,800 kHz
-Eintauchtiefe Ferritstab 21 mm
-Blase steht mehr als 30 min still, ihre Position lässt sich durch Verstellen der Empfindlichkeit des Verstärkers verändern.
Aufbau:

Rückkopplungsversuch

Rueckkopplung.png (2.94 KiB) 1783 mal betrachtet

Während beider Durchgänge war ein schmerzhaftes Pfeifen wahrzunehmen, das Oszillogramm des Tonaufnehmers (Piezo-Bruchstück) zeigte einen stark verzerrten Sinus.

Versuche mit dem Rundkolben waren bisher nicht von Erfolg gekrönt: Obwohl akustischer Eindruck und Oszillogramm anderes vermuten lassen, konnte bisher keine stillstehende Blase beobachtet werden. Der elektrisch gleiche Aufbau wie in Versuch II lieferte eine völlig lautlose Schwingung und folgendes Oszillogramm:

Oszillogramm Rundkolben Rückkopplung

Puh, das ist länger geworden als erwartet... Mittlerweile steckt schon viel Zeit und auch Geld in dieser "Blase", sodass es natürlich schön wäre, sie tatsächlich einmal leuchten zu sehen. Ich freue mich über Kommentare und Ideen und halte Euch bei Interesse gerne auf dem Laufenden.

Grüße, Leo

[Spike]

Grundlegendes: Das verwendete Wasser muss möglichst sauber und frei von gelösten Gasen sein. Ich habe abgekochtes Leitungswasser verwendet.

Hey Leo.
In dem von Dir verlinkten Spektrum-Artikel steht, dass diese Arbeitsgruppe herausgefunden hat, dass die gelösten Gase - speziell die Edelgase - essentiell für die Lichtblitze sind (Argon).
Das mit dem Abkochen oder Entgasen ist also kontraproduktiv.
Schöner Aufbau - Das Sirren könntest Du durch Uhu-Endsieg in den Griff bekommen

[Propeller]

Das funktioniert sogar im Meerwasser. Ich kenne den Effekt von Knallkrebsen, konnte ihn aber leider noch nie filmen oder fotografieren.

[Desinfector]

Nee.

ERSTMAL:
Willkommen im Forum, bei ganz normalen Leuten

Das funktioniert sogar im Meerwasser. Ich kenne den Effekt von Knallkrebsen, konnte ihn aber leider noch nie filmen oder fotografieren.

geht das evtl auch in Richtung Meeresleuchten?

[Spike]

geht das evtl auch in Richtung Meeresleuchten?

Whoa! Wenn das Meer von selbst durch Kavitationsblasen leuchtet, willst Du da nicht in der Nähe sein.
Meeresleuchten ist Bioluminiszenz (Dinoflagellaten) - Bin ich schon mal drin geschwommen (damals-tm).
Wenn wir beim Meer bleiben wäre Elmsfeuer wieder etwas für Igor. Seit die Großsegler weg sind, ist das aber weniger geworden

[Desinfector]

naja die Biolumineszenz kommt durch die Störung der leuchtfähigen Tierchen zustande. Und Störung "im System" ist da ja dann reichlih.

-dachte ich

Elmsfeuer gäbe es heute noch genauso, man kann dank moderner Technik die Unwetter in denen das auftaucht, schon mal umschiffen

[Propeller]

(...)geht das evtl auch in Richtung Meeresleuchten?

Nein. Knallkrebse haben eine speziell geformte Schere, die sie blitzartig schließen können. Dabei entsteht ein extrem scharfer Wasserstrahl, der zu einer Kavitationsblase führt, die mit einem lauten Knacken kollabiert.
Ich habe mir mindestens einen Knallkrebs ins Aquarium eingeschleppt. Anfangs hatte ich echt Angst um meine Scheiben, so laut knackt das. Und im Dunklen kann man dabei sogar manchmal ein winziges, bläuliches Blitzen beobachten.

[Spike]

Grundlegendes: Das verwendete Wasser muss möglichst sauber und frei von gelösten Gasen sein. Ich habe abgekochtes Leitungswasser verwendet.

Das mit dem Abkochen oder Entgasen ist also kontraproduktiv.

Habe mir gerade das Video angesehen - Jetzt verstehe ich auch das "Single"-Bubble Ding.
Also doch gasfreies Wasser. Da beim Eintropfen ja Raumluft eintritt, hast Du Dein Argon mit dabei
Aber wie der Typ ja erzählt ist es essentiell, die Resonanzfrequenz zu erwischen und dann nicht zu viel Energie reinzubraten, damit sich die Blase nicht zerlegt, aber leuchtet

[Nello]

Hallo Leo,
willkommen! Gleich mal OT (Entschuldigung) wegen Neugierde:
Ka6Pilot - E oder CR?

[Ka6Pilot]

Guten Morgen zusammen,

obwohl der Versuch im Video ziemlich leicht aussieht, sind es doch eine ganze Menge Variablen, die beachtet werden müssen:

- Treffen der richtigen Frequenz: Da der Piezo ja in einem Reihenschwingkreis hängt, wird das Ausgangssignal beim Treffen dieser automatisch größer - unabhängig davon, ob man die mech. Resonanz des Kolbens getroffen hat oder nicht. Ich habe daher immer mit entferntem Ferritkern den Bereich von 24-31 kHz durchgesucht, im Falle des Rundkolbens waren dabei 4 kleinere Peaks mit ca. 100- 400 mV p-p sowie ein großes mit 1050mV auszumachen. Daraufhin habe ich im Frequenzbereich des größten Peaks den Ferritstab solange verschoben, bis das Ausgangssignal maximal war - typischerweise mehrere Volt. Hier mangelt es mir auch an Messtechnik: Ein 2-Kanal-Oszilloskop, idealerweise nicht für 40 E aus China wie mein jetziges, wäre wohl angebracht, um Empfänger- und Schwingerpiezo gleichzeitig beobachten zu können.

- Einstellen der richtigen Amplitude: Der Verstärker lässt sich nur über ein kleines Poti einstellen. Zwischen "keine Schwingung" und "Wellenbildung" liegen dabei nur wenige °. Ich werde heute Abend mal einen Spindeltrimmer einlöten, um das feinfühliger verstellen zu können.

- Setzen der Blase: Nach meiner Erfahrung braucht ein Wassertropfen recht viel Energie, um bis in die Mitte des Kolbens vordringen zu können. Er muss also einigen 10 cm Höhe fallen (schwierig zu treffen) oder einen kleinen Schubs durch die Pipette mitbekommen. Das wiederum erzeugt ein ganzes Rudel an Blasen, die - im Falle der Rückkopplungsvariante - das System soweit verstimmen, dass die Schwingung abreißt.

- Frequenzgenerator: Insbesondere mit der Versorgung durch eine Rechteckspannung geht eine Vielzahl an Geräuschen einher. Ein Tickern ca. 1-2 mal pro Sekunde sowie eine Reihe schriller Töne. Ich kann nicht sagen, ob das am Frequenzgenerator liegt oder am mech. Aufbau, der irgendwelche Schwebungen verursacht.
Wo genau, Spike, könnte der Einsatz von Epoxy helfen?

Gruß, Leo

[Spike]

Versuch I
-Stehkolben gefüllt bis 4,4 cm über Boden, Piezoelement angeklebt mit Sekundenkleber
Während beider Durchgänge war ein schmerzhaftes Pfeifen wahrzunehmen, das Oszillogramm des Tonaufnehmers (Piezo-Bruchstück) zeigte einen stark verzerrten Sinus.

Wo genau, Spike, könnte der Einsatz von Epoxy helfen?

Das Cyanacrylat ist doch recht spröde - Vielleicht fiepts ja an der Übergangsstelle am Glas.

[Chefbastler]

Das mit der Resonanzfrequenz kann auch mit nem Class D Audioverstärker verfälscht werden. Der hatt auch nen Tiefpassfilter drin der für Audiofrequnzgang ausgelegt ist und die PWM schön glättet. Und Eckfreuenz liegt meist bei den Dingern etwa bei 20-30Khz, da gibt es dann auch ne gute Phasenschiebung mit der dass dann gut Oszillieren kann.

[sysconsol]

Versuche mit dem Rundkolben waren bisher nicht von Erfolg gekrönt:

Schau dir mal dein Foto vom Aufbau an und frage dich, wie der Schwinger die Energie in die Flüssigkeit bringen soll, wenn er nur punkförmig Kontakt zum Rundkolben hat
Und dann schau dir das erste Foto in deinem Beitrag an.

Du siehst den Unterschied - da bin ich mir sicher.

[Ka6Pilot]

@ Nello: Also zuerst war es eine CR, inzwischen ist daraus eine CR-PE geworden - Flugleistungen ähnlich der E und doch wie maßgeschneidert für meine 1,70m. Ist aber nicht meine eigene, sondern in Vereinsbesitz. Schön, noch einen Segelflieger(?) zu treffen!

@ Spike: Am Anfang hatte ich die Befürchtung auch, insbesondere, dass sich die Geschichte nach einer Weile schlicht abvibriert... Bisher hält der Kleber aber bombenfest. Sowohl Rapp also auch der Youtube-Typ scheinen aber auch Epoxy zu verwenden, ich werde es mal ausprobieren, siehe weiter unten.

@ Syscontrol: Das Problem sollte sich ja bei Verwendung von Epoxy mit einer entsprechend starken Kleberwurst lösen lassen.

@ Chefbastler: Mittlerweile hat sich ein günstiges 2-Kanal- Oszi (Hantek 6022BE) eingefunden- Ist zwar nicht gerade eine Offenbarung, aber damit kann man tatsächlich (im Betrieb mit Sinusgenerator) die Phasenverschiebung von Verstärkereingang und Tonaufnehmer sehen. Wenn man die Frequenz langsam hochdreht, zeigen sich unterschiedliche Schwingungsmoden durch eine veränderte Phasenverschiebung. Zwischen Eingang und Ausgang ließ sich keine veränderliche Phasenverschiebung beobachten.

In den letzten Tagen ging es mehr schlecht als recht voran, ich habe mich aber daran gemacht, nach und nach alle Unbekannten in diesem Versuchsaufbau zu beseitigen.
Zunächst einmal habe ich eine kleine Halterung für Spule und Ferritkern gebaut, die ein (wiederhol)genaues Einstellen der Induktivität ermöglicht:

Außerdem habe ich noch ein TDA 2050-Verstärkermodul bestellt, welches bereits eingetroffen ist. Die (kaum vorhandene) Geräuschkulisse beim Ansteuern des Treiberpiezos lässt vermuten, dass der TDA ein deutlich saubereres Signal ausgibt, als der Class-D-Verstärker. In den nächsten Tagen sollte dann noch ein Rundkolben mit Bördelrand anstatt Normschliff eintreffen, um auszuschließen, dass abgeplatteter Boden oder Schliff die Ausbildung einer sauberen stehenden Welle beeinträchtigen.

Sobald der Rundkolben eingetroffen ist, geht es weiter.

Viele Grüße, Leo

[Nello]

@ Nello: Also zuerst war es eine CR, inzwischen ist daraus eine CR-PE geworden - Flugleistungen ähnlich der E und doch wie maßgeschneidert für meine 1,70m. Ist aber nicht meine eigene, sondern in Vereinsbesitz.

So was, die Variante PE kannte ich noch nicht.

Schön, noch einen Segelflieger(?) zu treffen!

Oh, da gibt es hier einige, und geflogen wird hier alles von Schleicher bis Airbus. Ich selbst bin lang nicht mehr aktiv, dem Thema aber natürlich nahe geblieben.

[Ka6Pilot]

Guten Abend allerseits,

heute ging es endlich mal ein bisschen weiter. Der Rundkolben ist eingetroffen und konnte mit einer Piezoscheibe versehen werden:

Nachdem die fernöstlichen Kollegen auch noch einen Funktionsgenerator "Feeltech FY3200s" geschickt haben (Wahnsinn, was für 40 Euro möglich ist), ist mir beim Herumspielen aufgefallen, dass sich die Resonanzfrequenz des Kolbens stark mit dem Wasserpegel verändert. Ein Tropfen (!) mehr oder weniger kann das Ganze schon völlig außer Resonanz bringen.
Eine stillstehende Blase konnte bei ~65,8 kHz bereits beobachtet werden, eine Lumineszenz leider noch nicht.

Grüße, Leo

[Ka6Pilot]

Guten Abend zusammen,

heute kann ich endlich einen Erfolg vermelden (ist nur schwer zu erkennen, ggf. reinzoomen und Monitor auf volle Helligkeit):

Die Bilder wurden mit einem 100mm Makroobjektiv bei ISO 12.800, f/2,8 und einer Belichtungszeit von 30 s aufgenommen. Um auszuschließen, dass ich nur einen Lichtreflex fotografiere, habe ich die Kamera für die zweite Aufnahme ein Stückchen versetzt. Mit dem bloßen Auge lassen sich die leuchtenden Blasen bloß erahnen, ich wäre mir ohne fotografischen Beweis nicht sicher gewesen.


Viele Grüße, Leo

[Spike]

Glückwunsch - Das ist Wissenschaft

[video6]

Sowas fetzt selber richtig experimentieren