A hang terjedési sebessége

Hangsebességnek a hanghullámok terjedési sebességét nevezzük. A hangsebesség függ a közegtől és a hőmérséklettől is. A hőmérséklet növekedésével a hang terjedési sebessége is nő, ezt egy tényező segítségével veszik számításba. A levegőben a hang terjedési sebessége ennek megfelelően nem egy egzakt szám, hanem egy hőmérsékletfüggő egyenlet: (331,5 + 0,6*t) m/s, ahol t a hőmérséklet °C-ban megadva. Folyadékokban gyorsabban terjednek a hanghullámok, vízben például sebességük 1484 m/s 20 °C-on. Szilárd anyagokban pedig még ennél is gyorsabban terjednek a hullámok, ami a nagyobb molekulasűrűséggel magyarázható. Gyémántban mintegy 18000 m/s-on terjednek a hanghullámok.

Szintjelzés

A különböző közegek alkotta terekben a két, egymástól eltérő tulajdonságú közegek arányát meg tudjuk mondani, ha kibocsátunk hanghullámokat és figyeljük a visszavert jeleket. 2 referencia jelet alkalmazunk, ami azt jelenti, hogy két kalibrált visszaverődést okozunk két meghatározott helyen elhelyezett akadállyal. A harmadik visszaverődés a két közeg határán lesz. A visszaérkező jelek időkülönbségeiből számítható a terjedési sebesség (t2-t1) és a tartály szintje (t3-t1).

Közegérzékelés

Az első két referencia visszaverődés időbeni távolsága a kalibrált hosszak miatt egyértelműen meghatározza a hang terjedési sebességét az adott közegben. Mivel egy adott közegre megállapítható egy egyértelmű terjedési sebesség, ezért, ha tudjuk a kívánt értéket, akkor meg tudjuk állapítani, hogy a mért jel milyen viszonyban van az elméleti jellel. A mérésnél fontos a hőmérséklet-érzékelés, mivel a hang terjedési sebessége változik a hőmérséklet függvényében. Az ilyen jellegű mérőrendszereknek rendelkezni kell hőmérséklet-korrekcióval.

Hanggerjesztés és érzékelés

Levegőben a hanggerjesztést hangszórókkal tudjuk elvégezni, az érzékeléshez pedig mikrofont használunk. Folyadékokban hasonló elven működő, piezokerámiás hullámgenerátort és érzékelőt használnak.

Példa

Mind a sebességmérést és a szintjelzést is alkalmazza a Continental az Adblue-szenzorában, amely egy érzékelőként alkalmas az Adblue-tartály szintjelzésére és a koncentráció meghatározására. Az Adblue karbamid 32,5 m/m%-os töménységű vizes oldata. Ahhoz, hogy feladatát ellássa, vagyis a kipufogóba befecskendezve ammóniává alakuljon és az SCR-katalizátoron megfelelő hatásfokkal segítse a NOx-ok redukcióját, legalább 31,8 m/m%-os koncentrációjúnak kell lennie.

Felfedezték, hogy az eltérő koncentrációjú folyadékban eltérő sebességgel terjed a hang, ezért a visszaverődések idejéből kikövetkeztethető a hullámok terjedési sebessége és megállapítható a koncentráció. A 0%-os koncentrációban vagyis a tiszta vízben, 20°C-on 1484 m/s a hang terjedési sebessége, az Adblue-ban pedig 1634 m/s ugyanezen a hőmérsékleten. A kettő közötti koncentráció 1484 és 1634 m/s közötti terjedési sebességet eredményez.

Mivel a szenzor alkalmas megállapítani a sebességet, ezért elég a harmadik visszaverődésnek az idejét figyelni, hiszen az eltelt idő és a sebesség szorzata fogja meghatározni a megtett utat, melyből kikövetkeztethető a folyadék szintje a tartályban.

Ugyanilyen elven mérhető a fagyálló koncentrációja a hűtőfolyadékban. A mérés könnyen elvégezhető a kiegyenlítő tartályba „lógatott” mérőeszközzel, mely kalibrált úthosszak megtételéhez szükséges időt mér, és ebből számítja ki a hangsebességet az adott közegben.

Összegzés

A módszer minden olyan közeg esetén használható, ahol valamely alkotó arányának megváltoztatása a terjedési sebességet is megváltoztatja. A koncentráció függvényében lehet, hogy egy függvényt is fel lehet írni, de lehet, hogy csak tapasztalati mérések eredményeit tudjuk felhasználni. Arra minden esetben ügyelni kell, hogy a hőmérséklettel is korrigáljunk, ugyanis az nagy mértékben befolyásolhatja a hangsebességet.