8. – 10. Schuljahr

Marc Scholl und Alexander Pusch

Low-Cost- und High-End-Lärmampel

Lerngelegenheiten über Akustik und über Störeinflüsse bei der Messung kleiner Größen

Was ist lauter: Tischerücken oder Klatschen? Womit kann man Schall am besten isolieren? Welchen Einfluss haben der Abstand und Winkel zur Schallquelle? Eine Lärmampel ist ein beliebtes Instrument zum Akustikmanagement z.B. während Arbeitsphasen in Schulklassen. Sie ermöglicht aber auch die physikalische Beantwortung der eingangs genannten Fragen durch den Vergleich der Schallintensitäten verschiedener Quellen sowie der Untersuchung des Einflusses von Abstand, Winkel oder Dämmmaterialien auf die Intensität. Neben den Experimenten können beim Auslesen und Interpretieren der Sensordaten des Mikrofons mit Microcontrollern typische Probleme der Signalverarbeitung wie Auflösungsvermögen und Störeinflüsse thematisiert werden.
Dieser Beitrag stellt zwei Varianten von Lärmampeln mit Arduinos vor, die im Regelunterricht eingesetzt oder mit Schülerinnen und Schülern in Projektphasen bzw. AGs nachgebaut und programmiert werden können. Die Low-Cost-Variante (s. Abb. 1 rechts) ist einfach und mit zusätzlichen LEDs beliebig skalierbar. Die High-End-Variante (s. Abb. 1 links) ist mit LED-Leuchtstreifen und (optionalen) Bauteilen aus dem 3D-Drucker optisch sehr ansprechend.
Funktionsprinzip der Lärmampel
Das Funktionsprinzip einer Lärmampel ist einfach: Ein Lautstärkepegel wird gemessen und je nach Grenzwert als optisches Signal dargestellt. Dieses Prinzip lässt sich gut mit einem Arduino umsetzen: Ein Mikrofon mit integriertem Verstärker (Details s. Kasten 1) bestimmt den Schallpegel und liefert eine von der Messgröße abhängige vorverstärkte Spannung, die an einem der analogen Eingänge des Arduinos ausgelesen wird. An die digitalen 5-V-Ausgänge des Arduinos werden LEDs samt passendem Vorwiderstand geschaltet und entsprechend dem Pegel angesteuert (s. Abb. 2; ausführliche Anleitung unter http://www.physikkkommunizieren.de).
Kasten 1|Informationen: Mikrofon
Kasten 1|Informationen: Mikrofon
Wir verwenden für die Lärmampel das günstige, fertig konfektionierte Breakout-Modul Typ MAX4466 mit Elektret-Kondensatormikrofon (ca. 20Hz – 20 kHz) und integriertem Vorverstärker (ca. 25 – 125×), der am Ausgang eine Gleichspannung liefert. Andere Module mit Vorverstärker sind auch möglich, unverstärkte Mikrofone eignen sich nicht.
Das Modul ist für Spannungen von ca. 2,2 – 5,5 V ausgelegt und kann seine Versorgungsspannung daher direkt vom Arduino beziehen. Dazu sollte der 3,3-V-Kreis verwendet werden (s.a. zu Störeinflüssen auf die Messung kleiner Größen). Für die Operationscharakteristik sowie weitere Informationen z.B. zum Einfluss von Temperatur und Versorgungsstromstärke auf die Messgröße s. „Datenblatt MAX4466 (z.B. unter https://cdn-shop.adafruit.com/datasheets/MAX4465-MAX4469.pdf).
Die Schaltung der Low-Cost-Variante wurde in ähnlicher Form schon im Internet oder z.B. in [1], S. 90, vorgestellt. Der dort und häufig auch in anderen Quellen beschriebene Programmcode ist einfach, aber leider suboptimal: Nach der Messung wird das Programm zum Anzeigen und „Halten des Lärmpegels auf den LEDs mittels delay() pausiert (vgl. z.B. [1]). In dieser Zeit, in der die LEDs leuchten, aber das Programm pausiert, werden keine neuen Messwerte aufgenommen, sodass ggf. zwischenzeitlich auftretende Schallpegel nicht erfasst werden können. Das in diesem Beitrag beschriebene Programm löst dieses Problem. Es zeigt zudem nicht einfach nur den momentanen Wert an, sondern hält den erreichten Schallpegel eine Zeit lang „fest und lässt ihn langsam abfallen. Dadurch können auch kurze, große Intensitäten vom Betrachter erfasst werden.
Einsatz der Lärmampel
Aufgestellt auf dem Pult oder montiert an der Tafel ist die Lärmampel ein Instrument zum Akustikmanagement sowie ein Lautstärkemessgerät. Die Messwerte können über einen seriellen Monitor/Plotter ausgelesen und...

Weiterlesen im Heft

Vorteile im Abo

Exklusiver Online-Zugriff auf die digitalen Ausgaben der abonnierten Zeitschrift
Print-Ausgabe der abonnierten Zeitschrift bequem nach Hause
Zusatzvorteile für Abonnenten im Online-Shop genießen