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Inhalt:

Refraktometrische Tomographie zur berührungslosen Messung von Ultraschall in unterschiedlichen Medien

Dr.-Ing. Lizhuo Chen

Dipl.-Ing. Dr. Lizhuo Chen
   

Betreuer und 1. Begutachter:

Prof. Dr.-Ing. Reinhard Lerch

2. Begutachter:

Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Bernhard Zagar

Rigorosum:

16. December 2013

Zur Messung von Ultraschallfeldern in Wasser werden heutzutage standardmäßig Hydrophone eingesetzt. Sie besitzen eine hohe Messgenauigkeit und erlauben Messungen des hochfrequenten Ultraschalls (z.B., f = 20 MHz). Allerdings kommt es auf Grund des Beugungseffekts am Hydrophon selbst und der Abhängigkeit vom Einfallswinkel der Schallwellen zu Messfehlern. Der Vorteil optischer Messmethoden, welche auf der akustooptischen Wechselwirkung basieren, liegt in der Möglichkeit der berührungslosen Messung von Ultraschallfeldern. Die genannten Nachteile von Hydrophonen werden somit vermieden.

Die refraktometrische Tomographie (Englisch: Light Refractive Tomography, LRT) wurde lange Zeit als eine vereinfachte Variation der optischen Beugungstomographie (Englisch: Light Diffraction Tomography, LDT) unterschätzt. Auf Basis einer gründlichen Analyse relevanter wissenschaftlicher Veröffentlichungen lässt sich jedoch festhalten, dass die refraktometrische Tomographie die einzige Messmethode ist, welche die folgenden Vorteile vereint: LRT-Messungen sind berührungslos und richtungsunabhängig; zudem liefern sie zeitaufgelöste Ergebnisse des Druckes. In der vorliegenden Arbeit wird die Entwicklung eines zuverlässigen, effektiven LRT-Verfahrens zur Messung von Ultraschallfeldern im Hinblick auf folgende Eigenschaften vorangetrieben:

  • Genauigkeit: Mit Hilfe numerischer Simulationen werden potenzielle systematische Messfehler quantitativ analysiert. Danach werden effektive Methoden entwickelt, mit denen sichergestellt werden kann, dass kritische Fehlerquellen nur geringe Auswirkungen auf die Messergebnisse haben (< 1%). Die Unsicherheit der LRT-Messungen in Wasser ist typischerweise kleiner als 15% und liegt damit im Bereich der Unsicherheit von LDT-Messungen.
  • Effektivität: LRT ist besonderes effektiv für die Rekonstruktion von Schallfeldern in verschiedenen Schnittebenen. Mit dem optimierten LRT-Verfahren wird weniger als eine Stunde benötigt, um eine Schnittebene eines Schallfeldes mit einer räumlichen Auflösung von 0,2 mm zu rekonstruieren. Im Gegensatz dazu dauert bei gleicher Auflösung die Messung mit einem Hydrophon ca. 12 Stunden.
  • Anwendbarkeit: Mit dem in dieser Arbeit entwickelten Messaufbau können Schallfelder, welche von beliebig geformten Ultraschallwandlern erzeugt werden, rekonstruiert werden. Außerdem ist das Verfahren unabhängig von der Frequenz des Ultraschalls. Auf Grund des berührungslosen Verfahrens können zudem auch Ultraschall hoher Intensität ohne Gefahr der Zerstörung von Messinstrumenten gemessen werden. Da die akustooptische Wechselwirkung in Gasen, Flüssigkeiten und Festkörpern existiert, können mittels des entwickelten LRT-Verfahrens Ultraschallfelder beliebiger Intensität und Frequenz in unterschiedlichen Medien gemessen werden, ohne den Messaufbau zu verändern.
  • Auszeichnung gegenüber anderen etablierten Methoden: LRT eignet sich für Ultraschallmessungen bei Anwesenheit von Grenzflächen, welche Reflexionen des Ultraschalls verursachen. In der Arbeit werden mehrere Messungen vorgestellt, welche mit allen anderen etablierten Techniken nicht möglich sind: die Messung eines gestörten Schallfeldes einer konventionellen Hydrophonmessung sowie die Rekonstruktion von Schallfeldern in Wasser und Polymethylmethacrylat (PMMA). Bei der Messung von Ultraschallfeldern hoher Intensität liefert LRT keine zusätzlichen Kavitationskeime, was einen weiteren Vorteil des Verfahrens darstellt. Die Wiederholbarkeit von LRT-Messungen ist somit weitaus höher als jene von Hydrophonmessungen.

Zu Beginn der Arbeit werden das Messprinzip und die zugrunde liegenden mathematischen Zusammenhänge erläutert. Anschließend wird detailliert auf das Messverfahren eingegangen. Dazu wird der Messaufbau vorgestellt, die Bestimmung der Messparameter, die Minimierung der systematischen Fehler sowie die Ausführung der Messungen erklärt und die Messergebnisse analysiert. Im Anschluss werden Vor- und Nachteile des LRT-Verfahrens an Hand der Präsentation verschiedener Messungen dargelegt. Dabei wird das LRT-Verfahren zur Messung von Ultraschall in Wasser, Luft, PMMA und in einer Kombination mehrerer Medien verwendet. Zudem wird gezeigt, dass das entwickelte Verfahren auch im Rahmen der Messung von hochintensivem Ultraschall (maximaler Schalldruck > 1 MPa) akzeptable Ergebnisse liefert. Abschließend wird die Arbeit zusammengefasst und ein Ausblick auf mögliche zukünftige Forschungen gegeben.

Abbildung 1: Skizze des LRT-Messaufbaus.

Abbildung 1: Skizze des LRT-Messaufbaus.

 

Abbildung 1 zeigt den LRT-Messaufbau. Die LRT-Messung basiert auf der akusto-optischen Wechselwirkung. Ein schmaler Laserstrahl breitet sich durch das, vom Ultraschallwandler erzeugte, Schallfeld aus und wird vom Reflektor zum Laser-Doppler-Vibrometer (LDV) zurückgeworfen. Der Brechungsindex des Mediums (z.B. Wasser) wird vom Ultraschallfeld beeinflusst, was zu einer optischen Wegdifferenz führt. Die Wegdifferenz ist proportional zum Integral der Änderung des Brechungsindexes und wird mit dem LDV erfasst. Die Integralgleichungen können mit Hilfe der Computertomographie gelöst werden, d.h. einer Rekonstruktion des Brechungsindexes. Der Schalldruck ist das Produkt aus Brechungsindex und piezo-optischem Koeffizienten und kann nach der Rekonstruktion berechnet werden.

Abbildung 2 : Photo des LRT-Messaufbaus in Wasser.

Abbildung 2 : Photo des LRT-Messaufbaus in Wasser.

Abbildung 3 : Amplitude des Schalldrucks in einem Abstand von 25,4 mm von Ultraschallwandler. (a) LRT-Messung, (b) Hydrophon-Messung (zylindrisch fokussierter Ultraschallwandler, Brennweite = 25,4 mm, Frequenz = 1 MHz).

Abbildung 3 : Amplitude des Schalldrucks in einem Abstand von 25,4 mm von Ultraschallwandler. (a) LRT-Messung, (b) Hydrophon-Messung (zylindrisch fokussierter Ultraschallwandler, Brennweite = 25,4 mm, Frequenz = 1 MHz).

Keywords: refraktometrische Tomographie, Ultraschall, akusto-optische Wechselwirkung, Laser-Doppler-Vibrometer, berührungslos, richtungsunabhängig, zeitaufgelöst, Absolutmessung