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Innovation Messtechnik 2017

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Inhalt:

Simulation, Erzeugung und Anwendung von hochintensivem Ultraschall

Dipl.-Ing. Dr. Johann Hoffelner

Dipl.-Ing. Dr. Johann Hoffelner
   

Betreuer und 1. Begutachter:

Prof. Dr.-Ing. Reinhard Lerch

2. Begutachter:

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

Rigorosum:

03. Februar 2003

Immer öfter werden leistungsstarke Ultraschallquellen in modernen Anwendungsgebieten, wie medizinischer Ultraschall, Lithotripsie, HIFU Therapie (Hochintensiver, fokussierter Ultraschall), Ultraschallreinigungstechnik, Ultraschallschweißen oder in der Sonochemie verwendet.
Im Gegensatz zu Ultraschallanwendungen, bei denen Wellen mit geringer Druckamplitude ausgesendet werden, treten bei Ultraschallgeneratoren mit großer Leistung nichtlineare Effekte, wie Sägezahn- und Schockwellenbildung, im Ausbreitungsmedium auf.
Diese Effekte sind es, die chemische, metallurgische oder medizinische Abläufe in positiver Weise beeinflussen, sie beschleunigen oder überhaupt erst auslösen.

Da es für die Entwicklung von Hochintensitätsultraschallgeräten noch keine geeigneten Simulationswerkzeuge gibt, werden diese bis heute auf empirischen Wege in langen Designzyklen aufgebaut. Um diesen Vorgang zu beschleunigen, wird in dieser Arbeit die Methode der numerischen Simulation eingesetzt. Basierend auf einer nichtlinearen Wellengleichung, erstmals vorgestellt von Kuznetsov, kann dieses, auf der Finite Elemente Methode basierende Verfahren, für alle 3D-Schallfeld-berechnungen in verlustbehafteten fluiden Medien, eingesetzt werden. Weiters wird in dieser Arbeit eine HIFU-Quelle, wie sie in der medizinischen Thermotherapie eingesetzt wird, aufgebaut.

Schalldruckmessungen bei hoher und niedriger Leistung werden in der Fokusregion der Quelle durchgeführt. Dabei werden Druckamplituden von einigen MPa gemessen. Das nichtlineare Verhalten des Ausbreitungsmediums kann damit nachgewiesen werden.

Um das Finite-Elemente-Methode-Verfahren zu verifizieren, werden die Simulationsergebnisse von ebenen Wellenausbreitungen sowie Kraftdichteberechnungen, welche auf gemittelten Reynold-Stress-Berechnungen basieren, mit analytischen Lösungen verglichen.
Als praktische Anwendung werden Messungen an HIFU-Quellen und Pulsquellensendern vorgestellt.
Die Messergebnisse werden in der Folge mit den Simulationsergebnissen verglichen.
Die gute Übereinstimmung zwischen Messung und Simulation zeigt die praktische Anwendbarkeit dieses Simulationsverfahrens.