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Bachelorarbeiten.

Aufbau eines Messplatzes zur Schallfeldkartierung von Ultraschall­wandlern mittels Puls-Echo-Messung an einem Drahtreflektor

Daniel Eder

Piezoelektrische Ultraschallwandler werden zur Erzeugung und zum Empfang von Ultraschall verwendet und können daher für unterschiedliche Messapplikationen eingesetzt werden. Häufig ist dabei die Geometrie des Schallfeldes von Interesse. Im Rahmen dieser Bachelorarbeit wurde ein Messplatz aufgebaut, der es ermöglicht die räumliche Ausdehnung der Schallfelder, welche von Ultraschallwandlern erzeugt werden, zu vermessen und als zweidimensionales Bild darzustellen.
Bei dem realisierten Messaufbau wird der Ultraschallwandler an einer festen Position angebracht und kontinuierlich angeregt, während ein dünner Kupferdraht (Drahtreflektor) vor dem Messobjekt inkrementell bewegt wird.  Dieser Draht reflektiert Schallwellen, welche mit dem Wandler als Echosignale wieder aufgezeichnet werden können. Je nach Stärke des Schallfeldes an der jeweiligen Position des Drahtreflektors ergeben sich unterschiedlich große Amplituden des Echos. Durch Auswertung der Echosignale an den einzelnen Messpositionen lässt sich schließlich ein Bild des Schallfeldes erstellen. Der Kupferdraht wird durch eine spezielle Vorrichtung gespannt und mithilfe eines 3-Achsen-Systems positioniert. Der gesamte Messablauf wird von einem PC mit MATLAB gesteuert.
Zusätzlich zur Schallfeldkartierung eines unmodifizierten Ultraschallwandlers wurde im Zuge der Arbeit eine weitere Messung mit einer akustischen Sammellinse vor dem Wandler durchgeführt. Bei beiden Versuchen wurde ein Messbereich von circa 100x80mm mit einem Abtastinkrement von 0,25mm untersucht. Daraus ergeben sich für einen Messvorgang circa 130000 Messpunkte. Das Messergebnis ohne Linse stimmt mit dem idealisierten Schallfeld aus der Theorie im Bezug auf Nahfeldlänge und Abstrahlwinkel sehr gut überein. Die Messung mit Linse zeigt deutlich die Veränderung des Schallfeldes und ein klar ausgeprägtes Fokalgebiet. Auch hier stimmt die gemessene Fokaldistanz sehr gut mit dem theoretisch berechneten Wert überein.

Abbildung 1: In dieser Abbildung ist der Messaufbau zur Schallfeldkartierung von Ultraschallwandlern abgebildet. Abbildung 2: Diese Abbildung zeigt das Ergebnis der Schallfeldkartierung des unmodifizierten Ultraschallwandlers.

Schlagwörter: Ultraschall, Schallfeldkartierung, Ultraschallwandler, Puls-Echo-Messung

09. September 2019