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Schlierentechnik
Visualisierung von Ultraschallwellen
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Schlierentechnik

Bei der Entwicklung von Ultraschallsensoren ist es wichtig, die tatsächliche Schallabstrahlung des gefertigten Ultraschallwandlers sichtbar zu machen und zu bewerten. Eine faszinierende Möglichkeit, das Schallfeld in transparenten Flüssigkeiten zu visualisieren, bietet die Schlierenmessmethode. Diese erlaubt die schnelle und nichtinvasive zweidimensionale Messung der Schallwechseldruckverteilung (Echtzeit-Visualisierung). Damit besitzt sie einen deutlichen Zeitvorteil gegenüber den sonst häufig eingesetzten Hydrophonmessungen, bei denen der Bilanzraum einzeln Punkt für Punkt mit dem Hydrophon abgefahren werden muss. Bei der Schlierenmessmethode führt die durch eine Schallwelle hervorgerufene Dichteänderung zu einer Modulation elektromagnetischer Strahlung, welche orthogonal zur Schallausbreitungsrichtung den Bilanzraum durchstrahlt. Dieses Schnittbild wird auf einen Bildsensor abgebildet. Ergänzt durch eine optische Filterung kann hierbei je nach wissenschaftlicher Fragestellung die Sensitivität bezüglich ausgewählter Details gezielt angepasst bzw. verbessert werden. Um eine räumliche Darstellung der Schallwechseldruckverteilung zu erhalten, werden die Bildinformationen aus verschiedenen Richtungen miteinander fusioniert, um so über eine tomographische Rekonstruktion ein 3D-Modell des Schallfeldes zu erhalten.

Im Fachgebiet Elektrische Messtechnik wurde ein flexibel einsetzbarer Schlierenmessplatz entwickelt und aufgebaut. Durch den Einsatz moderner optoelektronischer Bauelemente und verschiedener Algorithmen zur Signalauswertung und Bildrekonstruktion gelang bzw. gelingt die systematische Weiterentwicklung dieses Schallfeldvisualisierungsmessplatzes. Der Messplatz wird heute für vielfältige wissenschaftliche Untersuchungen eingesetzt, z.B. zur Charakterisierung von Schallfeldern (Sensorabstrahlcharakteristik) sowie zur Untersuchung des Schwingungsverhaltens mechanischer Bauteile (Eigenschaftsbestimmung von Funktionswerkstoffen) und deren Interaktion mit einem Ultraschallfeld. Weiterhin ist zum Beispiel die Visualisierung des Schallfeldes in Ultraschall-Durchflussmesssystemen möglich.

Unten finden Sie einige mit Hilfe des Schlierenmessplatzes aufgenommene Abbildungen.

Reflexion an Diffusorstrukturen

Zur Charakterisierung von additiv gefertigten Diffusorstrukturen wird die Interaktion eines akustischen Wellenpaketes mit der Oberfläche der Struktur mit Hilfe von Schlierenaufnahmen messtechnisch erfasst. Das umgebende Medium ist Wasser und die Diffusoren bestehen aus rostfreiem Stahl. Als Signal wird ein Gaußpuls mit einer Mittenfrequenz von 2 MHz und einer relativen Bandbreite von 1% genutzt.

Publikationen


Open list in Research Information System

Schlieren imaging with fractional Fourier transform to visualise ultrasonic fields

T. Hetkämper, L. Claes, B. Henning, in: ITG-Fachbericht 303 - Sensoren und Messsysteme - Beiträge der 21. ITG/GMA-Fachtagung, 2022




Erweiterung des Raman-Nath-Modells zur Analyse von Schlierenabbildungen

S. Olfert, B. Henning, Technisches Messen (2016), 83(4), pp. 219-224



Analyse integral erfasster Schallwechseldruckverteilungen in Schlierenabbildungen

S. Olfert, B. Henning, in: XXIX Messtechnisches Symposium, 2015

DOI


Schallfeldcharakterisierung mittels Schlierentechnik

S. Olfert, B. Henning, DEGA and {Deutsche Gesellschaft f{\"u}r Akustik e.V}, 2015, pp. 1560-1561



Influence of angular radiated ultrasound waves on the Schlieren tomogram

S. Olfert, L. Claes, B. Henning, in: Proceedings of the International Conference on Acoustics, DEGA, 2013, pp. 477-480


Rekonstruktion der Phaseninformation aus Schlierenaufnahmen

S. Olfert, B. Henning, 2012, pp. 939-940

In der Ultraschallakustik besteht häufig die Notwendigkeit die räumliche und zeitliche Ausbreitung von Ultraschall zu charakterisieren. Das Schlierenverfahren ist ein schnelles und nichtinvasives Verfahren zur Visualisierung von Ultraschallfeldern in Flüssigkeiten. Bei diesem Verfahren wird eine ebene elektromagnetische Welle an einer Ultraschallwelle gebeugt. Das Beugungsmuster wird durch ein optisches System in der Fourierebene abgebildet. Um die mittlere Helligkeit in der Darstellung der Ultraschallwellen zu eliminieren, erfolgt eine Ortsfilterung in der Fourierebene. Als Ortsfilter werden in der Regel eine Messerschneide oder eine Punktblende eingesetzt. Hierbei wird ein Teil der Fourierebene ausgeblendet und der unbeeinflusste Anteil in Richtung des Bildaufnahmesensors transmittiert. Der Einsatz solcher Amplitudenfilter hat den Nachteil, dass die Phaseninformation einer Schallwelle in der Abbildung der Ultraschallwelle nicht erfasst wird. Der am Fachgebiet Elektrische Messtechnik der Universität Paderborn entwickelte Schlierenmessplatz ist durch ein variables Amplitudenfilter gekennzeichnet. In diesem Beitrag wird ein Verfahren vorgestellt, wie durch Kombination von unterschiedlichen Filtern die Phaseninformation einer Ultraschallwelle rekonstruiert werden kann. Hierzu werden die mathematischen Grundlagen zur Rekonstruktion der Phase hergeleitet und die ersten Messergebnisse vorgestellt.


Validation of analytically modeled Leaky Lamb radiation using Schlieren photography

J. Rautenberg, S. Olfert, F. Bause, B. Henning, 2012

If a guided Lamb wave leaks energy from a plate into a surrounding fluid, the radiated almost plane wave has a frequency dependent angle towards the boundary. This radia- tion angle can be calculated by numerical determination of the plates' phase velocities. We also measured the radiation angle in Schlieren photographs and found a mentionable discrepancy to the calculated angles in certain frequency regions. A first approach by modifying the boundary condition could not re- solve the observed discrepancies, but a reinterpretation of the Schlieren photographs as interference patterns of different Leaky Lamb waves leads to a good correspondence between measured and calculated values.


Vergleich zwischen der Schlierenmethode nach Toepler und der Hintergrundschlierenmethode zur Bestimmung akustischer Grössen eines Ultraschallwandlers

S. Olfert, B. Henning, 2011

Es gibt unterschiedliche Methoden, um räumliche Schallwechseldruckverteilungen in Flüssigkeiten zu erfassen. Viele dieser Verfahren haben zwei Nachteile. Sie sind zum einen invasiv, beeinflussen somit die sich ausbreitende Ultraschallwelle, und zum anderen sehr zeitaufwendig. Die Visualisierung von Ultraschallfeldern mittels Schlierenmethode ist eine schnelle und einfache Methode, um zweidimensionale Schallfelder nichtinvasiv zu analysieren. Ein besonderer Vorteil besteht darin, dass man unmittelbar resultierende Veränderungen im Schallfeld zum Beispiel bei Frequenzänderung, Sensorausrichtung… beobachten kann. In diesem Beitrag werden zwei dieser Verfahren vorgestellt. Die modifizierte Schlierenmethode nach Toepler, das im Weiteren als modifizierte Schlierenmethode bezeichnet wird, und die Hintergrund-schlierenmethode, das sich bisher hauptsächlich zur Strömungsvisualisierung etabliert hat [1]. Im ersten Teil werden beide Messverfahren erläutert, die realisierten Messaufbauten sowie Einsatzmöglichkeiten für die Schallfeldcharakterisierung kurz vorgestellt. Im zweiten Teil werden beide Verfahren verglichen und die Vor- und Nachteile bezüglich ausgewählter Messaufgaben bewertet.


A new method of spatial filtering for Schlieren visualization of ultrasound wave fields

C. Unverzagt, S. Olfert, B. Henning, Physics Procedia (2010), pp. 935-942

DOI


Open list in Research Information System

Ansprechpartner

Tim Hetkämper, M.Sc.

Measurement Engineering

Schlieren technique, Evaluation circuits

Tim Hetkämper
Phone:
+49 5251 60-4944
Office:
P1.5.18.3
Web:

The University for the Information Society