Visualisierung von Ultraschallwellen in optisch transparenten Medien

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.