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Abbildung 4.38: Ubersicht der Ausbreitungsparameter von Rayleighund Lambwellen an der festussigen• Grenz ache• .

Sowohl bei Rayleighwellen als auch bei Lambwellen gehen die Phasengeschwindigkeiten und die Abstrahlungskoe zienten fur• den Grenzfall einer unendlich dicken Flussigkeitsschicht• nicht in die Phasengeschwindigkeiten und die Abstrahlungskoe zienten fur• den Grenzfall eines Kontaktes zu einem Flussigkeitshalbraum• uber•. Der Grund hierfur• ist, dass es sich bei einer Flussigkeitsschicht• immer um eine Wellenleiteranordnung mit Ruckre• ektion der Schallwellen an der Flussigkeitsober• ache• und bei einem Flussigkeits•- halbraum um ein o enes System ohne Ruckre• ektion der Schallwelle handelt. Zur Berechnung der Ausbreitung von Rayleighund Lambwellen muss je nach technischer Gegebenheit der Sensoranwendung entschieden werden, ob es sich hierbei um eine resonante Struktur einer Flussigkeitsschicht• mit Ruckre• ektion oder um ein o enes System mit Flussigkeitskontakt• ohne Ruckre• ektion handelt.

4.2Schlierenmessungen

4.2.1Grundlagen der Schlierenmessungen

Zur Veri kation der Ausbreitungsparameterberechnungen werden Schlierenoptische Messungen durchgefuhrt•. Bei dem Schlierenverfahren handelt es sich um ein Verfahren, mit dem man optische Inhomogenitaten• in transparenten Medien sichtbar machen kann [107]. Im Fall von Ultraschallwellen in einer Flussigkeit• fuhrt• die Dichteschwankung, die mit der Ausbreitung

einer Druckwelle einhergeht, zu einer optischen Inhomogenitat• und damit zu einer Beugung bzw. Ablenkung des Lichts.

Der zur Messung verwendete Schlierenoptikaufbau besteht aus einer gepulsten Laserdiode, einen Strahlaufweiter, zwei gro e Linsen, einem Flussigkeits•- becken, einem Mikrospiegel und einer Kamera mit einem CMOS-Chip und einem Objektiv (Abbildung 4.39).

Wasserbehälter

Abbildung 4.39: Schlierenoptikmessaufbau zur Visualisierung von Schallwellen in Flussigkeiten•.

Die Laserdiode erzeugt einen kurzen Lichtpuls, der durch den Strahlaufweiter die erste gro e Linse achig• beleuchtet. Diese erste gro e Linse ist so positioniert, dass das durchlaufende Licht kollimiert wird. Die ebene Lichtwelle durchlauft• sodann das Flussigkeitsbecken• und wird mit der zweiten gro en Linse auf einen Ort fokusiert. Dieser Ort wird Fourierebene genannt [107, 108]. In der Fourierebene steht der Mikrospiegel. Der Mikrospiegel ermoglicht• eine Filterung des Lichtes in der Fourierebene [108]. Das vom Mikrospiegel gezielt abgelenkte Licht wird uber• ein Kameraobjektiv auf einen CMOS-Chip abgebildet, der das Lichtsignal in ein elektrisches Signal umwandelt.

Breitet sich in dem Flussigkeitsbecken• eine Schallwelle aus, so kommt es zu Dichteschwankungen, die Beugungsobjekte fur• die durchlaufenden Lichtstrahlen darstellen. Es kommt zu einer geringen Ablenkung der zuvor parallelen Lichtstrahlen. Dies Ablenkung fuhrt• in der Fourierebene zu einer

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Anderung im dort abgebildeten Beugungsmuster [107]. Durch den Mikrospiegel wird eine Hochpa lterung in der Fourierebene durchgefuhrt,• indem ein mittiger kreisformiger• Ausschnitt des Beugungsmusters nicht auf den CMOS-Chip abgebildet wird. Auf diese Weise kann die Phaseninformation der Dichteschwankung in der Flussigkeit• bzw. der Ausbreitung einer Schallwelle in der Flussigkeit• in eine Amplitudeninformation uberf•uhrt• werden

4.2.3Ergebnisse der Schlierenmessungen

Fur• die erste Schlierenaufnahme be ndet sich der Einphasenwandler oberhalb der Flussigkeitsober• ache• (Abbildung 4.40 a)). Der Schallwandler wird in diesem Fall mit einem Sinussignal angesteuert.

akustische Welle

A0 Lambwelle

Abbildung 4.41: Schlierenoptische Aufnahme des Abstrahlungsverhaltens einer Platte, die mit einem Einphasenwandler, der oberhalb der Flussigkeitsober• ache• liegt, angeregt worden ist.

In der Schlierenaufnahme (Abbildung 4.41) ist deutlich eine gewinkelte Abstrahlung von der Platte in die Flussigkeit• zu sehen. Diese Abstrahlung kann klar der Modenkonversion der angeregten antisymmetrischen Lambwellengrundmode (A0) in einer Druckwelle zugeordnet werden (siehe Kapitel 4.2.4). Ferner ist auf der Plattenober ache• eine zweite Abstrahlung mit einer deutlich gro• eren Wellenlange• ( = 4; 6 mm) als die Wellenlange• der antisymmetrischen Lambwellengrundmode ( = 3 mm) zu sehen. Mit einer Anregungsfrequenz von 1 MHz und einer akustischen Wellenlange• von= 4; 6 mm lasst• sich eine Phasengeschwindigkeit dieser akustischen Welle von vakustische W elle = 4600 m=s berechnen. Die Phasengeschwindigkeit dieser Welle ist etwas geringer als die logitudinale Schallwellengeschwindigkeit in der Glasplatte von vl;Glas = 5654 m=s und deutlich gro• er als

die Phasengeschwindigkeit der antisymmetrischen Lambwellengrundmode vA0 = 2210 m=s. Neben der antisymmetrischen Lambwellengrundmode kann sich auf einer Platte mit einem Frequenz-Plattendicke-Produkt von 1MHz mm noch die symmetrische Lambwellengrundmode (vgl. Abbildung 4.33) und eine Kopfwelle [109, 110] ausbreiten. Aus den Schlierenbildern kann jedoch keine eindeutige Aussage uber• die Wellenart dieser weiteren angeregten akustischen Welle getro en werden. Weitere Untersuchungen sind deshalb notwendig, um diese o ene Fragestellung zu klaren•.

Die Abstrahlung dieser zusatzlich• angeregten akustischen Welle zusammen mit der Abstrahlung der antisymmetrischen Lambwellengrundmode sind verantwortlich fur• das Interferenzmuster, das deutlich in Abbildung 4.41 zu erkennen ist.

Taucht man den Messaufbau weiter in das Wasser ein, sodass der Einphasenwandler gerade unterhalb der Wasserober ache• ist (Abbildung 4.40 b), so kann die Schlierenaufnahme von Abbildung 4.42 gemacht werden.

Verglichen zur Schlierenaufnahme mit dem Einphasenwandler oberhalb der Flussigkeitsober• ache• (Abbildung 4.41) ist eine zusatzliche• Abstrahlung zu sehen, die der A0 Lambwellenabstrahlung teilweise uberlagert• ist. Diese zusatzliche• Abstrahlung kann aufgrund der Versuchsdurchfuhrung• eindeutig dem Schallwandler zugeordnet werden, der sich in diesem Fall unterhalb der Flussigkeitsober• ache• be ndet (Abbildung 4.39 b).

Wird der Messaufbau noch weiter in das Wasser eingetaucht, dann kommen zusatzliche• Schallanteile hinzu (Abbildung 4.43). In dieser Aufnahme wurde der Schallwandler gepulst und nicht kontinuierlich angesteuert. Aufgrund der Versuchsdurchfuhrung• der Eintauchung konnen• die drei Abstrahlungen neben der Lambwellenabstrahlung eindeutig dem Einphasenwandler zugeordnet werden, die die Abstrahlungscharakteristik des Einphasenwandlers darstellen.

Mit dem Verfahren der Schlierenoptik ist es ebenso moglich• die zeitliche Ausbreitung von Schallwellen in einer Flussigkeit• zu beobachten (vgl. Kapitel 4.2.1). Abbildung 4.44 zeigt die zeitliche Ausbreitung von allen in die Flussigkeit• abgestrahlten Schallwellen, die durch einen Einphasenwandler zu den Zeitpunkten 0 s (Abbildung 4.44 a), 2 s (Abbildung 4.44 b), 8,5 s (Abbildung 4.44 c) und 11,5 s (Abbildung 4.44 d) angeregt worden sind. Der Einphasenwandler ist in den Schlierenaufnahme mittig an der Plattenruckseite• angebracht. Es sind deutlich zwei gewinkelte Abstrahlungen und eine Abstrahlung senkrecht zur Plattenober ache• zu erkennen.

A0 Lambwelle

Abstrahlcharakteristik Wandler

Abbildung 4.42: Schlierenoptische Aufnahme des Abstrahlungsverhaltens einer Platte, die mit einem Einphasenwandler, der knapp unterhalb der Flussigkeitsober• ache• liegt, angeregt worden ist.

4.2.4Vergleich des Lambwinkels mit Berechnungen

Um die gewinkelte Abstrahlung der antisymmetrischen Lambwellengrundmode mit den Berechnungen der Global-Matrix-Methode zu vergleichen, wird in die Schlierenaufnahme von Abbildung 4.41 der AbstrahlungswinkelL eingezeichnet (Abbildung 4.45).

Der aus der Schlierenaufnahme gemessene Winkel betragt•

Bei dem Winkelmessabweichung von 5 handelt es sich um einen Maximalabweichung, da die abgestrahlte Lambwellenfront aufgrund von Beugungs- e ekten und Interferenzmustern leicht gekrummt• ist.