Nichtinvasive Schallgeschwindigkeitsmessung in Fluiden auf Basis von Streupartikelechos
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Michael Lenz
Zusammenfassung
Bei konventionellen Messmethoden wird die Schallgeschwindigkeit unter Zuhilfenahme des Rückwandechos oder des Echos eines Reflektors an bekannter Position ermittelt. Diese Veröffentlichung stellt ein neues Verfahren vor, mit dessen Hilfe eine kombinierte Messung von Schallgeschwindigkeit und Entfernungen in Fluiden mit Streupartikeln möglich ist. Das Verfahren nutzt aus, dass das von einem Streupartikel stammende Echosignal maximal ist, wenn sich das Streupartikel an der Position des Schallfeldmaximums befindet. Über die Messung der Schalllaufzeit zwischen Ultraschallwandler und Schallfeldmaximum ist es möglich, die Position des Schalldruckmaximums und die Schallgeschwindigkeit zu bestimmen. Die Veröffentlichung veranschaulicht das Konzept anhand von Messungen in Fluiden mit Schallgeschwindigkeiten zwischen 1116 m/s und 2740 m/s, wobei ein fokussierender Ultraschallwandler mit Linse verwendet wurde. Dabei konnte eine statistische Unsicherheit bei der Bestimmung der Schallgeschwindigkeit von weniger als 0,1% erreicht werden. Zusätzliche Experimente und Simulationen mit einem Annulararray zeigen, dass die Fokusposition ohne Bewegung des Wandlers variiert werden kann, und somit die Messung von Schallgeschwindigkeitsprofilen möglich ist.
Abstract
With conventional methods sound velocity is determined by means of the back wall echo or a reflector at a known position. This paper presents a novel approach for combined measurement of both the sound velocity and the distance in fluids with scattering particles. The basic idea is that the echo becomes strongest when the scattering particle is located within the maximum of the sound field, and thus the position of that maximum along the measuring depth is related to the respective time of flight. The paper gives a proof of concept by measurements in fluids covering the wide range of sound velocities between 1116 m/s and 2740 m/s with an ultrasonic transducer equipped with a lens. In a detailed measurement using water at different temperatures, an uncertainty of the velocity determination of less than 0.1% was achieved. Further experiments and simulations with an annular array demonstrate that the focus position can be varied without moving the transducer, and thus sound velocity profiles can be measured.
© by Oldenbourg Wissenschaftsverlag, Dresden, Germany
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