Volume 86, Issue 2 - 4. Workshop „Messtechnische Anwendungen von Ultraschall“ 2018 im Kloster Drübeck / Guest Editor: Bernd Henning

For its usage in simulation-based design processes a precise knowledge of the employed material properties is inevitable. In the case of piezoelectric ceramics, the provided material parameters often suffer from large uncertainties and even inconsistencies since the standardised measurement procedure needs several specimens to determine a single set of material parameters. In contrast, the presented measurement set-up allows to calculate material parameters using one unique disc-shaped specimen with an optimised electrode topology. Using an inverse problem approach, fitting material parameters can be found using an optimisation procedure.

Zusammenfassung Die Untersuchung von Schallausbreitung in periodischen Strukturen ist aktuell von großem Interesse für eine zielgerichtete Beeinflussung von Schallwellen in einem großen Frequenzbereich. Hierbei liegt der Fokus insbesondere auf den phononische Kristalle (PnK’s), einer periodische Anordnung von Streuzentren in einer Matrix. PnK’s können neben anderen Anwendungen, wie der Sensoranwendung oder der Nutzung als effektiver Wellenleiter, als Schallisolator dienen. In dieser Arbeit wird ein neuartiger PnK aus einer periodischen Anordnung von Zylindern untersucht, welcher zur Schallisolation verwendet werden kann. Zunächst wird die Struktur simuliert, dabei wird ein achsensymmetrisches Modell mit einem 3D-Modell verglichen. Im Anschluss wird die simulierte Geometrie gefertigt und vermessen.

Structural waves transmitted solely through the pipe wall influence the accuracy in a clamp-on ultrasonic flow measurement system because of the superposition with the signals of interest. To improve the measurement against temperature variations, an algorithmic compensation of the structural waves using a temperature model is required. This paper proposes a temperature model for structural waves, using the Matching Pursuit method. In the first section, a sparse signal representation is presented to approximate the structural wave signals. The resulting signal coefficients are used to describe the temperature dependency in a linear model. The method is validated using measurements of structural waves in a circular pipe over a temperature range between 20°C20\hspace{0.1667em}^\circ \text{C} and 80°C80\hspace{0.1667em}^\circ \text{C}. Based on these measurements, the accuracy of the approximated temperature model is evaluated and compared against the baseline signal-stretch method.

Zusammenfassung Bei Hyperthermiebehandlungen ist eine ortsaufgelöste Temperaturüberwachung für eine erfolgreiche Krebstherapie notwendig. Dieser Beitrag stellt ein Verfahren vor, das es erlaubt, nicht nur relative Temperaturänderungen zu erfassen, sondern eine konkrete Zuordnung einer Temperatur zu einem Messpunkt durchzuführen. Mithilfe von Ultraschall-Annular-Arrays wird die Longitudinalwellengeschwindigkeit in Gewebephantomen gemessen. Die aufgenommenen Signale werden synthetisch fokussiert und die Signalenergie bei Variation des Fokussierungsregimes ausgewertet. Die Funktionsfähigkeit und die erreichbare Genauigkeit werden anhand modelltheoretischer Betrachtungen bestätigt. Abschließend wird die Leistungsfähigkeit des Verfahrens anhand der Überwachung eines Heizvorgangs demonstriert.

Zusammenfassung Ein Zug, der durch einen Tunnel fährt, kann abhängig von seiner Geschwindigkeit eine starke Druckwelle verursachen. Diese kann unter ungünstigen Bedingungen die Druckverhältnisse im Tunnelentwässerungssystem negativ beeinflussen. Um diesen Effekt zu untersuchen, wird ein Messsystem benötigt, das die Strömungsverhältnisse im Drainagerohr sowohl für Luft als auch für Wasser mit hoher zeitlicher Auflösung misst. Da Bahntunnel meist ein sehr geringes Gefälle aufweisen, kann es unter Umständen auch zur kritischen Richtungsumkehr der Strömung von zunächst Luft und dann auch Wasser kommen. In diesem Beitrag wird ein ultraschallbasiertes Messsystem vorgestellt, das die simultane vorzeichenrichtige Messung der Strömungsgeschwindigkeiten von Luft und Wasser ermöglicht. Es basiert auf dem akustischen Laufzeitdifferenzverfahren und ist zur Erfassung von Strömungsgeschwindigkeiten im Bereich weniger cm/s bis maximal m/s geeignet. Der Aufbau des Messsystems wird vorgestellt und anschließend seine Leistungsfähigkeit anhand von Messdaten gezeigt.

Zusammenfassung In der Öl- und Gasproduktion wird nach der Bohrung ein Stahlrohr, genannt Futterrohr, in das mehrere Kilometer tiefe Bohrloch eingeführt und der Ringraum zwischen Rohr und Gestein, genannt Annulus, mit Zement verfüllt. Die vollständige Füllung des Ringraums mit Zement bewirkt eine hydraulische Isolation der verschiedenen Produktionszonen: jegliche Flüssigkeits- oder Gasbewegung außerhalb des Futterrohres wird unterbunden, um mögliche Verschmutzung von Grundwasserschichten und Unfälle zu verhindern. Um die korrekte Füllung des Ringraums zu überprüfen, wird der Zement im Annulus nach Aushärtung in-situ durch akustische Messungen vermessen. Solche zerstörungsfreien Messungen müssen unter harschen Bedingungen (Sensortechnik und Elektronik arbeiten bei Drücken bis zu 2000 bar und Temperaturen bis zu 200°C) von der Innenseite des Futterrohres ausgeführt werden. Diese Messung soll mögliche Kanäle erkennen, die zu unerwünschten Flüssigkeits- oder Gasbewegungen außerhalb des Futterrohres führen können. Die genauesten Messungen basieren auf Ultraschalltechniken, die entweder den Abklang der natürlichen Resonanz des Futterrohres ausnutzen oder die Eigenschaften der niedrigsten symmetrischen und antisymmetrischen Schwingungsformen von Lambwellen im Futterrohr basieren. Das Gesamtvolumen aller Zementevaluierungsmessungen in der Öl- und Gasindustrie beläuft sich pro Jahr auf mehrere Milliarden Euro.