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Messung von Schallfeldern in kavitierenden Medien mit Hilfe eines optischen Faserspitzen-Hydrophons

26.09.2006

Zur Bestimmung des Schallfeldes in einem Ultraschallreinigungsgerät wurde eine faseroptische Messtechnik eingesetzt.

Hochleistungsultraschall wird in Technik, Produktion und Medizin vielfältig angewandt. Die meisten Applikationen beruhen dabei auf dem Mechanismus der Kavitation in Flüssigkeiten als der Entstehung, dem Schwingen und dem Kollabieren von Blasen. Alle dabei auftretenden Prozesse sind nichtlinear und stark von den Umgebungsbedingungen abhängig, was eine systematische Beschreibung sehr stark erschwert. Für praktische Anwendungen benötigt man jedoch quantitative Informationen, um Prozessoptimierungen und Kosteneinsparungen vornehmen zu können. In einem längerfristigen Projekt werden im Fachbereich Schall Methoden entwickelt, wie Schallfelder und Kavitationswirkungen in Reinigungsbädern und Sonochemieraktoren beschrieben werden können.

Zur Bestimmung des Schallfeldes in einem Ultraschallreinigungsgerät wurde im Fachbereich Schall eine faseroptische Messtechnik eingesetzt, um eine höhere Orts- und Zeitauflösung als in den bisherigen Hydrophonmessungen zu ermöglichen. Eine metallbeschichtete Faserspitze - auf verschiedene Weise konfektioniert (Bild 1) - kam als Sensor zum Einsatz, die der Auslenkung der Wasserteilchen im Schallfeld folgt und die daraus resultierende Änderung des optischen Weges in der Faser wurde mit einem Heterodyne-Interferometer gemessen. Aus den Spektren der Zeitverläufe wurden wichtige Parameter wie die Fundamentale, die Subharmonische oder das Kavitationsrauschen bestimmt und mit den Ergebnissen von Messungen mit herkömmlichen Hydrophonen verglichen. Es zeigte sich, dass der Fasersensor ein Signal proportional zur Schallschnelle lieferte, die Informationen über das Kavitationsfeld jedoch sehr ähnlich denen der Hydrophonmessung waren. Die faseroptische Technik verfügte aber über eine sehr hohe räumlich Auflösung, was die Detektion einzelner Kavitationsereignisse ermöglichte.

Photographie eines Fasersensors, der durch eine Hülle aus Polyurethan gegen die Kavitationswirkung geschützt ist Photographie eines Fasersensors, der durch eine dünne Edelstahlkanüle gegen die Kavitationswirkung geschützt ist

Bild 1: Photographien der Fasersensoren, die gegen die Kavitationswirkung geschützt sind, links durch eine Hülle aus Polyurethan, rechts durch eine dünne Edelstahlkanüle

In der Arbeit wurde gezeigt, dass Faserspitzensensoren eine Alternative zu herkömmlichen Hydrophontechniken darstellen. Sie eröffnen neue Lösungsmöglichkeiten für Messaufgaben insbesondere wenn hohe räumliche Auflösung gefordert oder am Messort nur wenig Platz ist.

Ansprechpartner:

Christian Koch, FB 1.6, AG 1.63, ultrasonics@ptb.de