Die akustische Tomographie ist ein Verfahren, welches die Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit in Luft von den meteorologischen Größen Temperatur und Strömung entlang des Ausbreitungsweges nutzt, um aus Messungen der Laufzeit akustischer Signale bei bekannten Positionen der Sender und Empfänger auf die genannten meteorologischen Größen zu schließen. Thema der vorliegenden Arbeit ist die Erweiterung und Optimierung eines solchen akustisch tomographischen Verfahrens zur gleichzeitigen Bestimmung von Verteilungen der Temperatur und der Strömung bei gleicher räumlicher Auflösung sowie dessen Anwendung in Messgebieten mit einer Ausdehnung von wenigen Quadratmetern. Hierfür wurde zunächst ein bestehendes System zur akustischen Laufzeittomographie um einen Algorithmus zur tomographischen Rekonstruktion von vektoriellen Strömungsfeldern erweitert. Auf diese Weise konnte eine Angleichung der Anzahl aufgelöster Strömungsdaten innerhalb einer Messfläche an die Anzahl der ebenfalls tomographisch ermittelten Temperaturwerte erreicht werden. Anhand von Sensitivitätsstudien mit vorgegebenen Verteilungen der meteorologischen Größen in einem Gebiet wurde die Rekonstruktionsgenauigkeit des tomographischen Algorithmus analysiert. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass für eine verlässliche Rekonstruktion des vektoriellen Strömungsfeldes eine gleichmäßige Anordnung der akustischen Sensoren um das gesamte Untersuchungsgebiet zwingend erforderlich ist. Des Weiteren wurde das System hinsichtlich seiner Anwendbarkeit in Messgebieten mit einer räumlichen Ausdehnung ab wenigen Quadratmetern optimiert, ohne Einbußen bei der Genauigkeit der Temperatur- und Strömungsbestimmung verzeichnen zu müssen. Die damit verbundenen höheren Anforderungen an die Genauigkeit, insbesondere der Laufzeitbestimmung, konnten durch eine Anpassung der Hardware sowie den Einsatz spezieller breitbandiger Signale (Maximallängenfolgen) und die Anwendung von Interpolationstechniken erreicht werden. Anhand zweier Messbeispiele wird das Potential des erweiterten und optimierten Systems zur Untersuchung der Homogenität von Messflächen und zur Detektion der räumlichen Variabilität thermisch induzierter Temperatur- und Strömungsmuster demon- striert.

In der Hydraulikindustrie gibt es einen großen Bedarf, mit einer einfachen Methode Volumenstrompulsationen messen zu können. Diese Arbeit beinhaltet die Entwicklung einer neuen Technik, die auf Differenzdruckmessung zwischen zwei Punkten der instationären Strömung basiert. Um die dynamische Antwort des Sensors zu bestimmen, wurde der Zusammenhang zwischen Volumenstrompulsation und Druckdifferenz bestimmt. Die niedrige Eigenfrequenz der vorherigen Sensorversionen wurde mit Hilfe eines optischen Druckwandlers erhöht. Dieser Wandler wurde zu diesem besonderen Zweck adaptiert, einschließlich die Analyse der reflektierenden Membran, die die Druckdifferenz in mechanische Bewegung umwandelt. Es wurde eine kompakte Positionierung der Optik entwickelt, die es ermöglicht, die Verformung der Membran zu messen. Nach der Konstruktion des optischen Sensors wurde er in einem hydraulischen Versuchstand eingebaut. Der Sensor kann die Frequenz des Erregersignals gut messen, jedoch ist die dynamische Antwort des ganzen Systems anders als erwartet. Die Ursache dafür wurde mit einem Rohrleitungsmodell untersucht, das viskose Verluste beinhaltet, aber auch dieses Modell konnte keine hundertprozentige Systemantwort liefern. Die Messungen wurden durch Lufteinschlüsse der Messflüssigkeit und Resonanzfrequenzen des Versuchstandes gestört. Dennoch konnte die Funktion des Sensors bei der Erkennung eines gebrochenen Zahnes einer Zahnradpumpe nachgewiesen werden.

The speed of sound in air mainly depends on temperature and flow properties along the propagation path of acoustic signals. In turn, distributions of these quantities can be determined from sound speed measurements along different propagation paths. In this article, a modular measurement system is presented which is suited to demonstrate the effects of surrounding conditions on the speed of sound, e.g. for educational purposes, and which can be used for an easy testing of new hardware components or algorithms. Underlying mathematical relations are explained and uncertainties are discussed. A sample application of the system within a laboratory shows the effect of local heating on the sound speed along several propagation paths which differ in their spatial distribution with respect to the heating source.

In der Hydraulikindustrie gibt es einen großen Bedarf, mit einer einfachen Methode Volumenstrompulsationen messen zu können. Diese Arbeit beinhaltet die Entwicklung einer neuen Technik, die auf Differenzdruckmessung zwischen zwei Punkten der instationären Strömung basiert. Um die dynamische Antwort des Sensors zu bestimmen, wurde der Zusammenhang zwischen Volumenstrompulsation und Druckdifferenz bestimmt. Die niedrige Eigenfrequenz der vorherigen Sensorversionen wurde mit Hilfe eines optischen Druckwandlers erhöht. Dieser Wandler wurde zu diesem besonderen Zweck adaptiert, einschließlich die Analyse der reflektierenden Membran, die die Druckdifferenz in mechanische Bewegung umwandelt. Es wurde eine kompakte Positionierung der Optik entwickelt, die es ermöglicht, die Verformung der Membran zu messen. Nach der Konstruktion des optischen Sensors wurde er in einem hydraulischen Versuchstand eingebaut. Der Sensor kann die Frequenz des Erregersignals gut messen, jedoch ist die dynamische Antwort des ganzen Systems anders als erwartet. Die Ursache dafür wurde mit einem Rohrleitungsmodell untersucht, das viskose Verluste beinhaltet, aber auch dieses Modell konnte keine hundertprozentige Systemantwort liefern. Die Messungen wurden durch Lufteinschlüsse der Messflüssigkeit und Resonanzfrequenzen des Versuchstandes gestört. Dennoch konnte die Funktion des Sensors bei der Erkennung eines gebrochenen Zahnes einer Zahnradpumpe nachgewiesen werden.

Zugl.: Magdeburg, Univ., Diss., 2008

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Die vorliegende Arbeit untersucht, wie die genaue Kenntnis der Sende- und Empfangsschallfelder eines Ultraschallwandlers zur Entwicklung neuer Meßverfahren genutzt werden kann. Insbesondere werden dargestellt: - ein neuartiges, nichtscannendes Verfahren zur Bestimmung der Krümmung eines Reflektors, basierend auf der Analyse der Wellenfrontkrümmung reflektierter Schallfelder - ein neuartiges, nichtinvasives Verfahren zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit in einer Flüssigkeit durch Auswertung der Echosignale von im Ausbreitungsmedium vorhandenen Streupartikeln und - ein Verfahren zur Wandlercharakterisierung durch Messungen in Fluiden mit Streupartikeln, sowie verschiedene Zuordnungen von Schallfeldmerkmalen zu spezifischen Eigenschaften eines Ultraschallwandlers. Im Zusammenspiel von Simulation und Experiment konnten die Funktionstüchtigkeit aller Meßverfahren nachgewiesen und vielversprechende innovative Ansätze für zukünftige Entwicklungen angeregt werden: 1. Das nichtscannende Verfahren zur Krümmungsmessung erlaubt bei guter Justage eine Krümmungsbestimmung von Reflektoren mit Radien zwischen 6 und 11 mm mit einer Unsicherheit von ungefähr 0,5 mm. In Kombination mit herkömmlichen scannenden Verfahren bietet es Ansätze zur präzisen Größenbestimmung von Fehlern in der zerstörungsfreien Prüfung. 2. Das Verfahren zur nichtinvasiven Schallgeschwindigkeitsmessung erlaubt eine Bestimmung von Schallgeschwindigkeiten mit einer statistischen Meßunsicherheit von 0,1 %. Mögliche Weiterentwicklungen zur Messung der Schallgeschwindigkeit mit örtlicher Auflösung und zur Gewinnung neuer Diagnosemöglichkeiten in Metallurgie (nichtinvasive Charakterisierung von Mischungsvorgängen) und Biomedizintechnik (nichtinvasive Temperaturmessung in Körpergewebe zur Überwachung der Hyperthermiebehandlung, Gewebecharakterisierung) werden erläutert. Aus verschiedenen bekannten sowie einem neuartigen, leicht anwendbaren Meßverfahren werden neue Schlüsse gezogen a) zur Bestimmung der akustisch effektiven Elementgröße von Wandlerelementen mittels Schallfeldmessungen, b) zur Qualitätssicherung im Hinblick auf Schallkopfasymmetrien und c) zur Verbesserung von Schallfeldsimulationen. / The current thesis explores how the precise knowledge of the sending and receiving sound fields of an ultrasonic transducer can contribute to the development of novel measuring techniques. Emphasis is placed on: - a novel, non-scanning method for the determination of the curvature radius of a spherical reflector, based on the analysis of the wave front curvature of the reflected sound field, - a novel non-invasive method for sound velocity measurements in fluids using the echo signals from scattering particles, and - novel conclusions on how to use well-known sound field measurement methods for transducer characterisation, as well as an introduction to a novel easy-to-use method for transducer characterisation exploiting the echo signals from scattering particles. Proof of concept is shown for all methods by simulation and measurement, and different promising improvements for further techniques are suggested: - The non-scanning method for curvature measurements makes it possible to determine reflector radii between 6 and 11 mm with an uncertainty of about 0.5 mm, provided that there is a good reflector alignment. In combination with conventional methods, a novel approach for the determination of the size of discontinuities in non-destructive testing is outlined. - The method for non-invasive sound velocity measurements allows the determination of sound velocity in homogeneous fluids with a statistical uncertainty of 0.1 %. Future improvements are suggested to allow sound velocity measurements with local resolution, which enables novel approaches for metallurgy (non-invasive characterisation of mixing processes) and biomedical engineering (non-invasive temperature control for hyperthermia treatment, tissue characterisation). - New conclusions are drawn based on well-established and a novel easy-to-implement measurement method regarding a) the determination of the acoustically effective element size of transducer elements, b) transducer asymmetries, thereby improving quality control, and c) the improvement of sound field simulations.

Die vorliegende Arbeit untersucht, wie die genaue Kenntnis der Sende- und Empfangsschallfelder eines Ultraschallwandlers zur Entwicklung neuer Meßverfahren genutzt werden kann. Insbesondere werden dargestellt: - ein neuartiges, nichtscannendes Verfahren zur Bestimmung der Krümmung eines Reflektors, basierend auf der Analyse der Wellenfrontkrümmung reflektierter Schallfelder - ein neuartiges, nichtinvasives Verfahren zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit in einer Flüssigkeit durch Auswertung der Echosignale von im Ausbreitungsmedium vorhandenen Streupartikeln und - ein Verfahren zur Wandlercharakterisierung durch Messungen in Fluiden mit Streupartikeln, sowie verschiedene Zuordnungen von Schallfeldmerkmalen zu spezifischen Eigenschaften eines Ultraschallwandlers. Im Zusammenspiel von Simulation und Experiment konnten die Funktionstüchtigkeit aller Meßverfahren nachgewiesen und vielversprechende innovative Ansätze für zukünftige Entwicklungen angeregt werden: 1. Das nichtscannende Verfahren zur Krümmungsmessung erlaubt bei guter Justage eine Krümmungsbestimmung von Reflektoren mit Radien zwischen 6 und 11 mm mit einer Unsicherheit von ungefähr 0,5 mm. In Kombination mit herkömmlichen scannenden Verfahren bietet es Ansätze zur präzisen Größenbestimmung von Fehlern in der zerstörungsfreien Prüfung. 2. Das Verfahren zur nichtinvasiven Schallgeschwindigkeitsmessung erlaubt eine Bestimmung von Schallgeschwindigkeiten mit einer statistischen Meßunsicherheit von 0,1 %. Mögliche Weiterentwicklungen zur Messung der Schallgeschwindigkeit mit örtlicher Auflösung und zur Gewinnung neuer Diagnosemöglichkeiten in Metallurgie (nichtinvasive Charakterisierung von Mischungsvorgängen) und Biomedizintechnik (nichtinvasive Temperaturmessung in Körpergewebe zur Überwachung der Hyperthermiebehandlung, Gewebecharakterisierung) werden erläutert. Aus verschiedenen bekannten sowie einem neuartigen, leicht anwendbaren Meßverfahren werden neue Schlüsse gezogen a) zur Bestimmung der akustisch effektiven Elementgröße von Wandlerelementen mittels Schallfeldmessungen, b) zur Qualitätssicherung im Hinblick auf Schallkopfasymmetrien und c) zur Verbesserung von Schallfeldsimulationen. / The current thesis explores how the precise knowledge of the sending and receiving sound fields of an ultrasonic transducer can contribute to the development of novel measuring techniques. Emphasis is placed on: - a novel, non-scanning method for the determination of the curvature radius of a spherical reflector, based on the analysis of the wave front curvature of the reflected sound field, - a novel non-invasive method for sound velocity measurements in fluids using the echo signals from scattering particles, and - novel conclusions on how to use well-known sound field measurement methods for transducer characterisation, as well as an introduction to a novel easy-to-use method for transducer characterisation exploiting the echo signals from scattering particles. Proof of concept is shown for all methods by simulation and measurement, and different promising improvements for further techniques are suggested: - The non-scanning method for curvature measurements makes it possible to determine reflector radii between 6 and 11 mm with an uncertainty of about 0.5 mm, provided that there is a good reflector alignment. In combination with conventional methods, a novel approach for the determination of the size of discontinuities in non-destructive testing is outlined. - The method for non-invasive sound velocity measurements allows the determination of sound velocity in homogeneous fluids with a statistical uncertainty of 0.1 %. Future improvements are suggested to allow sound velocity measurements with local resolution, which enables novel approaches for metallurgy (non-invasive characterisation of mixing processes) and biomedical engineering (non-invasive temperature control for hyperthermia treatment, tissue characterisation). - New conclusions are drawn based on well-established and a novel easy-to-implement measurement method regarding a) the determination of the acoustically effective element size of transducer elements, b) transducer asymmetries, thereby improving quality control, and c) the improvement of sound field simulations.

In der Arbeit wurde gezeigt, dass mit Hilfe der gewählten zerstörungsfreien und -armen Prüfverfahren der Bezug zu festigkeitsrelevanten Parametern hergestellt werden kann. Insgesamt 58 ungeschädigte und durch Braunfäulepilze geschädigte Nadelholzbalken und daraus hergestellte Prismen wurden mit Ultraschallecho und Bohrwiderstand geprüft und grundlegende Erkenntnisse für die Prüfungen an Holzbauteilen gewonnen. Die Ergebnisse wurden mit zerstörenden Festigkeitsprüfungen kombiniert. Bei den Ultraschallechountersuchungen wurde festgestellt, dass sich für die geprüfte Rohdichtespanne die Schallgeschwindigkeit der Transversalwellen mit steigender Rohdichte erhöht. Ein enger Zusammenhang konnte auch bezüglich des Feuchtigkeitsgehaltes nachgewiesen werden. Nach Durchführung multipler Regressionsanalysen mit der Rohdichte, dem Feuchtegehalt und der Messfrequenz als unabhängige Variablen wurden sehr gute Korrelationen innerhalb der Holzarten ermittelt, so dass die Schallgeschwindigkeit gut abgeschätzt werden konnte. Die Lokalisierung von Ästen und Rissen ist gut möglich. Schädigungen wurden prinzipiell durch Ausbleiben des Echos der Bauteilrückseite detektiert. War der Übergang in Schallausbreitungsrichtung abrupt, wurden die Wellen reflektiert und erzeugten ein Echosignal. Die durchgeführten Bohrwiderstandsuntersuchungen belegen einen Zusammenhang zwischen Bohrwiderstand und Rohdichte sowohl für die Prismen als auch für die geprüften Balken. Die Streuung der Werte der Regressionsanalysen wurde bei Differenzierung der Bohrrichtung und des durchbohrten Bereiches des Balkenquerschnitts reduziert. Zwischen Bohrwiderstand und Rohdichte bestand auch in den Zonen des Schadensübergangsbereiches ein linearer Zusammenhang. An Balken und Prismen wurden Festigkeitsuntersuchungen durchgeführt und die Schadensübergangsbereiche gesondert betrachtet. Eine Differenzierung von Schädigungsgraden war in der Regel möglich. Bei den geschädigten Balken wurde der reale Querschnitt ermittelt und für die weiteren Berechnungen angesetzt. Danach wurde ein mittlerer Zusammenhang von Biegefestigkeit und E-Modul für die pilzgeschädigten Balken festgestellt. Die Kombination der ermittelten Festigkeiten mit dem Bohrwiderstand führte zu mittelgroßen bis starken Zusammenhängen. Die Differenzierung der Bereiche des Schadensüberganges war möglich. Im Hinblick auf die Einschätzung der Biegefestigkeit bestehender Träger wurden multiple Regressionsanalysen mit modifizierten Sortierkriterien, der Rohdichte, dem Feuchtigkeitsgehalt, der Querschnittszone, dem Bohrwiderstand und dem E-Modul durchgeführt und ergaben einen sehr starken Zusammenhang, der das erhebliche Potenzial der entwickelten Methodik bei der Bewertung geschädigter Tragkonstruktionen aufzeigt.

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