©Ulm University 2012, Othmar Marti
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Skripte]
16 Ultraschall
16.1 Lernziel
Vergleicht man das mechanische mit dem elektromagnetischen Wellenspektrum, so
erkennt man eine Analogie zwischen US und UV-Strahlung. Bei US handelt
es sich also um einen für das menschliche Ohr unhörbaren, hoch frequenten
Schall.
Frequenzbereich des Ultraschalls
20 kHz - 1 GHz
Diese longitudinalen und im Festkörper auch transversalen mechanischen Wellen
bieten eine Fülle von Anwendungen in Medizin, Technik und Wissenschaft.
Die physikalischen Gründe dafür liegen in der Wechselwirkung von Schallwellen mit
Materie. Genauer gesagt, ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit dieser mechanischen
Wellen im wesentlichen eine Funktion der Dichte und der elastischen Konstanten des
Materials, während die Abschwächung von US-Wellen hauptsächlich im Zusammenhang
mit dissipativen Mechanismen (abhängig vom verwendeten Material), dem
Frequenzbereich, sowie der Anwesenheit äußerer Felder steht.
16.2 Lerninhalte
Erzeugung und Ausbreitung von Ultraschall, Echofolgen, Brechungsgesetz,
Grenzflächeneffekte, elastische Konstanten, Zusammenhang mit der Schallge
schwindigkeit, Grundlagen der Dämpfungsmessung mit Ultraschall, Messung
der Schallgeschwindigkeit mittels Ultraschall, Prinzip der Werkstoffprüfung
mit Ultraschall, Dämpfungsursachen in Metallen, Polyäthylen (Absorption,
Streuung and Inhomogenitäten-Versetzungen), Kontinuumsmechanik (mechanische
Bewegungsgleichung), Methode von Lutsch.
16.3 Aufgaben
- Abgleich des Interferometers (Füllung dest. H2O, eingebaut ist ein 4
MHz Bariumtitanat-Kopf) auf optimale Echofolge durch Justierung der
Reflektorwand.
Klärung der Einstellmöglichkeiten am Prüfgerät USIP II:
Geeichte Verstärkung, Auflösung, Impulsstärke,
Prüfbereich, Werkstoff, Impulsverschiebung, Folgefrequenz, HF-Darstellung,
Frequenzband. Bestimmung der Dämpfungskonstanten
![db dB
X ---bzw.Y -----
cm μsec](FP9x.png) | (16.1) |
- Bestimmung der Longitudinalwellengeschwindigkeit CL (Koppelmittel
Glyzerin) und der Transversalwellengeschwindigkeit Ct (Koppelmittel
”Nonag Stopcock Grease”) sowie der Dämpfungskonstanten αL und αt im
DIN-Prüfkörper mittels 4 MHz-Prüfköpfen. Aus den Schallgeschwindigkeiten sind
der E-Modul, der G-Modul und die Poissonzahl μ zu bestimmen. (Am
Prüfkörper kann das Prinzip der Fehlerortung mit Ultraschall demonstriert
werden.)
- Bestimmung der Größen E, G und μ nach der Methode von Lutsch [2, 3] in
polykristallinem Messing, Aluminium und Kupfer mittels eines 2 MHz-Quarzes.
Deutung der beobachteten Echofolge (fotografieren).
- Man bestimme unter Zugrundelegung eines inkompressiblen Mediums
mit Hilfe der Longitudinalschallgeschwindigkeit (4 MHz-Prüfkopf) den
E-Modul
- einer isotropen Polyäthylenplatte
- einer 8-fach verstreckten Polyäthylenprobe in Verstreckrichtung und
senkrecht dazu.
Worauf ist die Anisotropie zurückzuführen?
- Ausmessung der Echofolge eines Al- oder Cu-Einkristalls (2 MHz-Quarz),
Diskussion des beobachteten Verlaufs im Vergleich zu einem Polykristall.
Außerdem Bestimmung der Größen E, G, μ.
- Vergleiche Aufgabe 3 und Aufgabe 5, nur mit weiteren vom Betreuer
ausgegebenen Proben (Quarz, Silizium etc.)
16.4 Literatur
-
J.u.H.Krautkrämer
- ”Werkstoffprüfung mit Ultraschall” Springer-Verlag Berlin
1966
-
A.Lutsch
- ”Eine einfache Methode zur Messung der elastischen Konstanten mit
Hilfe von Ultraschall-Impulsen” Zeitschrift für angewandte Physik, 4, 166-168
(1952)
-
J.u.H.Krautkrämer
- ”Bedienungsanleitung, Interferometerzusatzgerät, Typ IZ 1”
-
O.Weiß
- Manuskript ”Grundlagen der Physik V” Universität Ulm
-
A.P.Crachnell
- ”Ultrasonics”
-
H.P.Pollard
- ”Sound Waves in Solids”
16.5 Hinweise
Bei Schallgeschwindigkeitsmessungen mit den Prüfköpfen muß dieser auf die
Probe gedrückt werden (Einspannen!). Bei Quarzmessungen nur eine dünne
Koppelschicht verwenden. Proben, Köpfe und Quarze nach Gebrauch mit Methylalkohol
reinigen!
Einkristalle (besonders die polierten Endflächen) schonend behandeln!
Wassertemperatur des Interferometers vor und nach den Messungen protokollarisch
festhalten. Skizzen zur Durchstrahlrichtung machen.
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