Begrüßung. Experiment zum Nachweis der Dispersion von Lambwellen für das Physikpraktikum

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Ruth Heidrich
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1 Begrüßung Georg Dietrich, GAMPT mbh Experiment zum Nachweis der Dispersion von Lambwellen für das Physikpraktikum 31. PLT 011 TU Chemnitz

2 Firmenvorstellung GAMPT mbh = Gesellschaft für angewandte medizinische Physik und Technik gegründet 1998 an der Universität Halle-Saale langjährige Erfahrungen in der Entwicklung und Herstellung von Ultraschallmesstechnik Entwicklung, Produktion und Vertrieb / Marketing unter einem Dach Tätigkeitsfelder: Ausbildungsgeräte und Zubehör, Medizintechnik, Industriesensorik seit Sommer 010 neuer Standort in Merseburg bei Halle Experimente zu Grundlagen und Anwendungen der Ultraschalltechnik in Medizin, Physik und Ingenieurswissenschaften Bildgebende Verfahren mit Ultraschall (A-Bild, B-Bild, M-Mode, Ultraschalltomographie) Experimente zur Akustooptischen Modulation (Debye-Sears, Dopplerfrequenzverschiebung bei Laserlicht) Anwenderspezifische Experimentiersets für Physiker, Mediziner und Ingenieure 31. PLT 011 TU Chemnitz

3 Versuchsziele Verständnis der Ausbreitungsphänomene von Oberflächenwellen Beschreibung von Lambwellen Dispersion von Schallwellen, Dispersionskurven, Ausbreitungsmoden Zusammenhang zwischen elastischen Konstanten und der Longitudinal- und Transversalschallgeschwindigkeit Anwendung des Brechungsgesetzes Einsatz von Lambwellen in der Materialprüfung (Prüfverfahren für Faserverbundwerkstoffe z.b. CFK-Platten) 31. PLT 011 TU Chemnitz

4 Lambwellen Lambwellen - Biegeschwingung einer dünnen Platte Plattendicke kleiner als die Wellenlänge Zwei gekoppelte Rayleighwellen auf Ober- und Unterseite einer dünnen Platte Ausbreitungsrichtung entlang der Platte Auslenkung der Partikel erfolgt in Ausbreitungsrichtung (longitudinal) und senkrecht zur Ausbreitungsrichtung (transversal) Symmetrischer und asymmetrischer Schwingungsmode symmetrische Lambwelle Auslenkung symmetrisch zur Mittelachse Ausbreitungsrichtung asymmetrische Lambwelle Auslenkung asymmetrisch zur Mittelachse 31. PLT 011 TU Chemnitz

5 31. PLT 011 TU Chemnitz Dispersion von Lambwellen ( ) 1 ; ; 4 tan tan k f c k k k k d d T Lamb L = = = = = ± ν ω β π ω ω ν ω α β αβ α β Rayleighwelle Longitudinalwelle Transversalwelle Lambwellen Phasengeschwindigkeit ist frequenzabhängig Dispersionsgleichung für Oberflächenwellen (Viktorov, 1967) Transzendente Funktion nur numerische Lösungen Mehrere Schwingungsmoden ( Grundmoden A 0 und S 0 )

6 Erzeugung von Lambwellen Anregung der Ultraschallkeramik mit breitbandigem Puls Ankopplung an die Glasplatte mittels Kammstruktur Sendefrequenz und Stegweite bestimmen die Wellenlänge Ausbreitung der Lambwelle entlang der Glasplatte Asymmetrische Anregung Ausbildung des A 0 - Schwingungsmode 31. PLT 011 TU Chemnitz

7 Versuchsaufbau 1 Material: Ultraschallgerät GAMPT-Scan Ultraschallsonde 1 MHz, MHz mit Halterung Lambwellenaufsatz für Ultraschallsonde Spitzenhydrophon Wasserbecken, Sondentisch Stativ, Hubtisch, PC, Ultraschallgel 31. PLT 011 TU Chemnitz

8 Versuchsaufbau Lambwellen werden nahe der Wasseroberfläche ausgekoppelt Transformation in Longitudinalwelle Ausbreitungsrichtung entsprechend Brechungsgesetz sinα = c 1 sin β c c Geschwindigkeit der Lambwelle Lamb = c Wasser t sin(arccos( t A L t t A L 1 1 )) c Lamb = c Wasser ( t 1 ( t L A t t L A 1 1 ) ) 31. PLT 011 TU Chemnitz

9 Durchführung 1 Einstellen des Transmissionsmode, Ausrichten der Sonde und des Hydrophons Justierung auf maximale Amplitude des Lambwellensignals Messung der Laufzeit und der Mittenfrequenz des Spektrums Umschalten in Reflexionsmode Messen des Abstandes Hydrophon Platte (Laufzeitmessung) Schallgeschwindigkeit Wasser Sonde / Kammabstand [mm] / Hydrophonabstand Laufzeit im Maximum [µs] 1480 m/s Frequenz [MHz] Abstand Hydrophon - Platte [µs] Brechungswinkel [grad] Schallgeschwindigkeit Lambwelle [m/s] MHz / K3.0 / A1 19,80 1,75 4,00 35, 567 MHz / K3.0 / A 50,40 1,75 74,00 MHz / K.9 / A1 16,90 1,81 15,10 35,3 566 MHz / K.9 / A 51,30 1,81 71,30 MHz / K.3 / A1 19,00,53 18,60 34, MHz / K.3 / A 50,70,54 71,10 MHz / K3.4 / A1 1,60 1,56 18,00 36, MHz / K3.4 / A 48,10 1,56 60,80 MHz / K.1 / A1 1,30 1,40 15,80 37, MHz / K.1 / A 37,90 1,40 4,00 1 MHz / K.9 / A1 5,60 0,80 1,80 46, MHz / K.9 / A 4,80 0,80 45,60 1 MHz / K.3 / A1 3,60 0,98,10 41, MHz / K.3 / A 45,00 0,99 54,30 1 MHz / K.1 / A1 3,00 1,0 0,0 37, MHz / K.1 / A 45,60 1,0 56, PLT 011 TU Chemnitz

10 Auswertung 1 Dispersion von Lamb-Wellen (1mm Glasplatte) 800,0 600,0 c [m/s] 400,0 00,0 000,0 1800,0 0,50 1,00 1,50,00,50 3,00 F*d [MHz*mm] 31. PLT 011 TU Chemnitz

11 Auswertung Ausbreitungsrichtungen der ausgekoppelten Longitudinalwellen Brechungswinkel entsprechend der Schallgeschwindigkeiten der Lambwellen in der Glasplatte Dispersion von Lambwellen in Glas Schallweg der Lambwelle Wasseroberfläche -0 Y [mm] Glasplatte 1,56 MHz 0,8 MHz,53 MHz X [mm] 0,98 MHz 31. PLT 011 TU Chemnitz

12 Zusammenfassung Anspruchsvoller Grundlagenversuch für das Fortgeschrittenenpraktikum Experiment zu interessanten Phänomenen von Oberflächenwellen Anschaulicher Nachweis der Dispersion von Ultraschallwellen Als Erweiterung zu vorhandenen Geräten möglich Einfacher Versuchsaufbau, unkomplizierte Versuchsdurchführung Mit anderen Versuchen kombinierbar (z. B. Rayleighwellen-Experiment) Diskussion verschiedener Anwendungsmöglichkeiten von Lambwellen in der Technik (z. B. Prüfung von dünnen Platten aus Faserverbundwerkstoffen) 31. PLT 011 TU Chemnitz

13 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! GAMPT mbh Gesellschaft für Angewandte Medizinische Physik und Technik Weitere Informationen unter oder an unserem Stand hier auf der PLT 011! 31. PLT 011 TU Chemnitz

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