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SO-US (T. Neumann)
SO-US (T, Neumann) (english)

Hochauflösende, schlierenoptische Abbildung von Ultraschallfeldern

Motivation:

Im Forschungs- und Entwicklungsbereich der Ultraschalltechnik besteht laufend die Notwendigkeit, Schallfelder zu charakterisieren bzw. zu vermessen, um das Abstrahlverhalten von Schallwandlern und die Wechselwirkung von Schallfeldern mit den Medien, in denen sich der Schall ausbreitet qualitativ und quantitativ beurteilen zu können. Mit der schlierenoptischen Abbildung von Ultraschallfeldern besteht die Möglichkeit, das Schallfeld direkt sichtbar zu machen und einen räumlichen Eindruck von der Schallausbreitung zu erhalten. Im Vergleich zu herkömmlichen Hydrophon-Messverfahren ist die Schlierenoptik nichtinvasiv und wesentlich schneller durchzuführen.

 

 

The Motivation:

In the field of research and development of ultrasonics there was always some need to measure and characterize acoustic fields. Thereby the emission characteristics of ultrasound transducers and the interaction with media can be evaluated qualitatively and quantitatively. The Schlieren visualization makes the acoustic field visible and thus gives a spatial description of the wave propagation. This method is compared to conventional hydrophone measurement noninvasive und can be accomplished substantially faster.

 

 

Methode:

Die schlierenoptische Messmethode nutzt die Wechselwirkung zwischen Licht und Schall (Akusto-Optischer Effekt). Dabei bewirkt eine Schallwelle in einem Medium, wie z.B. Wasser, periodische Dichteschwankungen, welche als Änderungen des optischen Brechungsindexes eingestrahltes Licht entsprechend ablenkt. Die Schallwelle verhält sich dabei wie ein Beugungsgitter (Bild 1).Bei der Verwendung von gepulsten Lichtquellen und einer definierten Zeitverzögerung zwischen der Lichtaussendung und der Schallabstrahlung entstehen Momentaufnahmen der sich ausbreitenden Schallwelle.

In diesem Projekt wird ein schlierenoptisches Meßsystem mit hohem räumlichen Auflösungsvermögen realisiert. Mit dem System können sowohl Einzelelement-Schallwandler als auch Array-Schallwandler von kommerziellen medizinischen Ultraschallsystemen untersucht werden. Das hohe Auflösungsvermögen erlaubt die genaue und detailreiche Visualisierung von Schallfeldern.

Bild 2a und 2b zeigen die Schlierenaufnahmen von einem 2 MHz-Einzelelement-Schallwandler mit einem Durchmesser von 12 mm. Die Abbildung der Wellenstruktur des Schallfeldes ist detail- und kontrastreich, wobei die zugehörige Wellenlänge des Schallfeldes zu 740 µm gemessen werden kann. Schlierenoptische Aufnahmen von einem fokussierten 10 MHz-Einzelelement-Schallwandler mit einem Durchmesser von 22 mm sind in Bild 3a und 3b zusammengefasst. Das fokussierte Schallfeld wird deutlich abgebildet, und der Fokuspunkt des Wandlers kann eindeutig ermittelt werden. Mit Hilfe von Bild 3b kann die Wellenlänge des Schallfeldes bestimmt werden.

Die Filmsequenz in Bild 4 wurde durch schlierenoptische Momentaufnahmen mit zunehmender Zeitverzögerung erzeugt und zeigt den Übergang einer pulsförmigen 2 MHz-Schallwelle von Wasser in eine Plexiglasplatte mit unterschiedlichen Bohrungen. Man erkennt die Reflektion und die Transmission der einfallenden Schallwelle an der Oberfläche der Plexiglasplatte. Innerhalb der schmalen Bohrung kann eine fokussierte Schallwelle beobachtet werden, während eine kugelförmige Welle innerhalb des Plexiglases zu den Rändern der Platte läuft und dort in das Wasser transmittiert.

 

The Method:

The Schlieren optical method uses the interaction between light and sound (Acousto-optical effect). A sound wave causes a periodic density variation in the transmission medium (e.g. water) and thus a change in the index of refraction. The sound wave behaves like a diffraction grating (Figure 1). The propagation of ultrasound waves can be observed by using a pulsed light source and a defined time delay between ultrasound emission and light irradiation.

 

In this project a Schlieren optical system with high spatial resolution is realized. The measurement of single element transducers and array transducers of commercial ultrasound systems is possible with this setup. The high spatial resolution provides the exact and highly detailed visualization of ultrasound fields.


Figure 2a and 2b shows a Schlieren image from a single element 2 MHz transducer with a diameter of 12 mm. The visualization of the wave pattern of the acoustic field is depicted in great detail and is also rich in contrast. By using an 8 times digital zoom (Figure 2b) the associated ultrasonic wavelength can be measured to 740 µm. The Schlieren results from a 10 MHz focused transducer (diameter: 22 mm) are depicted in Figure 3a and 3b. The focused beam of the transducer is clearly mapped and the focal point can be recognized. By using Figure 3b the measuring of the wavelength of the acoustic field is possible.


The movie in Figure 4 visualizes the transition of a pulsed 2 MHz acoustic wave from water into a Plexiglas plate with different drillings, by showing Schlieren snapshots with incremented time delay. The reflection and transmission of the incident acoustic wave can be observed at the surface of the plate. In the small drilling a focused wave can be recognized, while a spherical wave inside the Plexiglas travels to the edges of the plate and then transmits into water.

Ziel und Ausblick:


Mit der Entwicklung eines hochauflösenden, schlierenoptischen Meßsystems steht ein präzises und effizientes Werkzeug für die Bestimmung von Schallfeldparametern (Wellenlänge, Fokuspunkt, etc.) zur Verfügung. Darüber hinaus bietet das System die qualitative Analyse der Wechselwirkung von Ultraschall und damit die anschauliche Untersuchung von Effekten wie Reflektion, Brechung und Beugung. Zukünftige Entwicklungen der Methodik liegen in der quantitativen Analyse von Schallfeldern durch die Kalibrierung des Systems.

Weitere Informationen unter

Neumann T. Ermert H. Schlieren visualization of ultrasonic wave fields with high spatial resolution, Ultrasonics , Vol. 44 (2006), in press

Flyer: Schlierenoptik

The Target and the outlook:

The development of a Schlieren optical system with high spatial resolution provides an accurate and efficient tool for determining acoustic field characteristics like wavelength, focal point and beam width. Furthermore the setup provides the analysis of wave field interaction and thus the detailed investigation of reflection, refraction and diffraction effects. Future developments of the Schlieren method are the quantitative analysis of acoustic fields by calibrating the system.

Further information

Neumann, T. Ermert H. Schlieren visualization of ultrasonic wave fields with high spatial resolution, Ultrasonics, Vol. 44 (2006), in press

Flyer: Schlieren optical system

   
principle of Schlieren visualization

 

 

Bild 1:
Prinzip der schlierenoptischen Abbildung

Fig. 1:
Physical principle of Schlieren visualization

 

 

 


Bild 2: Schlierenoptische Aufnahmen eines 2 MHz-Schallwandlers                   Bild 3: Schlierenoptische Aufnahmen eines 10 MHz-Schallwandlers
Fig. 2: Schlieren images from 2 MHz transducer                                            Fig. 3: Schlieren images from 10 MHz transducer

Schlieren images 2 MHz and 10 MHz
a) Bildfeld / field of view: 36.4 mm x 26.8 mm
b) Bildfeld / field of view: 4.6 mm x 3.4 mm
   (8-fach digitaler Zoom / 8 times digital zoom)
 

Transition of a 2 MHz acoustic wave in Plexiglas


Bild 4:
Übergang einer 2 MHz-Schallwelle durch Plexiglas (Filmsequenz)

Fig. 4:
Transition of a 2 MHz acoustic wave in Plexiglas (Movie)

 

 
 
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Letzte Änderung: 29.06.2006 | Ansprechpartner: Webmaster