DD228635A1

DD228635A1 - Ultraschall-leistungsmesser

Info

Publication number: DD228635A1
Application number: DD26948384A
Authority: DD
Inventors: Michael Loewe
Original assignee: Reichsbahn Raw Hermann Matern
Priority date: 1984-11-14
Filing date: 1984-11-14
Publication date: 1985-10-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ultraschalleistungsmessung hoeherer Leistung. Das Ziel der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Messung der Ultraschalleistung zu schaffen, durch das auf einfache Weise auf mechanischem Wege durch eine Messvorrichtung die Werte der Ultraschalleistung ermittelt und angezeigt werden. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe dadurch geloest, dass die den Schallstrahl erzeugende Flaeche eines Ultraschallwandlers ueber eine schalldurchlaessige Membran Kontakt zu einem fluessigen Schalluebertragungsmedium hat und der Schallstrahl auf einen Schwimmer in diesem Medium gerichtet ist. Die Schallwellen werden auf die untere hohlkeglig ausgebildete Flaeche des Schwimmers geleitet und ueben auf diese Flaeche einen zeitlich periodischen Wechseldruck und damit eine Kraft auf den Schwimmer aus. Diese Kraft wird durch eine Kraftmesseinrichtung gemessen und angezeigt. Diese Kraft ist der Schalleistung proportional und daher auch ein Mass fuer die Schalleistung des Ultraschallwandlers.

Description

Erfinder: /\

Dipl.-Ing. Löwe, Michael

Ultraschall—Leistungsmesser Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ultraschallleistungsmessung von Ultraschallwandlern höherer Leistung. Nach diesem Verfahren wird die von einem elektroakusti— sehen ültraschallwandler abgestrahlte Schalleistung auf mechanischem Wege unter Ausnutzung der Kraftwirkung von Schallwellen beim Auftreffen auf ein Hindernis mittels einer Meßvorrichtung gemessen und angezeigt":

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen Üblich und bekannt bei der Messung der Schalleistung während des Leistungsbetriebes ist, daß entweder die

aufgenommene elektrische Leistung gemessen oder Schallwandler in das abgegebene Schallfeld eingeführt werden. So wird in der DD-Patentschrift 18 481 ein Verfahren zur Messung der Schalleistung mittels eines Ultraschall—Leistungsmessers beschrieben, bei dem die den Schalldruck erzeugende elektrische Größe unmittelbar am Wandler abgegriffen und über- einen Spannungsteiler dem Leistungsmesser zugeführt wird. Zusätzlich muß die der Schallschnelle entsprechende elektrische Größe von einer Sonde abgegriffen und über ein die Phasenlage bestimmendes Glied den Leistungsmesser beeinflussen. Dabei muß die Resonanz-

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frequenz der Sonde und ihrer verbundenen Teile außerhalb des in Frage kommenden Frequenzbereiches liegen. Dieses Verfahren ist, durch die elektrische Schaltung bedingt, verhältnismäßig aufwendig. Weitere Nachteile sind, daß zur Ermittlung der Schalleistung die Kombination mehrerer elektrischer Größen notwendig ist sowie die den Schalldruck erzeugende elektrische Größe zur Messung herangezogen wird und damit die Gefahr der Fehlmessung besteht. Weiterhin ist nach der DD-Patentschrift 1890 ein Verfahren zur Ultraschalleistungsmessung bekannt, das auf der Strommessung beruht, wobei Wirk- und Blindstrom gemessen werden. Zur Einstellung der richtigen Phasenlage ist ein Kondensator und ein Widerstand in Serie mit der regelbaren Kompensationsspannung geschaltet, da bei einem piezoelektrischen Schwinger das Verhältnis von Blindstrom zu Wirkstrom relativ groß ist. Dieses Verfahren ist jedoch speziell für die medizinische Ultraschall-Therapie entwickelt, also zur Messung geringer Ultraschalleistung und ist zur Messung höherer Ultraschalleistung nicht geeignet.

Außerdem ist nach der DE-Offenlegungsschrift 29 22 537 ein "Gerät und Verfahren zur Messung der Schallintensität" bekannt. Diese Erfindung betrifft ein Gerät zum Messen der Amplitude vonSchallwellen. Gegenstand der Erfindung sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Leistung eines Ultraschallwandlers durch die Verwendung der sehr hohen Schallenergie, die mit bestimmten Mitteln konzentriert wird. Das erfindungsgemäße Gerät benutzt eine Fokussiereinrichtung zum Konzentrieren der Schallwellen, eine Flüssigkeitssäule wird damit nach oben in ein Rohr gerichtet. Die Flüssigkeitssäule ist der Leistung des Wandlers proportional, zur Anzeige der Flüssigkeitssäule ist eine Meßeinrichtung angebracht. Dieses Gerät besitzt eine Vielzahl von Einzelteilen und hat einen komplizierten Aufbau.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Messung der Ultraschalleistung von Ultraschallwandlern höherer Leistung zu schaffen, durch das auf einfache Weise auf mechanischem Wege durch eine Meßvorrichtung die Werte der Ultraschalleistung ermittelt und angezeigt werden. Der nützliche Effekt bei der Anwendung der Erfindung besteht im Vergleich zu den bekannten Lösungen darin, daß das Verfahren rationell und ohne großen Aufwand durchführbar ist und genaue Werte in Form von mechanischen Größen angezeigt werden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Messen der Ultraschalleistung von Ultraschallwandlern höherer Leistung zu schaffen. Das Meßverfahren soll ohne großen Aufwand durchführbar sein und genaue Werte in Form- von mechanischen Größen liefern.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die den Schallstrahl erzeugende Fläche eines Ultraschallwandlers über eine schalldurchlässige Membran Kontakt zu einem flüssigen Schallübertragungsmedium hat und in dem Schallübertragungsmedium ein Schwimmer über dem Ultraschallwandler so angeordnet ist, daß der Schallstrahl auf ihn gerichtet ist. Der Ultraschallwandler ist nach unten schalliso— liert. Die Masse des Schwimmers ist so gewählt, daß er bei Fehlen zusätzlicher Kräfte in dem Schallübertragungsmedium schwebt. Die dem Ultraschallwandler zugewandte untere Fläche des Schwimmers ist als Hohlkegel mit einem stumpfen Öffnungswinkel ausgebildet. Der Schwimmer ist mit einer Kraftmeßeinrichtung verbunden, die jede auf dem Schwimmer ausgeübte Kraftwirkung anzeigt.

Die Schallwellen des Ultraschallwandlers werden durch das Schallübertragungsmedium auf die untere hohlkeglige Fläche des Schwimmers geleitet. Sie üben auf diese Fläche einen zeitlich periodischen Wechseldruck aus, dessen Mit— telwert von Null verschieden ist. Das bedeutet, daß durch' die Schallwellen auf die untere Fläche des Schwimmers eine Kraft senkrecht nach oben ausgeübt wird. Bei diesem Vorgang zentriert sich der Schwimmer wegen der hohlkegligen Ausbildung seiner unteren Fläche selbsttätig im Schallstrahl. Die Kraftwirkung auf den Schwimmer wird durch die Kraftmeßeinrichtung gemessen. Diese Kraft ist proportional der Schalleistung des Ultraschallwandlers und daher auch ein Maß für dessen Schalleistung.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden.

Die Leistungsmessung der Ultraschallwandler wird mittels einer Meßvorrichtung, die in Fig. 1 dargestellt ist, durchgeführt. Die Vorrichtung besteht im wesentlichen aus einem Behälter 1 mit einem schalldurchlässigen Bodenverschluß 13, einem Schwimmer 7, einer Federwaage 10 mit einem Stativ 11 und einer Stativaufnahme 12 sowie einer Wandleraufnahme 6. Der Behälter 1 ist mit einem Schallübertragungsmedium 16, vorzugsweise Wasser, gefüllt und einem Reflexschutz 15, vorzugsweise 2 cm dicker Glaswolle, ausgekleidet, In der Wandleraufnähme 6 ist ein Ultraschallwandler 4 befestigt. Zwischen der Wandleraufnähme 6 und dem Wandler 4 ist ein Schallisolator 5, der als Isolationsschicht ausgebildet ist, angebracht. Über dem Bodenverschluß 13 ist in dem Behälter 1 eine Aluminiumfolie 14 von 3 ... 5 μΐη Dicke eingespannt, um bei Arbeit des Ultraschallwandlers 4 die Wirkung von dadurch verursachten Flüssigkeitsströmungen auf den Schwimmer 7 weitestgehend auszuschalten.

Der Schwimmer 7 ist mit Zusatzgewichten 9 belastet und mit einer Schwimmeraufhängung 8 an der Federwaage 10 aufgehängt, so daß an der Federwaage 10 die Größe der durch die Zusatzgewichte 9 auf den Schwimmer 7 wirkenden Gewichtskraft angezeigt wird.

Beim Einschalten des Ultraschallwandlers 4 sind die Schallwellen durch den schalldurchlässigen Bodenverschluß 13 und das Schallübertragungsmedium 16, das aus Wasser besteht, auf die untere Fläche des Schwimmers 7 gerichtet. Sie üben eine Kraftwirkung auf den Schwimmer 7 aus, die der Kraftwirkung durch die Zusatzgewichte 9 entgegengerichtet ist. Die Differenz der Kräfte wird mit der Federwaage 10 gemessen. Wegen der Proportionalität der Schallkraft und der Leistung kann die Schalleistung des Ultraschallwandlers 4 auf einfache Weise durch Multiplikation der Differenz der Kräfte mit dem Proportionalitätsfaktor ermittelt werden

Der Proportionalitätsfaktor ist wie folgt bestimmt:

sowie

dA

und

S =

aus (2) u. (3):

*S

(1) F₃ = Schallkraft /N/

/IG = Gewichtsdifferenz /N/

(2)

(3)

= Schallstrahlungsdruck

/Nm"²/ β Strahlquerschnitt /cm²/

I = Schallintensität /Wem"²/ ds = Einfallswinkel der

Schallwellen gegen die Kegelfläche des Schwimmers

ν = Schallgeschwindigkeit im Schallübertragungs-

medium /-/ s

dA (4)

mit L = j I dA L = Schalleistung /W/

wird aus (4) F₃ = . L (5)

unter Berücksichtigung von (1) ergibt sich aus (5) As = ² CQS²^. _L

Durch einfaches Umformen von (6) und unter Berücksichtigung der Durchlässigkeit D der Aluminiumfolie 14 ergibt sich die Gleichung

τ - ^v · P A π

womit die Schalleistung des Ultraschallwandlers 4 zu bestimmen ist.

Claims

Erfindungsansprüche

1. Ultraschall-Leistungsmesser mit mechanische Größen anzeigender Meßvorrichtung, gekennzeichnet dadurch, daß auf einen in einem Schallübertragungsmedium (16) befindlichen Schwimmer (7) durch einen von einem Ultra— schallwandler (4) erzeugten Schallstrahl durch den Schallwechseldruck eine Kraft ausgeübt wird, die das Kräftegleichgewicht des Schwimmers (7) verändert und ein Maß für die abgegebene Schalleistung des Ultra— schallwandlers (4) ist.
2. Ultraschall-Leistungsmesser nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Gewichtskraft des Schwimmers (7) ohne und mit durch die vom Schallwechseldruck des von dem Ultraschallwandler erzeugten Schallstrahles auf ihn wirkende Kraft gemessen wird und die Differenz das Maß für die abgegebene Schalleistung des Ultraschallwandlers (4) ist.
3. Ultraschall-Leistungsmesser nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die dem Schallstrahl zugewandte Fläehe des Schwimmers (7) als Hohlkegel mit stumpfem öffnungswinkel ausgebildet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen