Untersuchungen zur Bestimmung von Krümmungsradien akustischer Grenzflächen mittels Ultraschall

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Schallwellen werden an Materialgrenzen und -Inhomogenitäten reflektiert, gebeugt und gestreut. Dies nutzt man beim Ultraschall-Echoverfahren aus, das in der medizinischen Diagnostik und in der Zerstörungsfreien Prüfung (ZfP) angewendet wird, um optisch nicht sichtbare Grenzflächen, wie z. B. an inneren Organen, Verbindungsflächen oder an Lunkern in Bauteilen, sichtbar zu machen. Typischerweise wird die Amplitude des von der Grenzfläche reflektierten Signals laufzeitproportional zur Anzeige gebracht (ABild). Aus der Laufzeit lässt sich der Abstand des Reflektors ermitteln. Die Amplitudenhöhe hängt von den Materialunterschieden zwischen den zwei aneinandergrenzenden Medien, der Größe und Form des Reflektors sowie seinem Abstand zum Ultraschallkopf ab. Eine Aneinanderreihung von A-Bildem ergibt ein Schnittbild einer verdeckten Struktur (B-Bild). Die Aneinanderreihung von B-Bildern liefert ein 3D-Ultraschallbild, das in grober Form die Topographie verdeckter Grenzflächen abbildet. Für eine Reihe von Anwendungsfeldern an Materialien und an biologischen Geweben (zum Beispiel in der medizinischen Diagnostik und Therapie, in Werkstoffen zur Detektion von Einschlüssen in Materialvolumina, zur Detektion von Blasen in Zweiphasenströmungen, zur Prozessüberwachung bei Wachstumsprozessen durch Kontrolle von gekrümmten Grenzflächen) sind der Abstand und der Krümmungsradius der Grenzfläche die interessierenden Strukturparameter, die quantitativ möglichst genau gemessen werden sollen. Die Bestimmung ist mit dem oben beschriebenen Ultraschallverfahren im Allgemeinen nur grob möglich. Für Anwendungen, die den optischen und mechanischen Verfahren nicht zugänglich sind, soll im Projekt deshalb ein anderer Weg mittels Ultraschall verfolgt werden, bei dem ein Ultraschall-Array aus konzentrischen Ringelementen verwendet wird, dessen einzelne Elemente mit unterschiedlichen Zeitverzögerungen angesteuert werden (synthetische Fokussierung). Die Messung geschieht jedoch nicht bei einer konstanten Fokussierung. Vielmehr variiert man die Fokustiefe gezielt in einem Bereich von mehreren Millimetern vor, auf und hinter der zu messenden Grenzfläche. Je nachdem, in welcher Tiefe der Ultraschall fokussiert wird, ändert sich beim Empfang die örtliche Druckverteilung auf dem Ultraschallwandler, die sich bei geeigneter Wandlerstrukturierung messen lässt. Durch eine Kalibrierung ist damit der Radius der Grenzfläche bestimmbar. Im hier beantragten Projekt sollen die Grundlagen des Verfahrens systematisch untersucht und ein variationsfähiger modularer Messaufbau erstellt werden. Zur Qualifizierung und Weiterentwicklung des Verfahrens ist die Genauigkeit bei der Parameterbestimmung zu ermitteln, und die breitere Anwendbarkeit des Verfahrens ist experimentell zu klären und nachzuweisen.