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Akustische Impedanz bei Ultraschallreflexion

1920
Wissenschaftler bei der Durchführung von Ultraschallprüfungen zur Messung der akustischen Impedanz in einem Labor.

(Abbildung dient nur zur Veranschaulichung)

Akustik Impedanz ([latex]Z[/latex]) ist der einem Material innewohnende Widerstand gegen akustische Strömung, definiert als seine Dichte ([latex]\rho[/latex]) multipliziert mit seiner Schallgeschwindigkeit ([latex]c[/latex]), also [latex]Z = \rho c[/latex]. Der Prozentsatz der Ultraschall- Die Energie, die an der Grenze zwischen zwei Materialien reflektiert wird, wird durch den Unterschied bzw. die Fehlanpassung der jeweiligen akustischen Impedanzen bestimmt. Dieses Prinzip macht die Erkennung von Fehlern möglich.

The concept of acoustic impedance is analogous to electrical impedance in circuits and is fundamental to understanding how Ultraschall- waves interact with materials. When a wave traveling through a material (Material 1) encounters an interface with a second material (Material 2), part of the wave is reflected and part is transmitted. The amount of reflection is quantified by the reflection coefficient ([latex]R[/latex]), which depends on the acoustic impedances of the two materials, [latex]Z_1[/latex] and [latex]Z_2[/latex].

Für eine Welle bei normalem Einfall ist der Druckreflexionskoeffizient gegeben durch [latex]R = (Z_2 - Z_1) / (Z_2 + Z_1)[/latex]. Die Intensität der reflektierten Welle, die normalerweise gemessen wird, ist proportional zum Quadrat dieses Wertes. Eine große Impedanzabweichung, z. B. zwischen Stahl ([latex]Z ca. 45 mal 10^6[/latex] Pa-s/m) und Luft ([latex]Z ca. 415[/latex] Pa-s/m), führt zu einem sehr hohen Reflexionskoeffizienten (fast 100%). Aus diesem Grund sind interne Risse und Hohlräume, die mit Luft oder Gas gefüllt sind, so leicht mit Ultraschall nachweisbar; sie wirken wie nahezu perfekte Reflektoren.

Umgekehrt gilt: Wenn zwei Materialien sehr ähnliche akustische Impedanzen aufweisen, passiert der Großteil der Schallenergie die Schnittstelle mit minimaler Reflexion. Dieses Prinzip wird bei der Entwicklung von Ultraschall-Koppelmitteln (Gele oder Flüssigkeiten zwischen Wandler und Prüfling) und Wandler-Anpassschichten ausgenutzt. Diese sind so konzipiert, dass sie eine mittlere Impedanz zwischen Wandlerelement und Prüfmaterial aufweisen, um die Energieübertragung zu maximieren und die Signalqualität zu verbessern.

UNESCO Nomenclature: 3301
- Die Akustik

Typ

Physikalisches Prinzip

Störung

Grundlegendes

Verwendung

Weitverbreitete Verwendung

Vorläufer

  • Lord Rayleighs grundlegendes Werk zur Wellentheorie und Akustik ("The Theory of Sound")
  • Studien zur Schallausbreitung in Festkörpern und Flüssigkeiten durch Physiker des 19. Jahrhunderts
  • Entwicklung der Kontinuumsmechanik zur Beschreibung von Materialeigenschaften
  • frühe Sonarforschung, die ein Verständnis der akustischen Reflexion von Objekten erforderte

Anwendungen

  • Zerstörungsfreie Prüfung zur Erkennung von Rissen (Metall-Luft-Grenzfläche)
  • medizinische Bildgebung for distinguishing between different tissues and organs
  • Design akustischer Anpassungsschichten für Wandler zur Verbesserung der Energieübertragung
  • geophysikalische Prospektion mittels seismischer Reflexion zur Kartierung der unterirdischen Geologie
  • Design von Ultraschallreinigungssystemen

Patente:

NA

Potenzielle Innovationsideen

  • development of ‘acoustically invisible’ coatings for stealth applications
  • Gradientenimpedanzmaterialien für eine perfekte Schallabsorption in reflexionsarmen Räumen
  • nicht-invasive Lebensmittelqualitätssensoren, die den Reifegrad durch Impedanzänderungen messen
  • akustische Metamaterialien zur Herstellung von Ultraschalllinsen und Tarnvorrichtungen
  • biokompatible Impedanzanpassungsgele für verbesserte medizinische Ultraschallbildgebung
  • intelligente Materialien mit einstellbarer akustischer Impedanz für adaptive Schalldämmung
  • Ultraschallsensoren zur Erkennung von Verfälschungen in Flüssigkeiten durch Messung von Impedanzverschiebungen
  • High-Fidelity-Akustik-Schwebesysteme mit präzise gesteuerten Impedanzfeldern
  • geologische Untersuchungswerkzeuge, die die Gesteinsporosität durch Impedanzanalyse besser charakterisieren
  • Verbrauchergeräte zur Prüfung der Echtheit von Edelmetallen anhand ihrer einzigartigen Impedanz
Bezogen auf: akustische Impedanz, Reflexionskoeffizient, Ultraschallprüfung, ZfP, Materialeigenschaften, Dichte, Schallgeschwindigkeit, Grenzfläche, Fehlanpassung, Wellenphysik.

Historischer Kontext

Akustische Impedanz bei Ultraschallreflexion

1910
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1920
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1922
1924
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1920
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1925-01-01

(wenn das Datum unbekannt oder nicht relevant ist, z. B. „Strömungsmechanik“, wird eine gerundete Schätzung seines bemerkenswerten Auftretens bereitgestellt)

10. Jahr Jubiläum

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