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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.

Das Konzept der akustischen Impedanz entspricht der elektrischen Impedanz in Schaltkreisen und ist grundlegend für das Verständnis der Wechselwirkung von Ultraschallwellen mit Materialien. Wenn eine Welle, die durch ein Material (Material 1) läuft, auf eine Grenzfläche mit einem zweiten Material (Material 2) trifft, wird ein Teil der Welle reflektiert und ein Teil übertragen. Der Anteil der Reflexion wird durch den Reflexionskoeffizienten ([latex]R[/latex]) quantifiziert, der von den akustischen Impedanzen der beiden Materialien, [latex]Z_1[/latex] und [latex]Z_2[/latex], abhängt.

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 zur Unterscheidung zwischen verschiedenen Geweben und Organen
  • Design akustischer Anpassungsschichten für Wandler zur Verbesserung der Energieübertragung
  • geophysikalische Prospektion mittels seismischer Reflexion zur Kartierung der unterirdischen Geologie
  • Design von Ultraschallreinigungssystemen

Patente:

NA

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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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1922
1925-01-01

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

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