Modellierung nicht-spiegelnder Reflexion von Platten mittels quasi-geführter Wellen

Abstract

In einem Lambwellen-basierten Durchflussmessgerät wird üblicherweise Ultraschall von der Rohrwand reflektiert, bevor dieser zum Empfänger gelangt. Der begrenzte Wellenbündel trifft dabei unter dem kritischen Winkel auf die Rohrwand auf. Hieraus resultiert eine sogenannte nicht-spiegelnde Reflexion. Im Gegensatz zur spiegelnden, wird der Schallbündel axial versetzt (Schoch-Verschiebung), verbreitert und es tritt eine Auslöschungszone auf. Es wird gezeigt, dass sich das reflektierte Wellenfeld sehr gut mittels geführter Wellen in der freien Platte beschreiben lässt. Wir berechnen sowohl die Moden der wellenführenden Platte als auch das reflektierte Ultraschallfeld mittels spektraler Kollokation. Im Gegensatz zu einer vollständigen Finite-Elemente-Simulation, hat dieses Modell einen konzeptionellen Vorteil die untersuchten Phänomene lassen sich als Interferenz zwischen schallhart reflektiertem Strahl und quasi-geführten Wellen verstehen. Zudem reduziert sich der Rechenaufwand erheblich. Allerdings stellt die Rechnung eine Näherung dar, da die Platte nicht wirklich frei ist. Quasi-geführte Wellen in der fluidbelasteten Platte lassen sich gut berechnen. Es wäre also wünschenswert, die Rechnung mit diesen sogenannten Quasi-Normal-Moden durchführen zu können. Das Konzept wird in der Optik, Quantenmechanik und Astrophysik bereits erfolgreich angewandt. Diese Möglichkeit soll dementsprechend hier auch diskutiert werden.

Daniel A. Kiefer

Researcher at Institut Langevin

Research in guided elastodynamic waves, fluid-structure interaction, simulation and signal processing for ultrasonic sensors and nondestructive testing.