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Erläuterung des Abstrahlwinkels von Ultraschallwandlern: Frequenz, Apertur, Nahfeld und Nebenkeulen

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Erläuterung des Abstrahlwinkels von Ultraschallwandlern: Frequenz, Apertur, Nahfeld und Nebenkeulen

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Ein Abstrahlwinkel muss zunächst definiert werden, bevor er mit einem Zahlenwert belegt werden kann.
Der Begriff „Abstrahlwinkel“ wird oft als eine feste Eigenschaft betrachtet, doch ein Schallwandler strahlt keinen Kegel mit einer scharfen Kante aus. Der Schalldruck variiert kontinuierlich in Abhängigkeit von Richtung und Entfernung. Ein im Katalog angegebener Winkel kann zwischen -3-dB-Punkten, -6-dB-Punkten, einem anderen Schwellenwert oder den ersten Nullstellen gemessen werden; er kann den Sendeschalldruck, die Empfangsempfindlichkeit oder eine kombinierte Impuls-Echo-Antwort beschreiben. Diese Definitionen ergeben unterschiedliche Zahlen für dasselbe Gerät.

Bevor Sie zwei Ultraschallwandler vergleichen, erkundigen Sie sich nach dem Pegelkriterium, dem Vollwinkel oder Halbwinkel, der Messebene, der Entfernung, dem Medium, der Frequenz, der Montageart, dem Ziel oder Empfänger, dem Antrieb und der Signalverarbeitung. Ohne diese Angaben stellen „15 Grad“ und „20 Grad“ möglicherweise keinen tatsächlichen Leistungsunterschied dar.

Der Strahl ist eine räumliche Antwort
Eine aktive Apertur enthält viele Schwingungspunkte. Ihre Wellen überlagern sich im Raum konstruktiv und destruktiv. Auf der Achse können sich die Beiträge verstärken. Außerhalb der Achse verringern Phasendifferenzen die Summe und können Nullstellen und Nebenkeulen erzeugen. Das resultierende Feld hängt von der Wellenlänge im Verhältnis zur effektiven Apertur sowie von der Amplituden- und Phasenverteilung über diese Apertur hinweg ab.

Ein einfacher, gleichmäßig schwingender kreisförmiger Kolben ist hilfreich, um Tendenzen zu verstehen, doch ein handelsüblicher Wandler umfasst zudem ein piezoelektrisches Element, Anpassungsschichten, eine Trägerplatte, ein Gehäuse, eine Schutzfläche, Klebstoff, Krümmung, Dämpfung und die Befestigungsfläche. Diese können die effektive Apertur verändern und ein nicht-axialsymmetrisches Verhalten hervorrufen. Verwenden Sie das Kolbenmodell als Schätzwert und messen Sie anschließend die fertige Baugruppe.