2.2.1 Massewellen

2.2.1 Massewellen

Ultraschall

nach [6] [9] [14]

In der Messtechnik wird Ultraschall im Frequenzbereich 20kHz bis in den MHz-Bereich [9] verwendet, wobei die hohen Schallfrequenzen in der Luft stärker gedämpft werden als die niederen. Die klassische Dämpfungsursache ist die Reibung. Hier muss jedoch die molekulare Schallabsorption ⁱ berücksichtigt werden, da sie einen stärkeren Einfluss ausübt. So beträgt die Abnahme der Schallamplitude in der Luft 12% auf 5mm bei einer Frequenz von 1MHz [14]. Weiter erfährt ein Ultraschallsignal erhebliche Richtungsänderungen durch Brechung, Beugung und Reflexion, da die Atmosphäre meistens inhomogen ist ⁱⁱ. Dies macht es schwierig, ein Signal zu bündeln (zur Zeit erreichbarer Öffnungswinkel 10° [16]). Eine starke Bündelung würde jedoch eine zielgerichtete Reflexion ermöglichen und die Eindeutigkeit einer Messung erhöhen.

Der Einfluss, der oben angesprochenen Inhomogenität der Atmosphäre kann abgeschätzt werden. Der Fehler der Schallaufzeit und somit auch derjenige der Messung wird nach [9] folgendermassen angegeben:

Lufttemperatur

± 0.17%/K , Bezogen auf 20°C Lufttemperatur ändert sich die Schallgeschwindigkeit bei etwa 40°C um +3.5%.

Luftfeuchte

Die Schallgeschwindigkeit nimmt zwischen trockener und feuchtigkeitsgesättigter Luft um höchstens 2% zu.

Luftdruck

Übliche atmosphärische Schwankungen (± 5%) beeinflussen die Schallgeschwindigkeit um etwa ± 0.6%. Bei hohem Vakuum und Überdruck ist keine Schallausbreitung möglich.

Luftströmung

Unter den üblichen Umweltbedingungen sind Abweichungen in der Schallgeschwindigkeit ohne nennenswerte Bedeutung (bei Windgeschwindigkeiten ab 50^km/_h sind jedoch Änderungen von Geschwindigkeit und Richtung um mehr als 3% nicht auszuschliessen).

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ⁱ nach [14]
„Diese lässt sich bei mehratomigen Gasen folgendermassen beschreiben: Wird einem Molekül Energie zugeführt, so kommt diese nicht alleine der Translation, also der Schallausbreitung zugute, sondern auch der Drehung. Die inneren Freiheitsgrade der Rotation werden angeregt. Erst nach einer gewissen Zeit, der Relaxationszeit, stellt sich ein Gleichgewicht zwischen Translations-, Rotations- und Schwingungsenergie ein.“

ⁱⁱ nach [6]
Dieses Verhalten beruht unter anderem auf folgendem Zusammenhang: „Je höher die Frequenz ist, desto gradliniger breiten sich die Ultraschallschwingungen aus und verhalten sich wie Lichtstrahlen. Es gilt [...] das aus der Optik hergeleitete Reflexions- und Brechungsgesetz.“

Berührungslose Distanzmessung 28.3.98 stefan.gachter@ieee.org