Messaufbau zur interferometrischen Schallfeldmessung mit tomografischer Rekonstruktion

Am Institut für Elektrische Messtechnik wird ein Messaufbau auf Basis eines Radio Acoustic Sound Systems (RASS) entwickelt, mit dem es möglich ist, berührungslos Temperaturen von Gasen zu messen. Dazu wird mit einem DopplerRadar die Schallgeschwindigkeit von akustischen Pulsen an verschiedenen Orten bestimmt und so auf die Temperatur rückgeschlossen. Die Erzeugung der Schallpulse erfolgt mit einem Lautsprecher bei einer Frequenz von 22,9kHz . Diese Arbeit befasst sich mit der Bestimmung des Schallfeldes des Hochtöners GZCT 0500X mittels interferometrischer Druckmessung durch ein Laser DopplerVibrometer (LDV). Zuerst wird auf die akustischen und optischen Grundlagen eingegangen, um den Zusam- menhang zwischen Druckschwankung und optischer Weglängenänderungen zu beschreiben. Da das verwendete Messprinzip nur mittlere Drücke entlang der Messstrecke des Lasers erfasst, wird eine tomografische Rekonstruktion benötigt, um ortsaufgelöst Druckwerte zu bestimmen. Zu diesem Zweck werden drei unterschiedliche Verfahren vorgestellt und hinsichtlich Genauigkeit sowie Rechenaufwand verglichen. Zur Überprüfung im Nahfeld des Messaufbaus wurde eine Kalibriermethode entwickelt. Bei dieser werden mechanisch angergete sinusförmige Druckschwankungen in eine Cuvette eingeprägt, welche vom Laserstrahl des LDVs durchleuchtet wird. Die interferometrisch ermit- telten Druckwerte wurden mit den eingeprägten Druckwerten verglichen, sowie auftretende Abweichungen bestimmt und korrigiert. Mit dem realisierten Messaufbau wurde schließlich das ungestörte rotationssymmetrische Schallfeld des Hochtöners bei 22,9kHz abgetastet und mittels gefilterter Rückprojektion rekonstruiert. Die Schalldruckwerte eines Referenzmikrofons, welches sich oberhalb des Laserstrahles befindet, stimmen mit dem rekonstruierten Schallfeld gut überein. Schwierig gestaltet sich die exakte Ausrichtung des Hochtöners, da bei einer Abweichung der Mittelachse des Schallfeldes gegenüber der Abtastung die Rekonstruktionsfehler stark ansteigen. Zuletzt wurde untersucht, welchen Einfluss ein Drahtgitter auf das Schallfeld hat. Die Berechnung des Reflexionsfaktors an einem unendlich ausgedehnten Zylinder dient als einfaches Modell eines Gitters. Dabei ergab sich, dass im Vergleich zur Wellenlänge kleine Drahtdurchmesser wenig Einfluss auf die Schallwellen haben. Diese Annahme wurde durch Messung des Schallfeldes nach Durchlaufen des Gitters bestätigt, da im Nahfeld keine nennenswerten Unterschiede zum ungestörten Schallfeld festgestellt werden konnten.At the Institute for Measurement Technology a measurement setup based on the Radio Acoustic Sound System (RASS) is in development. This setup allows the contactless and spatially resolved measurement of the temperature of gases. This is achieved by determining the velocity of a sound puls at different positions by a Doppler radar. The sound field is generated using a loudspeaker at a frequency of 22.9kHz. In this work the sound propagation of the tweeter GZCT 0500X is determined by means of interferometric pressure measurement using a Laser Doppler Vibrometer (LDV). First, the acoustic and optical principles necessary to describe the relationship be- tween pressure fluctuation and optical path length are introduced. The utilized principle only allows to measure the average pressure along the measurement path. Therefore, in order to find the localized pressure values, a tomographic reconstruc- tion is required. For this purpose, three different methods are presented and com- pared in terms of their accuracy and computational complexity. In order to calibrate the measurement setup, an additional setup was devised. Using a pneumatic cylinder, sinusoidal pressure fluctuations are generated and impressed into a cuvette through which the laser beam of the LDV passes as well. Subsequently, the interferometrically determined pressure values were compared with the values of a pressure sensor. The resulting deviation was used as corrective term. The undisturbed rotationally symmetric sound field of the tweeter at 22.9kHz was scanned and reconstructed using filtered back projection. The such determined sound pressure values show a high level of agreement with those gathered via a ref- erence microphone positioned above the laser beam. However, to achieve satisfying results, the precise alignment of the tweeters central axis of the sound field with re- spect to the scan is crucial, as any deviation may cause considerable reconstruction errors. Finally, the influence of a wire grid on the sound field was investigated. To obtain a simple model of a grid, the reflection factor on an infinitely extended cylinder was calculated. The grids influence on the sound waves in the nearfield proved to be minor if the wire diameter is small compared to the wavelength. The validity of the usage of the grid model was tested by measuring the sound field after its passage through the grid. This showed no notable differences to the undisturbed sound field.eingereicht von Kurt ThallerAbweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des VerfassersUniversität Linz, Masterarbeit, 2018(VLID)283645

Radio-Acoustic-Sounding System berührungslose und abstandsaufgelöste akustische Temperaturmessung im industriellen Umfeld

Dieser Artikel beschreibt einen Messaufbau für die berührungslose, abstandsaufgelöste Temperaturmessung von Gasen. Die elektromagnetisch-akustische Wechselwirkung, bekannt von der Radio-Acoustic-Sounding Methode, macht es möglich, auch im industriellen Umfeld kontinuierlich Temperaturen zu messen. Dazu wird die Schallgeschwindigkeit, welche in einem eindeutigen Zusammenhang mit der Temperatur steht, mit einem Doppler-Radar bestimmt. Das Funktionsprinzip, ein realisierter Aufbau und dessen Herausforderungen werden aufgezeigt und mit Messungen dargestellt. Weiteres wird diskutiert, wie mit diesem Messprinzip neben der Temperatur auch Luftströmungen mehrdimensional bestimmt werden können.This article describes a measurement setup for non-contact, spatially resolved temperature measurement of gases. The electromagnetic-acoustic interaction, known from the radio-acoustic-sounding method, makes it possible to measure temperatures continuously in the industrial environment. For this purpose, the speed of sound of an emitted sound pulse, which is temperature-dependent, will be determined with a Doppler radar. The operating principle, a possible setup and its challenges are shown and presented with measurements. Further, it is discussed how air flows or temperatures can be determined multidimensionally with this measuring principle.(VLID)336543