TY - JOUR A1 - Daschewski, Maxim A1 - Boehm, Rainer A1 - Prager, Jens A1 - Kreutzbruck, Marc A1 - Harrer, Andrea T1 - Physics of thermo-acoustic sound generation JF - Journal of applied physics N2 - We present a generalized analytical model of thermo-acoustic sound generation based on the analysis of thermally induced energy density fluctuations and their propagation into the adjacent matter. The model provides exact analytical prediction of the sound pressure generated in fluids and solids; consequently, it can be applied to arbitrary thermal power sources such as thermophones, plasma firings, laser beams, and chemical reactions. Unlike existing approaches, our description also includes acoustic near-field effects and sound-field attenuation. Analytical results are compared with measurements of sound pressures generated by thermo-acoustic transducers in air for frequencies up to 1 MHz. The tested transducers consist of titanium and indium tin oxide coatings on quartz glass and polycarbonate substrates. The model reveals that thermo-acoustic efficiency increases linearly with the supplied thermal power and quadratically with thermal excitation frequency. Comparison of the efficiency of our thermo-acoustic transducers with those of piezoelectric-based airborne ultrasound transducers using impulse excitation showed comparable sound pressure values. The present results show that thermo-acoustic transducers can be applied as broadband, non-resonant, high-performance ultrasound sources. KW - Thermophone KW - Ionophone KW - Thermo-acoustic effect KW - Non resonant ultrasound source PY - 2013 DO - https://doi.org/10.1063/1.4821121 SN - 0021-8979 SN - 1089-7550 VL - 114 SP - 114903-1 - 114903-12 PB - American Institute of Physics CY - Melville, NY AN - OPUS4-29278 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Daschewski, Maxim A1 - Kreutzbruck, Marc A1 - Prager, Jens A1 - Dohse, Elmar A1 - Gaal, Mate A1 - Harrer, Andrea T1 - Resonanzfreie Messung und Anregung von Ultraschall JF - Technisches Messen N2 - In diesem Beitrag präsentieren wir innovative Methoden für die breitbandige und resonanzfreie Messung und Anregung von Ultraschall. Das Messverfahren verwendet eine Kunststofffolie und ein Laser-Vibrometer als breitbandigen und resonanzfreien Empfänger. Im Allgemeinen ermöglicht dieses Verfahren eine präzise Messung der Schallschnelle und des Schalldruckes in beliebigen, für das Laserlicht transparenten Flüssigkeiten und Gasen mit bekannter Dichte und Schallgeschwindigkeit. Das resonanzfreie Senden von Ultraschall basiert auf einem elektro-thermo-akustischen Wandlerprinzip und ermöglicht, im Gegensatz zu herkömmlichen Ultraschallwandlern, die Erzeugung von beliebig geformten akustischen Signalen ohne Resonanzen und ohne Nachschwingen. N2 - In this contribution we present innovative methods for broadband and resonance-free sensing and emitting of ultrasound. The sensing method uses a polyethylene foil and a laser vibrometer as a broadband and resonance-free sound receiver. In general, this method enables absolute measurement of sound particle velocity and sound pressure in arbitrary, laser beam transparent liquids and gases with known density and sound velocity. The resonance-free emitting method is based on the electro-thermo-acoustic principle and enables, contrary to conventional ultrasound transducers, generation of arbitrary shaped acoustic signals without resonances and post-oscillations. KW - Ultraschall KW - Übertragungsfunktion KW - Charakterisierung von Ultraschallmesssystemen KW - Thermo-akustische Ultraschallemitter KW - Ultrasound KW - Transfer function KW - Characterization of ultrasonic measurement systems KW - Thermo-acoustic ultrasound emitter PY - 2015 DO - https://doi.org/10.1515/teme-2014-0020 SN - 0340-837X SN - 0178-2312 SN - 0171-8096 VL - 82 IS - 3 SP - 156 EP - 166 PB - Oldenbourg CY - München AN - OPUS4-32733 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Gaal, Mate A1 - Bartusch, Jürgen A1 - Daschewski, Maxim A1 - Dohse, Elmar A1 - Köppe, Enrico A1 - Weise, Matthias A1 - Hillger, W. A1 - Kreutzbruck, Marc T1 - Schwingverhalten des Ferroelektret-Senders für Luftultraschall T2 - DGZfP-Jahrestagung 2013 T2 - DGZfP-Jahrestagung 2013 CY - Dresden, Germany DA - 2013-05-06 KW - Luftultraschall KW - Wandler KW - Ferroelektret KW - Zelluläres Polypropylen KW - Elektrostriktion PY - 2013 SN - 978-3-940283-49-8 IS - Mo.3.B.4 SP - 1 EP - 8 AN - OPUS4-28651 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Daschewski, Maxim A1 - Prager, Jens A1 - Kreutzbruck, Marc T1 - Thermo-akustische Ultraschallemitter T2 - Sensor&Test 2015 Messe T2 - Sensor&Test 2015 Messe CY - Nürnberg, Deutschland DA - 2015-05-20 PY - 2015 AN - OPUS4-33231 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Daschewski, Maxim A1 - Prager, Jens A1 - Kreutzbruck, Marc T1 - Thermo-akustische Ultraschallemitter T2 - Control 2015 T2 - Control 2015 CY - Stuttgart, Deutschland DA - 2015-05-05 PY - 2015 AN - OPUS4-33232 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Harrer, Andrea A1 - Daschewski, Maxim A1 - Prager, Jens A1 - Kreutzbruck, Marc A1 - Guderian, Matthias A1 - Meyer-Plath, Asmus T1 - Thermoacoustic generation of airborne ultrasound using carbon materials at the micro- and nanoscale JF - International journal of applied electromagnetics and mechanics N2 - The generation of airborne ultrasound is presented using the thermoacoustic principle applied to carbon materials at the micro- and nanoscale. Such materials are shown to be capable of emitting ultrasound when being fed by an alternating current. We tested the acoustic performance of carbon fibers, bucky papers and electrospun polyacrylonitrile-derived carbon nanofibers and determined the sound pressure for frequencies up to 350 kHz. A comparison between the experimental results and the theoretical prediction showed remarkable agreement for frequencies up to 150 kHz. Beyond 150 kHz, we found slight deviations from the expected sound pressure dependence on the square root of the frequency. KW - Thermoacoustic KW - Airborne ultrasound transducer KW - Sound pressure PY - 2012 DO - https://doi.org/10.3233/JAE-2012-1440 SN - 1383-5416 SN - 0925-2096 VL - 39 IS - 1-4 SP - 35 EP - 41 PB - IOS Press CY - Amsterdam, The Netherlands AN - OPUS4-26737 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Daschewski, Maxim T1 - Thermophony in real gases - Theory and applications N2 - A thermophone is an electrical device for sound generation. The advantages of thermophones over conventional sound transducers such as electromagnetic, electrostatic or piezoelectric transducers are their operational principle which does not require any moving parts, their resonance-free behavior, their simple construction and their low production costs. In this PhD thesis, a novel theoretical model of thermophonic sound generation in real gases has been developed. The model is experimentally validated in a frequency range from 2 kHz to 1 MHz by testing more than fifty thermophones of different materials, including Carbon nano-wires, Titanium, Indium-Tin-Oxide, different sizes and shapes for sound generation in gases such as air, argon, helium, oxygen, nitrogen and sulfur hexafluoride. Unlike previous approaches, the presented model can be applied to different kinds of thermophones and various gases, taking into account the thermodynamic properties of thermophone materials and of adjacent gases, degrees of freedom and the volume occupied by the gas atoms and molecules, as well as sound attenuation effects, the shape and size of the thermophone surface and the reduction of the generated acoustic power due to photonic emission. As a result, the model features better prediction accuracy than the existing models by a factor up to 100. Moreover, the new model explains previous experimental findings on thermophones which cannot be explained with the existing models. The acoustic properties of the thermophones have been tested in several gases using unique, highly precise experimental setups comprising a Laser-Doppler-Vibrometer combined with a thin polyethylene film which acts as a broadband and resonance-free sound-pressure detector. Several outstanding properties of the thermophones have been demonstrated for the first time, including the ability to generate arbitrarily shaped acoustic signals, a greater acoustic efficiency compared to conventional piezoelectric and electrostatic airborne ultrasound transducers, and applicability as powerful and tunable sound sources with a bandwidth up to the megahertz range and beyond. Additionally, new applications of thermophones such as the study of physical properties of gases, the thermo-acoustic gas spectroscopy, broad-band characterization of transfer functions of sound and ultrasound detection systems, and applications in non-destructive materials testing are discussed and experimentally demonstrated. N2 - Ein Thermophon ist ein elektrisches Gerät zur Schallerzeugung. Aufgrund der fehlenden beweglichen Teile verfügen Thermophone über mehrere Vorteile gegenüber den herkömmlichen elektromagnetischen, elektrostatischen oder piezoelektrischen Schallwandlern. Besonders bemerkenswert sind das resonanz- und nachschwingungsfreie Verhalten, die einfache Konstruktion und die niedrigen Herstellungskosten. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurde ein neuartiges theoretisches Modell der thermophonischen Schallerzeugung in Gasen entwickelt und experimentell verifiziert. Zur Validierung des Modells wurden mehr als fünfzig Thermophone unterschiedlicher Größen, Formen und Materialien, darunter Kohlenstoff-Nanodrähte, Titan und Indium-Zinnoxid zur Erzeugung von Schall in Gasen wie Luft, Argon, Helium, Sauerstoff, Stickstoff und Schwefelhexafluorid in einem Frequenzbereich von 2 kHz bis 1 MHz eingesetzt. Das präsentierte Modell unterscheidet sich von den bisherigen Ansätzen durch seine hohe Flexibilität, wobei die thermodynamischen Eigenschaften des Thermophons und des umgebenden Gases, die Freiheitsgrade und das Eigenvolumen der Gasatome und Moleküle, die Schallschwächungseffekte, die Form und Größe des Thermophons, sowie die Verringerung der erzeugten akustischen Leistung aufgrund der Photonenemission berücksichtigt werden. Infolgedessen zeigt das entwickelte Modell eine um bis zu einem Faktor 100 höhere Vorhersagegenauigkeit als die bisher veröffentlichten Modelle. Das präsentierte Modell liefert darüber hinaus eine Erklärung zu den Ergebnissen aus den Vorarbeiten, die von den bisherigen Modellen nicht abschließend geklärt werden konnten. Die akustische Eigenschaften der Thermophone wurden unter Verwendung von einzigartigen hochpräzisen Versuchsaufbauten getestet. Dafür wurde ein Laser-Doppler-Vibrometer in Kombination mit einer dünnen Polyethylenfolie verwendet, welche als breitbrandiger und resonanzfreier Schalldruckdetektor fungiert. Somit konnten mehrere herausragende akustische Eigenschaften der Thermophone zum ersten Mal demonstriert werden, einschließlich der Möglichkeit, beliebig geformte akustische Signale zu erzeugen, eine größere akustische Wirksamkeit im Vergleich zu herkömmlichen Luftultraschallwandlern und die Anwendbarkeit als leistungsfähige beliebig abstimmbare Schallquellen mit einer Bandbreite bis in den Megahertz-Bereich. Zusätzlich werden neue Anwendungen von Thermophonen wie die Untersuchung der physikalischen Eigenschaften von Gasen, die thermoakustische Gasspektroskopie, eine breitbandige Charakterisierung der Übertragungsfunktionen von Schall- und Ultraschallmesssystemen und Anwendungen in der zerstörungsfreien Materialprüfung demonstriert. KW - Acoustic actuator KW - Thermoacoustics KW - Sound source PY - 2016 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:517-opus4-98866 SP - 1 EP - 85 PB - Universität Potsdam CY - Potsdam AN - OPUS4-38344 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -