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In unserem Beitrag präsentieren wir ein verallgemeinertes physikalisches Modell der thermischen Schallerzeugung. Im Gegensatz zur existierenden analytischen Näherungen erlaubt es eine exakte analytische Vorhersage des thermisch generierten Schalldrucks in Fluiden und Festkörpern, berücksichtigt die akustischen Nahefeld- und Schallschwächungseffekte und ist anwendbar für beliebige thermische Energiequellen, wie stromdurchflossene elektrische Leiter aber auch chemische Reaktionen, Plasmabrennen oder Laseranregung. Zur Verifikation des Modells vergleichen wir die analytischen Ergebnisse mit experimentellen Schalldruckmessungen an thermo-akustischen Emittern in Luft in einem Frequenzband von 4 kHz bis 1 MHz. Zusätzlich wurde die Effizienz der Wandler mit der von konventionellen piezoelektrischen Luftultraschallwandlern verglichen. Da die Schallerzeugung ohne mechanisch bewegliche Komponenten auskommt, arbeiten die thermo-akustischen Emitter resonanzfrei. Somit ist es möglich, beliebig geformte Schallsignale exakt und frei von Nachschwingen zu erzeugen. Thermo-akustische Schallemitter haben damit das Potenzial für eine breite Anwendung in der angewandten Akustik als leistungsfähige und resonanzfreie Schallsender mit einer Bandbreite bis in den Subgigahertz-Bereich.
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.