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Untersuchung von akustischen Strömungen im kHz- und GHz-Bereich

dc.contributor.advisorMettin, Robert Dr.
dc.contributor.authorNowak, Till
dc.date.accessioned2014-07-14T12:33:34Z
dc.date.available2014-07-14T12:33:34Z
dc.date.issued2014-07-14
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-0022-5F17-6
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.53846/goediss-4451
dc.description.abstractBei Einkopplung von Schall in ein Fluid können durch nichtlineare Effekte und Dämpfung Strömungen erzeugt werden. Diese Strömungen, die ihre Energie aus einem Impulsübertrag der Schallwelle auf die Flüssigkeit beziehen, werden akustische Strömungen genannt (engl.: acoustic streaming). Dieser Impulsübertrag hängt u.a von der Dämpfung der Schallwelle im Medium ab: bei stärkerer Dämpfung nimmt der Impulsübertrag zu und entsprechend die Geschwindigkeit der induzierten Strömung. Eine wichtige Rolle in der vorgelegten Arbeit spielt die Dämpfungserhöhung im Fall in der Flüssigkeit vorhandener Blasen. Dies ist insbesondere bei allen Prozessen von großer Bedeutung, in denen durch intensive (Ultra-)Schallfelder die Blasen in der Flüssigkeit selbst erzeugt werden (akustische Kavitation). Hier entstehen durch die mit den Blasen verbundene Dissipation sehr viel größere akustische Strömungsgeschwindigkeiten als im Fall ohne Kavitation. Zudem werden durch die Volumenoszillation und die Translation der Kavitationsblasen weitere Strömungen auf Skala der Blasengröße induziert. Mit einem in der Arbeit neu entwickelten Versuchsaufbau lassen sich Strömungen auf größeren und mittleren Skalen bis zu einzelnen Blasen in akustischen Kavitationsblasenfeldern abbilden und untersuchen. Durch die Farbtrennung eines speziellen Fluoreszenzmikroskopes ist es möglich, die Flüssigkeitsströmungen und die Kavitationsblasen simultan und getrennt aufzunehmen. Die Abhängigkeit der akustischen Strömungen von verschiedenen Einflussparametern wie Schallleistung, Temperatur und Gasgehalt der Flüssigkeit werden am Beispielfall einer bei 17 kHz betriebenen Ultraschall-Sonotrode (Schallhorn) in Wasser untersucht. Insbesondere der Übergang vom nicht kavitierenden zum kavitierenden Fall ist hier von Interesse, was durch die Möglichkeit eines statischen Überdrucks im Experiment gut beeinflusst werden kann. Es zeigt sich wie erwartet mit dem Einsetzen von Kavitation eine starke Zunahme der akustischen Strömungsgeschwindigkeiten, woraus auf den stark erhöhten Dämpfungskoeffizienten für Schallausbreitung geschlossen werden kann. Ebenfalls werden die sehr schnellen Mikroströmungen auf Blasenebene dokumentiert. Eine genauere Analyse ergibt auch das Auftreten von subharmonischem Verhalten bei Blasendynamik und Strömungsfeld. An speziellen Ultraschallwandlern werden zudem die rein akustischen Strömungen (ohne Auftreten von Kavitation) bei extremen, bisher für Dickenschwinger nicht erreichbaren Schallfrequenzen bis zu 2 GHz in Wasser experimentell untersucht. Hierzu wird ebenfalls der Fluoreszenz-Aufbau verwendet, Es zeigen sich relativ hohe Strömungsgeschwindigkeiten in Form eines vom Wandler weggerichteten Jets, der sich auch weit jenseits der Eindringtiefe des Schalls in die Flüssigkeit erstreckt. Dieses Verhalten wird ebenfalls numerisch mit einer Finite-Elemente-Methode modelliert. Hier wird neben ausführlichen, aber sehr zeitaufwändigen Rechnungen auch erfolgreich eine vereinfachte Simulation der akustischen Strömungen in dem betrachteten Fall sehr hoher Frequenz angewandt.de
dc.language.isodeude
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/
dc.subject.ddc530de
dc.titleUntersuchung von akustischen Strömungen im kHz- und GHz-Bereichde
dc.typedoctoralThesisde
dc.title.translatedObservation of acoustic streaming in the kHz- and GHz-rangede
dc.contributor.refereeSchmidt, Christoph F. Prof. Dr.
dc.date.examination2014-01-23
dc.subject.gokPhysik (PPN621336750)de
dc.description.abstractengLaunching ultrasound into a fluid can lead to a steady streaming due to nonlinearity and damping. These streaming which is caused by a momentum transfer from the soundwave to the liquid is called acoustic streaming. This momentum transfer is amongst others up to the damping of the soundwave in the medium. A higher damping leads to a higher momentum transfer and so the velocity oft he induced streaming. The increase of damping due to present bubbles in the liquid plays an important role in this work. This effect is in particular important for all processes where bubbles are created in the liquid by intense (ultra)sound (acoustic cavitation). Due to the bubbles and the linked dissipation much higher streaming velocities develop compared to the non cavitating case. Additionally further bubble-size scale streaming is produced by the means of volume oscillation and translation of the bubbles. A special developed setup makes it possible to observe liquid streaming on big and medium scale and down to single bubbles in acoustic cavitation fields. Using the colour separation of the special fluorescence microscope makes it possible to record the liquid streaming and cavitation bubbles simulaneously and separate. The acoustic streaming is reviewed as a function from different influencing factors like power of sound, temperature, and gascontent of the liquid. A 17 kHz acoustic horn actuator (sonotrode) is used to create the ultrasound in water. The transition from the non-cavitating to the cavitating case is of special interest. This transition can be observed by applying a static pressure in the experiment. As expected a strong increase of streaming velocity can be observed with the onset of cavitation. This leads to the conclusion of a strongly increased damping coefficient for sound propagation. The fast microstreaming on bubble scale is documented as well. A more precise analysis shows the occurrence of subharmonic behaviour in bubble dynamics and streaming field. Pure acoustic streaming (without cavitation) is additionally reviewed at special transducers in water for extreme frequencies up to 2 GHz. These frequencies were not reached by bulk acoustic wave transducers until now. The same fluorescence setup is used for these observations. Fast jet-like streaming appears in front of the transducers which is even visible way beyond the penetration depth of sound into liquid. This behaviour is also modelled numerically using a fenite element method. Beside extensive but time-consuming numerical methods a simplified simulation of acoustic streaming at very high frequencies is used successfully.de
dc.contributor.coRefereeLauterborn, Werner Prof. Dr.
dc.subject.gerUltraschallde
dc.subject.gerKavitationde
dc.subject.gerakustische Strömungende
dc.subject.gerBlasende
dc.subject.gerHochgeschwindigkeitsaufnahmende
dc.subject.gerPIVde
dc.subject.gerFluoreszenzmikroskopde
dc.subject.gerfenite Elemente Simulationde
dc.subject.gerVolumenkraftde
dc.subject.gerSchalldämpfungde
dc.subject.gerDissipationde
dc.subject.engultrasoundde
dc.subject.engcavitationde
dc.subject.engacoustic streamingde
dc.subject.engbubblesde
dc.subject.enghigh speed imagingde
dc.subject.engPIVde
dc.subject.engfluorescence microscopyde
dc.subject.engfinite element simulationde
dc.subject.engvolume forcede
dc.subject.engsound absorptionde
dc.subject.engsound dissipationde
dc.identifier.urnurn:nbn:de:gbv:7-11858/00-1735-0000-0022-5F17-6-6
dc.affiliation.instituteFakultät für Physikde
dc.identifier.ppn790447983


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