TY - JOUR A1 - Daschewski, Maxim A1 - Kreutzbruck, M. A1 - Prager, J. T1 - Influence of thermodynamic properties of a thermo-acoustic emitter on the efficiency of thermal airborne ultrasound generation JF - Ultrasonics N2 - In this work we experimentally verify the theoretical prediction of the recently published Energy Density Fluctuation Model (EDF-model) of thermo-acoustic sound generation. Particularly, we investigate experimentally the influence of thermal inertia of an electrically conductive film on the efficiency of thermal airborne ultrasound generation predicted by the EDF-model. Unlike widely used theories, the EDF-model predicts that the thermal inertia of the electrically conductive film is a frequency-dependent parameter. Its influence grows non-linearly with the increase of excitation frequency and reduces the efficiency of the ultrasound generation. Thus, this parameter is the major limiting factor for the efficient thermal airborne ultrasound generation in the MHz-range. To verify this theoretical prediction experimentally, five thermo-acoustic emitter samples consisting of Indium-Tin-Oxide (ITO) coatings of different thicknesses (from 65 nm to 1.44 mu m) on quartz glass substrates were tested for airborne ultrasound generation in a frequency range from 10 kHz to 800 kHz. For the measurement of thermally generated sound pressures a laser Doppler vibrometer combined with a 12 mu m thin polyethylene foil was used as the sound pressure detector. All tested thermo-acoustic emitter samples showed a resonance-free frequency response in the entire tested frequency range. The thermal inertia of the heat producing film acts as a low-pass filter and reduces the generated sound pressure with the increasing excitation frequency and the ITO film thickness. The difference of generated sound pressure levels for samples with 65 nm and 1.44 mu m thickness is in the order of about 6 dB at 50 kHz and of about 12 dB at 500 kHz. A comparison of sound pressure levels measured experimentally and those predicted by the EDF-model shows for all tested emitter samples a relative error of less than +/- 6%. Thus, experimental results confirm the prediction of the EDF-model and show that the model can be applied for design and optimization of thermo-acoustic airborne ultrasound emitters. KW - Thermophone KW - Thermo-acoustic effect KW - Thermal sound generation KW - Resonance-free ultrasound emitter KW - Thermal inertia Y1 - 2015 U6 - https://doi.org/10.1016/j.ultras.2015.06.008 SN - 0041-624X SN - 1874-9968 VL - 63 SP - 16 EP - 22 PB - Elsevier CY - Amsterdam ER - TY - JOUR A1 - Daschewski, Maxim A1 - Kreutzbruck, Marc A1 - Prager, Jens A1 - Dohse, Elmar A1 - Gaal, Mate A1 - Harrer, Andrea T1 - Resonance-free measuring and excitation of ultrasound JF - Technisches Messen : tm ; Plattform für Methoden, Systeme und Anwendungen der Messtechnik 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 - Ultrasound KW - transfer function KW - characterization of ultrasonic measurement systems KW - thermo-acoustic ultrasound emitter Y1 - 2015 U6 - https://doi.org/10.1515/teme-2014-0020 SN - 0171-8096 VL - 82 IS - 3 SP - 156 EP - 166 PB - De Gruyter CY - Berlin ER - TY - THES A1 - Daschewski, Maxim T1 - Thermophony in real gases T1 - Das Thermophon BT - theory and applications BT - Theorie und Anwendung 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 then 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 can not 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 akustischen 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 - thermophone KW - thermoacoustics KW - thermoacoustic effect KW - photoacoustic effect KW - Thermophon KW - Thermoakustik KW - thermoakustischer Effekt KW - photoakustischer Effekt Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-98866 ER -