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Thermophony in real gases

Das Thermophon

  • 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 volumeA 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.show moreshow less
  • 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 desEin 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.show moreshow less

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Metadaten
Author:Maxim DaschewskiGND
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-98866
Subtitle (English):theory and applications
Subtitle (German):Theorie und Anwendung
Advisor:Reimund Gerhard-Multhaupt
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2016
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2016/10/27
Release Date:2016/11/16
Tag:Thermoakustik; Thermophon; photoacoustic effect; photoakustischer Effekt; thermoacoustic effect; thermoakustischer Effekt
thermoacoustics; thermophone
Pagenumber:79
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik und Astronomie
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 53 Physik / 530 Physik
PACS Classification:30.00.00 ATOMIC AND MOLECULAR PHYSICS
40.00.00 ELECTROMAGNETISM, OPTICS, ACOUSTICS, HEAT TRANSFER, CLASSICAL MECHANICS, AND FLUID DYNAMICS
50.00.00 PHYSICS OF GASES, PLASMAS, AND ELECTRIC DISCHARGES
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