PHY22 Phasensprung und Resonanzeffekte

Trifft eine ebene Ultraschallwelle aus einem Medium mit der Schallkennimpedanz Z₁ auf eine ebene Grenzfläche zu einem zweiten Medium mit der Impedanz Z₂, wird sie an dieser teilweise oder ganz reflektiert. Der reflektierte Anteil der Schallenergie ist vom Verhältnis der Impedanzen abhängig und wird durch den Reflexionsfaktor beschrieben. Die reflektiert Welle hat i. A. auch eine andere Phase. Bei senkrechtem Schalleinfall nimmt die Phasenänderung nur zwei Werte an: 0° für Z₁ < Z₂ und 180° für Z₁ > Z₂. Anhand eines solchen Phasensprungs kann das Impedanzverhältnis zweier aneinander grenzender Materialen qualitativ beschrieben werden. Besonders interessante Effekte treten beim Schalldurchgang durch dünne Schichten auf, deren Dicke ein Viertel oder die Hälfte der Schallwellenlänge aufweist. λ/4-Schichten werden z. B. als „Anpassungs“-Schichten verwendet, um Reflexionen zu minimieren und einen möglichst großen Anteil der Schallenergie von einem Medium in das andere Medium zu übertragen.

Phasensprung an der Messing-Acryl-Grenze

Transmissionssignale bei Verwendung verschieden dicker Lambdaplatten

Die erste Grafik zeigt Echosignale von einer Acryl-Messingbzw. Messing-Acryl-Grenze bei senkrechtem Schalleinfall. Die über die Schallgeschwindigkeit c und die Materialdichte ρ bestimmte Schallkennimpedanz Z = c ρ betrug für Messing 36,8 Mrayl und für Acryl 3,25 Mrayl. Die zweite Grafik zeigt Messungen in Transmission an einem Acrylzylinder. Zwischen der sendenden Sonde und dem Zylinder war jeweils eine dünne Aluminiumplatte (cL ≈ 6309 m/s) mit einer Dicke von λ/4 (ca. 1,5 mm) bzw. λ/2 (ca. 3,1 mm) angeordnet.