Einflüsse auf die Laufzeitbestimmung bei der transienten FEM-Simulation von akustischen Sender-Empfänger-Anordnungen

Abstract:
In diesem Beitrag wird das zeitliche Verhalten von Schallsignalen in einem Sender-Empfänger-Messverfahren untersucht. Dabei wird von einem Sender ein Burstsignal ausgesendet und nach der Laufzeit δ t empfangen. Die erwartete Laufzeit des Burstsignals wird vereinfachend durch den Quotienten aus Pfadlänge und Schallgeschwindigkeit festgelegt. Bei der Durchführung von Simulationen und Messungen lässt sich feststellen, dass bei der Laufzeitbestimmung abstandsabhängige Abweichungen von der Näherungsberechnung auftreten. Die Ursache dafür sind Veränderungen der Signalform über der Messstrecke. Die Laufzeitabweichungen hängen unter anderem von den geometrischen Abmessungen der Wandler ab. Dieser Effekt wird in der Literatur als Diffraction-Effekt bezeichnet. Zusätzlich treten bei der Durchführung von Simulationen Laufzeitfehler auf, die auch von Simulationsparametern abhängen. Dadurch können Verzögerungen durch mechanische, akustische und numerische Effekte nur unsicher getrennt werden. Anhand akustisch-transienter FEM-Simulationen wurde untersucht, wie die Messgröße Laufzeit durch geometrische Verhältnisse, Schwingungsformen der Sendefläche und die Gestaltung des FE-Netzes beeinflusst wird. Durch Vergleich von Simulationslösungen mit analytischen Berechnungen, kann eine Trennung der verschiedenen Einflüsse realisiert werden. So können Diskretisierungsfehler, numerische Fehler und real auftretende akustisch-geometrische Effekte differenziert werden.