WWW.BOOK.DISLIB.INFO
FREE ELECTRONIC LIBRARY - Books, dissertations, abstract
 
<< HOME
CONTACTS



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |

«von Richard Lensing Bachelorarbeit in Physik vorgelegt der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der Rheinisch-Westfählischen Technischen ...»

-- [ Page 1 ] --

Aufbau eines Experimentes zur Messung

der akustischen Abschwächungslänge in

Wasser

von

Richard Lensing

Bachelorarbeit in Physik

vorgelegt der

Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät

der Rheinisch-Westfählischen Technischen Hochschule Aachen

im Juli 2012

angefertigt im

III. Physikalischen Institut, Lehrstuhl B

bei

Prof. Dr. Ch. Wiebusch

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

1.1 Enceladus Explorer

1.2 IceMole

1.3 Umsetzung des Navigationssystems

1.3.1 Ortungssystem

1.3.2 Bildgebung mit Phasenarray

1.4 Abschwächungslänge

2 Grundlagen

2.1 Methodik des Experiments

2.2 Das Aachener Akustik Labor - AAL

2.3 Aufbau

3. Messungen

3.0 Methodik und Strategien

3.0.1 Sender und Empfänger

3.0.2 Datenaufnahme und Signalerzeugung

3.1 Vormessung zur Sensorbestimmung

3.2 Messung zur Abschätzung der Abschwächungslänge

3.3 Messung zur Abschwächungslänge

3.4 Messung 128 Singles für Fehlerabschätzung

4. Fazit

4.1 Zusammenfassung

4.2 Ausblick

Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

1. Einleitung Dieses Projekt ist in enger Zusammenarbeit mit Marvin Willam entstanden, welcher sich in seiner Bachelorarbeit speziell mit die Analyse der hier aufgenommenen Messdaten befasst [1]. Einige Ergebnisse dieser Analyse werden in auch dieser Arbeit dargestellt, während die Herangehensweise und die Durchführung der Analyse in der Arbeit von Marvin Willam nachzulesen sind.

Ziel der vorliegenden Bachelorarbeit ist es, ein Messverfahren zur Bestimmung der akustischen Abschwächungslänge in Wasser zu testen und zu prüfen, ob dieses Verfahren geeignet ist, um die Abschwächungslänge in Eis zu bestimmen.

Die akustische Abschwächungslänge ist für verschiedene Anwendungen zur akustischen Navigation in Eis von Bedeutung. In den folgenden Abschnitten soll ausgeführt werden, warum es für aktuelle Forschungsprojekte notwendig ist, sich mit dieser Thematik zu befassen. Eines dieser Projekte ist das sogenannte Enceladus-Explorer.

1.1 Enceladus Explorer Das Projekt „EnEx – Enceladus-Explorer“ startete am 1. Februar 2012 und soll die Wasservorkommen des Saturnmondes Enceladus auf Spuren von Leben untersuchen.

Begründet wurde das Projekt nachdem die Raumsonde Cassini 2008 die Existenz organischer Verbindungen in Wassereisfontänen nachweisen konnte, welche von so genannten Kryovulkanen von der Oberfläche des Enceladus ins All geschleudert werden [2]. Innerhalb des Eises auf Enceladus steigt flüssiges Wasser unter Druck durch größere Spalten und Risse bis an die Oberfläche des Mondes auf, wo es schlagartig verdampft und gefriert. Aufgrund der geringen Schwerkraft können die so entstehenden Fontänen mehrere hundert Kilometer ins All reichen. Durch das Verdampfen und schlagartige Gefrieren würden Mikroorganismen, die sich möglicherweise im Wasser befänden, jedoch vernichtet. So würden nur organische Verbindungen verbleiben, wie sie bereits von der Raumsonde Cassini entdeckt wurden. Umgekehrt beweist das Vorhandensein der organischen Verbindungen jedoch nicht die Existenz entsprechender Mikroorganismen.

Die erste Herausforderung des Projekts EnEx ist folglich, die Proben für eine Untersuchung des Wassers auf Leben zu entnehmen, bevor das Wasser die Eisoberfläche des Mondes erreicht. Des Weiteren ist die Landung einer Raumsonde in direkter Nähe der Kryovulkane schwierig zu realisieren, weswegen eine solche Probenentnahme unter der Eisoberfläche durch eine autonom agierende Sonde ermöglicht werden soll. Diese soll sich mithilfe einer Bohrschraube und Heizplatten dem Rand der wasserführenden Spalten durch das Eis hindurch nähern und dann eine Probe entnehmen können.

Die zweite Herausforderung des Projekts besteht darin, dass das Eis, durch das sich die Sonde bohren soll, kein ideal klares Eis ist, sodass durch Lufteinschlüsse und eingeschlossenes Meteoritengestein Hindernisse entstehen, denen ausgewichen werden muss, ohne den Kurs zu verlieren. Dabei steht, im Gegensatz zu Bohrungen auf der Erde, weder ein stabiles Magnetfeld noch ein Ortungssystem wie das GPS zur Verfügung [3]. Die Sonde, die diese Aufgaben in Zukunft übernehmen und meistern soll, ist der IceMole.

Um die Durchführbarkeit einer solchen Mission zu überprüfen, soll im Winter 2014/15 in einem ähnlichen Szenario an den Blood Falls am Taylor-Gletscher in der Antarktis eine Bohrung vollzogen werden. Dabei soll eine mit Flüssigkeit gefüllte Spalte durch den IceMole angebohrt werden und die Flüssigkeit auf die Zusammensetzung untersucht werden.

1.2 IceMole Der IceMole ist die Umsetzung dieser Eisforschungssonde und wird unter der Federführung der FH Aachen entwickelt und gebaut. Zur Fortbewegung wird eine Kombination aus Hohlschraube und einer Vielzahl von Heizelementen genutzt, die separat angesteuert werden können, sodass Richtungsänderungen im Eis durchführbar sind. Durch die Verwendung einer Hohlschraube kann der IceMole während der Fortbewegung auch einen Eiskern aufnehmen, der sich durch die gesamte Länge der Sonden zieht und dort analysiert werden kann. Um die Gefahr zu minimieren, das zu untersuchende Gewässer zu verunreinigen, wird der IceMole mit der Fähigkeit ausgestattet, sich selbstständig zu reinigen. Da der Eiskanal, den die Sonde hinterlässt, wieder zu friert, kann diese Reinigung in einem abgeschlossenen System vollzogen werden. Aufgrund der Kombination aus Schraube und Schmelzkopf ist er manövrierfähig genug, um an die Oberfläche zurück zu kehren. Alternativ kann, wie bei der Bohrung an den Blood Falls vorgesehen, das Schmelzwasser abgepumpt werden, sodass der Eiskanal nicht zufriert und die Sonde nach der Messdatenaufnahme geborgen werden kann.





Abbildung 1.1: Eissonde „IceMole“ schmilzt sich durch Gletschereis des Morteratschgletschers. [3] Abbildung 1.2: Bild eines 3D-Modells der Eisforsungssonde „IceMole“ [4].

1.3 Umsetzung des Navigationssystems Die Navigation im Eis wird hauptsächlich durch zwei Systeme gewährleistet. Zum Einen wird ein Ortungssystem entwickelt, um eine relative Position der Sonde im Eis zur gelandeten Raumsonde zu bestimmen. Zum Anderen ist ein System zur Bildgebung angedacht, das Gestein oder Luftblasen, die sich in der Bahn des IceMole befinden, erkennt, sodass dieser rechtzeitig ausweichen kann.

1.3.1 Ortungssystem Das Ortungssystem benutzt die Laufzeiten von Schallwellen zur Positionsbestimmung des IceMole. Der IceMole empfängt ein akustisches Signal, das an der Oberfläche an drei verschiedenen Positionen simultan ausgesendet wird, und misst sowohl den Eintrittswinkel des Schalls in die Sensoren, als auch die Zeitdifferenz zwischen Ausstrahlung und Empfang des akustischen Signals, um diese für die Positionsbestimmung zu nutzen.

1.3.2 Bildgebung mit Phasenarray Der IceMole soll mit Hilfe von Ultraschall Hindernisse im Eis frühzeitig erkennen können, um diesen auszuweichen. Größere Luftblasen im Eis können dafür sorgen, dass der Bohrkopf ins Leere greift, und im Eis eingeschlossene Steine könnten den IceMole beschädigen. Des Weiteren muss ein kontrolliertes Eindringen in die mit Flüssigkeit gefüllte Spalte gewährleistet sein, welche untersucht werden soll.

Das Prinzip dieses Bildgebungsverfahrens gleicht dem des Sonars. Der IceMole sendet ein Ultraschallsignal in Fahrtrichtung aus und misst die Reflexionen, die in seine Richtung zurückgeworfen werden. Dabei kann bei bekannter Schallgeschwindigkeit c aus der Zeitdifferenz Δt zwischen Senden und Empfangen des Signals der Abstand Δs zum Hindernis bestimmt werden. Der funktionale Zusammenhang dieser Größen ist durch t  s = c Eis ⋅ (1.1) gegeben. Eine der Herausforderungen dieses Verfahrens besteht darin, dass ein solcher Sonar bisher noch nicht im Eis eingesetzt wurde, und deshalb nicht viel über die einzelnen Störungsquellen bekannt ist. Zum Beispiel muss nach Möglichkeit der gesamte Kopf des IceMole das vor ihm liegende Eis berühren, um eine gute Übertragung des Schalls von den am Kopf befindlichen Sensoren zum Eis zu gewährleisten. Darüber hinaus bildet der IceMole mit den eingebauten Motoren und dem Getriebe selbst eine große akustische Störungsquelle.

Um das „Blickfeld“ des IceMole zu vergrößern, werden die akustischen Sensoren in vier kreuzförmig angeordneten Phasenarrays angebracht. Diese messen die akustischen Reflexionen in unterschiedlichen Winkeln und können so jeweils ein eindimensionales Bild erzeugen. Durch die langsame Drehung des IceMole, welche durch die Schraube hervorgerufen wird, kann aus vielen eindimensionalen Bildern ein zweidimensionales Bild errechnet werden.

Abbildung 1.3: Detailansicht des vorläufigen Designs des IceMole-Kopfes mit Phasenarrays (violett umrandet) [5].

Um eine Art Tiefenauflösung dieses Bildes zu ermöglichen, soll mit verschiedenen Frequenzen gesendet werden. So dringen hochfrequente Schallsignale nicht so weit in das Medium ein wie niederfrequente. Die charakteristische Größe, die dieses Verhalten beschreibt, ist die Abschwächungslänge λatt. Diese ist von der Frequenz des Schalls abhängig und der zu untersuchende Gegenstand dieser Arbeit.

1.4 Abschwächungslänge Für die Optimierung des oben angeführten Verfahrens ist es notwendig, die akustische Abschwächung in Eis genau zu kennen.

Die Amplitude der Schallwelle fällt mit steigendem Abstand ab, da sich die Energie des Schalls bei sphärischer Ausbreitung auf eine immer größer werdende Fläche verteilt.

Die Energiedichte nimmt folglich ab. Dieser Effekt tritt bei allen sich im Raum ausbreitenden Kugelwellen auf. Bei hohen Frequenzen wird das Signal jedoch durch zusätzliche Wechselwirkungen gedämpft.

Dabei dominieren die folgenden drei Effekte [6]:

1. Innere Reibung Die innere Reibung im viskosen Medium sorgt für Energieverlust der Schallwelle. Die zum Schwingen angeregten Wassermoleküle reiben aneinander und erzeugen so Wärme, die der dem Schall entzogenen Energie entspricht. Die Reibungsverluste steigen bei größer werdenden Frequenzen an.

2. Wärmeleitung Eine Schallwelle lässt sich als eine im Medium propagierende Druckänderung beschreiben. Aber neben dem Druck ändert sich auch Dichte und Temperatur des Mediums mit der Zeit. Die so entstehenden Temperaturdifferenzen sorgen für eine Dämpfung des Schalls, da sie mit endlicher Geschwindigkeit ausgeglichen werden. Die Wärmeleitfähigkeit des Mediums ist im allgemeinen so gering, dass diese Ausgleichsprozesse mit Verzögerung ablaufen und dem Schall Energie entziehen.

3. Molekulare Absorptionslänge Durch Anregung der Moleküle im Medium gemäß ihrer Rotations- oder Schwingungsfreiheitsgrade kann weitere Energie des Schalls verloren gehen. Da Moleküle typischerweise sehr hohe Eigenfrequenzen besitzen, tritt auch dieser Effekt vornehmlich bei hohen Schallfrequenzen auf.

Fasst man all diese Effekte zusammen, so lässt sich die Änderung der Schallamplitude durch einen kombinierten Term darstellen. Die Verluste durch die oben angeführten Wechselwirkungen entsprechen dabei der exponentiellen Unterdrückung. Der

funktionale Zusammenhang ergibt sich wie folgt [7]:

–  –  –

Durch eine Messung der Schallamplitude A und A0 mit den jeweiligen Distanzen r und r0 zur Schallquelle kann die Abschwächungslänge λatt bestimmt werden, indem diese Funktion an die Daten angepasst wird. Dabei ist λatt ein freier Parameter und wird so gewählt, dass die Anpassung optimale Übereinstimmung mit den Daten zeigt.

Präziser ist es allerdings, die Energien in den jeweilig gesendeten Frequenzbereichen zu betrachten. Die genaue Methodik dieser Auswertung ist in der Bachelorarbeit von M. Willam ausgeführt [1]. Die relative Abnahme der Energie ist dabei proportional zum

Quadrat der relativen Abnahme der Amplituden und folgt diesem Zusammenhang:

–  –  –

Dabei ist I die Intensität des Signals und für sich auch proportional zur Energie.

Des Weiteren gibt es eine empirische Formel für diesen Zusammenhang, die in Wasser

bei einem Frequenzbereich von 1kHz bis 10MHz gültig ist [6]:

–  –  –



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |


Similar works:

«Magnetic bead actuated microfluidic immunoassay platform for sensitive detection of biomarkers and pathogens Von der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen zur Erlangung des akademischen Grades einer Doktorin der Ingenieurwissenschaften genehmigte Dissertation vorgelegt von Master of Science Biomedical Engineering Raiah Gottheil (geb. Bhullar) aus Chandigarh, Indien Berichter: Universitätsprofessor Dr. rer. nat. Wilfried...»

«FAST JOINING AND REPAIRING OF SANDWICH MATERIALS WITH DETACHABLE MECHANICAL CONNECTION TECHNOLOGY Jörg Feldhusen and Sivakumara K. Krishnamoorthy RWTH Aachen University, Chair and Insitute for Engineering Design (IKT) Steinbachstr. 54B, D-52074 Aachen e-mail: krishnamoorthy@ikt.rwth-aachen.de, webpage: www.ikt.rwth-aachen.de ABSTRACT This paper presents design principles, tools, methods and experiments for joining sandwich materials. The connection technique presented here requires neither...»

«Montanuniversität Leoben Grain boundary segregations in technically pure molybdenum Diploma thesis by Katharina Babinsky This thesis was carried out at the Department of Physical Metallurgy and Materials Testing at the Montanuniversität Leoben in cooperation with Plansee SE, Reutte, Austria. Leoben, June 2013 Affidavit Affidavit I declare in lieu of oath that I wrote this thesis and performed the associated research myself, using only literature cited in this volume. Eidesstattliche...»

«Amorphe Siliziumoxidschichten zur Oberflächenpassivierung und Kontaktierung von Heterostruktur-Solarzellen aus amorphem und kristallinem Silizium Von der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Ingenieurwissenschaften genehmigte Dissertation vorgelegt von Diplomingenieur Florian Einsele aus Nürtingen Berichter: Universitätsprofessor Dr. rer. nat. habil. Uwe Rau...»

«TECHNISCHE UNIVERSITÄT DRESDEN Direct Patterning of Optical Coupling Devices in Polymer Waveguides Andreas Finn der Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik der Technischen Universität Dresden zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktoringenieur (Dr.-Ing.) genehmigte Dissertation Vorsitzender: Prof. Dr.-Ing. habil. Jens Lienig Gutachter: Prof. Dr.-Ing. habil. Wolf-Joachim Fischer Prof. Dr.-Ing. Hella-Christin Scheer Tag der Einreichung: 21.02.2014 Tag der Verteidigung:...»

«TECHNISCHE UNIVERSITÄT MÜNCHEN Department Chemie Lehrstuhl für Biotechnologie Phospho-regulation of the Hsp90 chaperone machinery Joanna Soroka Vollständiger Abdruck der von der Fakultät für Chemie der Technischen Universität München zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Naturwissenschaften genehmigten Dissertation. Vorsitzender: Univ.-Prof. Dr. Stephan A. Sieber Prüfer der Dissertation: 1. Univ.-Prof. Dr. Johannes Buchner 2. Univ.-Prof. Dr. Thorsten Hugel 3....»

«C Literaturverzeichnis [Abo95] Aboulfaraj, M.; G´Sell, C.; Ulrich, B.; Dahoun, A.: In situ observation of the plastic deformation of polypropylene spherulites under uniaxial tension and simple shear in the scanning electron microscope. Polymer 36 (1995) 731-742 [Abo99] Abo el Maaty, M.I.; Olley, R.H.; Basset, D.C.: J. Mat. Sci. 34 (1999) 1975-1989 [Ada86] Adams, W.W.; Yang, D.; Thomas, E.L.: J. Mat. Sci. 21 (1986) 2239 [Ajj99] Ajji, A.; Matthews, R.G.; Yan, R.; Legros, N.; Cole, K.C.:...»

«Effect of melt convection on microstructure evolution of peritectic Nd-Fe-B and Ti-Al alloys For the partial fulfillment of the requirements for the degree of Doktoringenieur (Dr.-Ing.) submitted to Department of Mechanical Engineering, University of Technology, Dresden by Kaushik Biswas Born on: 07.01.1978, in Ambikanagar, India Referees: Prof. Dr. J¨rgen Eckert u Prof. Dr. Bernd B¨chner u Prof. Dr. Subramanya Sarma Vadlamani Submitted on: 18.10.2007 Date of defence: 22.09.2008...»

«Lehrstuhl für Wasserbau und Wassermengenwirtschaft Prof. Dr.-Ing. Silke Wieprecht Technischer Bericht Nr.08b/2015 Ergebnisse der Geschiebetransportmodellierung (GTM) im Unterlauf der Saalach – Kurzfassung – Auftraggeber: Wasserwirtschaftsamt Traunstein Landesregierung Salzburg Auftragnehmer: Institut für Wasserund Umweltsystemmodellierung (IWS) Lehrstuhl für Wasserbau und Wassermengenwirtschaft Universität Stuttgart Verfasser: Dipl.-Ing. Felix Beckers Dr.-Ing. Markus Noack Prof....»

«CMMI® für Entwicklung, Version 1.3 SEI-sanctioned GERMAN translation of CMMI-DEV, V1.3 CMMI Product Team Prozessverbesserung für die Entwicklung besserer Produkte und Dienstleistungen November 2011 TECHNICAL REPORT REFERENCE TO CMU/SEI-2010-TR-033 REFERENCE TO ESC-TR-2010-033 Software Engineering Process Management Program Unlimited distribution subject to the copyright. http://www.sei.cmu.edu This report was prepared for the SEI Administrative Agent ESC/XPK 5 Eglin Street Hanscom AFB, MA...»





 
<<  HOME   |    CONTACTS
2016 www.book.dislib.info - Free e-library - Books, dissertations, abstract

Materials of this site are available for review, all rights belong to their respective owners.
If you do not agree with the fact that your material is placed on this site, please, email us, we will within 1-2 business days delete him.