PHY13 Ultraschall-Dopplereffekt

Als Doppler-Effekt wird die Änderung der wahrgenommenen Frequenz von Wellen bezeichnet, während sich Sender und Empfänger relativ zueinander bewegen. Dieser Effekt wird genutzt, um bewegte Strukturen abzubilden. So kann z. B. mit Ultraschall die Strömungsgeschwindigkeit bzw. die Durchflussmenge eines Flüssigkeitsstroms bestimmt werden. Hierbei wird die Frequenzverschiebung einer Ultraschallwelle, die unter einem bestimmten Doppler-Winkel in den Flüssigkeitsstrom eingekoppelt wird, bei Streuung der Welle an kleinen Partikeln, wie etwa Verunreinigungen, gemessen. Im Versuch wird durch eine Variation der Pumpenleistung, der Sendefrequenz und des Einschallwinkels die Abhängigkeit der Dopplerfrequenzverschiebung Δf von der Strömungsgeschwindigkeit v (Bewegungsgeschwindigkeit der Streupartikel) und dem Doppler-Winkel α für verschiedene Grundfrequenzen f₀ untersucht. Für ein Impuls-Echo-System mit einem Ultraschallwandler gilt vereinfacht folgender Zusammenhang: Δf ~ f₀ v cos(α).

Die Grafiken zeigen die Frequenzverschiebung und das Verhältnis Δf / cos(α) in Abhängigkeit von der Pumpenleistung für verschiedene Dopplerwinkel bei der Sendefrequenz 2 MHz. Die bestimmte Dopplerfrequenzverschiebung nimmt mit steigender Drehzahl und kleiner werdendem Doppler-Winkel zu. Der Quotient Δf / cos(α) (die Strömungsgeschwindigkeit v) ist für gleiche Pumpenleistungen konstant, d. h. es tritt keine winkelabhängige Fehlmessung auf.

Bildschirmkopie der Messsoftware FlowView

Deopplerfrequenzverschiebung in Abhängigkeit von Pumpdrehzahl und Dopplerwinkel

Strömungsgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Pumpdrehzahl