Plattenresonanzen in polykristallinen Proben

Schallwellen sind mechanische Schwingungen, die sich in elastischen Medien wie z.B. Festkörpern ausbreiten können. Im Gegensatz zu Lichtwellen sind die meisten Festkörper für Schallwellen transparent, eine Eigenschaft, die in vielen Ultraschall-basierten Mess- und Bildgebenden-Verfahren im medizinischen Bereich sowie in der Werkstoffprüfung ausgenutzt wird. Üblicherweise wird bei der Analyse elastischer Wellen angenommen, dass die Medien homogen sind, und sich die Wellen mit konstanter, richtungsunabhängiger Schallgeschwindigkeit ausbreiten. In Wirklichkeit haben die meisten Festkörper aber eine interne Struktur bzw. Unregelmäßigkeiten auf mikroskopischer Ebene. Metalle sind vorwiegend polykristallin, also eine Ansammlung dicht gepackter mikroskopischer Körner mit perfekter Kristallstruktur. In jedem einzelnen Korn breiten sich Schallwellen gleichförmig, aber mit richtungsabhängiger Geschwindigkeit aus. An den Grenzflächen zwischen benachbarten Körnern werden sie teilweise reflektiert und gebrochen. Von außen betrachtet verändert diese Korngrenzenstreuung die mittlere Schallgeschwindigkeit, und die Welle wird gedämpft, d.h. das Material wird für sie zunehmend intransparent. Dieser Effekt ist stark vom Verhältnis zwischen Wellenlänge und mittlerer Korngröße abhängig, und nimmt mit sinkender Wellenlänge bzw. steigendem Korndurchmesser zu. Einerseits erschwert vor allem die Dämpfung, mittels Beobachtung von Schallwellen Information aus tief gelegenen Materialbereichen (z.B. Defekte) zu erlangen. Andererseits enthält die Art wie die Wellen gestreut werde aber Informationen über die Ursache der Streuung, der internen Mikrostruktur, und kann zur deren Analyse genutzt werden. Ein tiefes Verständnis über das Verhalten von Schallwellen in polykristallinen Materialien ist daher nicht nur von akademischem Interesse, sondern hat auch große Relevanz für Anwendungen im Bereich der Materialcharakterisierung und für die Entwicklung neuer Materialien. In diesem Projekt wird der Einfluss der polykristallinen Mikrostruktur auf das Verhalten von geführten Plattenwellen untersucht. Ähnlich wie Licht in einer Glasfaser, werden auch Schallwellen entlang einer Platte geführt. Das Verhalten dieser Wellen unterscheidet sich merklich von jenem der Körper- Schallwellen. Beispielsweise können bei bestimmten Frequenzen Resonanzen mit großen Schwingungsamplituden auftreten. Manche dieser Resonanzen haben zusätzlich die (für Wellen merkwürdige) Eigenschaft, sich nicht auszubreiten. Werden sie etwa mit einem kurzen Laserpuls, der die Probenoberfläche schlagartig erhitzt, erzeugt, so verweilen Sie an diesem Ort, und können Rückschlüsse über lokale Materialeigenschaften liefern. Der Einfluss der polykristallinen Mikrostruktur auf Plattenresonanzen ist bisher kaum untersucht, eine Lücke, die in diesem Projekt geschlossen werden soll. Dies soll mit Hilfe von Laser-Ultraschall Experimenten, numerischen Simulationen, und der Entwicklung von mathematischen Modellen gelingen.