Ultrasonic Velocity and Attenuation Measurements in Liquids with Resonators, Extending the MHz Frequency Range

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Abstract:

One-dimensional eigenfrequency and response equations for liquid filled ultrasonic plate resonators under steady state (CW) conditions are derived in a simplified way for practical usage in physical chemistry. Liquid velocity and absorption can be obtained from resonator transfer functions in an extended frequency range, as compared to popular half-power bandwidth (− 3dB) measurements. Hyperbolic and trigonometric (complex) transfer functions instead of the Lorentzian approximation permit ultrasonic resonator data evaluation also for attenuation per path-length (transducer separation) α x ≤ 0.1. Systematic errors from tranducers overtones, peak overlap, spurious modes (“satellites”) and electrical crosstalk can be eliminated by multipoint fitting procedures, either for magnitude, for phase or for complex amplitude spectra. In this way ultrasonic resonator measurements in liquids appear feasible for α x ≦ 1 at frequencies up to 100 MHz and possibly higher.

Zusammenfassung

Für die praktische Anwendung in der physikalischen Chemie werden vereinfachte eindimensionale Eigenfrequenz- und Übertragungsgleichungen für flüssigkeitsgefüllte Ultraschall-Plattenresonatoren unter stationären Bedingungen abgeleitet. Die Schallgeschwindigkeit und -absorption der Flüssigkeit wird aus einem breiteren Bereich der Übertragungsfunktionen des Resonators ermittelt, im Gegensatz zu der üblichen Halbwertsbreite- (— 3 dB)-Messung. Trigonometrische Übertragungsfunktionen mit komplexen Argumenten anstelle der Lorentzschen Näherung erlauben die Auswertung von Resonatordaten auch für α x ≤ 0,1 (x Wandlerabstand, α Dämpfung pro Längeneinheit). Systematische Fehler durch Oberschwingungen des Wandlers durch überlappende Spitzen, unerwünschte Moden (“Satelliten”) und elektrischem Übersprechen können durch Vielpunkt-Anpassungsprozeduren für das Betrags-, das Phasen- oder das komplexe Amplitudenspektrum eliminiert werden. Auf diese Weise erscheinen Messungen in Ultraschallresonatoren für Flüssigkeiten für α x ≦ 1 bei Frequenzen bis zu 100 MHz und mehr durchführbar.

Sommaire

En vue de leur utilisation pratique en chimie physique, on établit d'une manière simplifiée les réponses et fréquences propres à une dimension de résonateurs plans ultrasonores emplis de liquide dans les conditions du régime permanent. La vitesse et l'absorption dans le liquide peuvent se déduire des fonctions de transfert du résonateur sur une bande élargie de fréquences par rapport aux mesures traditionnelles de largeur de bande à − 3 dB. Les fonctions de transfert trigonométriques à arguments complexes permettent, contrairement à l'approximation de Lorentz, l'évaluation des données par résonateur ultrasonore y compris pour des atténuations par trajet α x (x étant la distance entre transducteurs) supérieures à 0,1. Les erreurs systématiques, dues aux harmoniques du transducteur, au chevauchement des pics, aux modes non longitudinaux ou à la réponse de la chaîne, peuvent être éliminées par des procédés d'ajustement multipoint, que ce soit pour le spectre d'amplitude, de phase ou d'amplitude complexe. De cette manière les mesures faites par résonateur semblent possibles pour des valeurs de α x inférieures ou égales à 1, à des fréquences allant jusqu'à 100 MHz et peut-être plus.

Document Type: Research Article

Publication date: June 1, 1992

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  • Acta Acustica united with Acustica, published together with the European Acoustics Association (EAA), is an international, peer-reviewed journal on acoustics. It publishes original articles on all subjects in the field of acoustics, such as general linear acoustics, nonlinear acoustics, macrosonics, flow acoustics, atmospheric sound, underwater sound, ultrasonics, physical acoustics, structural acoustics, noise control, active control, environmental noise, building acoustics, room acoustics, acoustic materials, acoustic signal processing, computational and numerical acoustics, hearing, audiology and psychoacoustics, speech, musical acoustics, electroacoustics, auditory quality of systems. It reports on original scientific research in acoustics and on engineering applications. The journal considers scientific papers, technical and applied papers, book reviews, short communications, doctoral thesis abstracts, etc. In irregular intervals also special issues and review articles are published.
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