Ultrasonic Absorption Measurements in Liquids Above 100 MHz with Continuous Waves, Employing Algebraic Crosstalk Elimination

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Abstract:

Ultrasonic absorption measurements in liquids are usually executed with pulse modulated sine wave signals, if high liquid attenuation values αL x > 1.5 (αL: attenuation per unit length; x: transducer separation) suppress standing waves and prevent an application of sensitive resonator techniques. By means of pulse methods ultrasonic signals can be separated from electromagnetic crosstalk [CT], ubiquitous at higher frequencies, taking advantage of the difference in propagation velocity for electromagnetic and acoustic waves (factor 105 approximately). As an alternative a method is described with ultrasonic cells driven by a continuous wave [CW] voltage; the superposed CT signal (vector) is determined separately, interpolated and subtracted from the total output signal. In this way traditional pulse measurements can be supplemented or possibly substituted by CW measurements with reduced driving peak power and receiver bandwidth, using solely RF vector voltmeters or network analyzers. Crosstalk elimination, which is essential for this method, will be discussed. The chances (and pitfalls as well) of this new nonresonant CW method are exemplified up to 500 MHz. Equipment, procedures and analysis for such measurements, which are quite useful for many physicochemical studies, are described.

Zusammenfassung

Ultraschall-Absorptionsmessungen in Flüssigkeiten warden üblicherweise mit impulsmodulierten Sinussignalen ausgeführt, falls starke Flüssigkeitsabsorption αL x > 1.5 (αL: Absorption pro Längeneinheit; x: Wandlerabstand) stehende Wellen unterdrückt und so die Anwendung empfindlicher Resonatormethoden verhindert. Mit Hilfe von Impulsmethoden lassen sich Ultraschall-Signale von dem bei höheren Frequenzen allgegenwärtigen elektromagnetischen Übersprechen [CT] trennen, indem man den großen Unterschied in der Ausbreitungsgeschwindigkeit von elektromagnetischen und akustischen Wellen (Faktor ca. 105) ausnutzt. Hier wird ein alternatives Verfahren beschrieben, bei dem Ultraschall-Zellen mit einer kontinuierlichen Spannung [CW] betrieben werden; das überlagerte (vektorielle) CT-Signal wird dabei unabhangig ermittelt, interpoliert und vom totalen Ausgangssignal subtrahiert. Auf diese Weise künnen traditionelle Impulsmessungen ergänzt und möglicherweise ersetzt werden durch CW-Messungen mit reduzierter Antriebs- Spitzenleistung und Empfängerbandbreite, die praktisch mit HF-Vektorvoltmetern oder Netzwerk-Analysatoren allein ausgeführt werden können. Die für dieses Verfahren wesentliche Eliminierung des Übersprechens wird diskutiert. Möglichkeiten und auch Probleme dieser neuen, nichtresonanten CW-Methode werden an Beispielen, bis zu 500 MHz, aufgezeigt. Ausrüstung, Ablauf und Analyse solcher Messungen, die für viele physikochemische Studien von Nutzen sind, werden angegeben.

Sommaire

Les mesures d'absorption des ultrasons dans les liquids se font généralement à l'aide d'impulsions modulées, si l'atténuation dans le liquide est suffisamment élevée (αL x > 1,5; αL étant l'atténuation par unité de longueur et x la séparation des transducteurs) pour éviter les ondes stationnaires et dispenser de l'utilisation de résonateurs sensibles. L'emploi d'impulsions permet de séparer les signaux produits par les ultrasons de ceux d'origine électromagnétique, toujours présents simultanément en haute fréquence, en exploitant les différences de vitesses de propagation des deux types d'onde, qui sont dans un rapport d'environ 105. Une autre approche, décrite ici, consiste à utiliser des cellules ultrasonores pilotées par une tension continue, le signal électromagnétique associé (vectoriel) étant traité séparément, et soustrait du signal global de sortie. La méthode traditionnelle de mesures en impulsions peut ainsi être secondée, et peut-être remplacée, par les mesures en ondes continues, ce qui réduit la puissance d'alimentation nécessaire ainsi que la largeur de bande du récepteur, et ne nécessite que des voltmétres vectoriels ou des analyseurs de réseaux. Après une discussion sur la technique d'élimination de la diaphonie, nous présentons les atouts (mais aussi les pièges) de cette nouvelle méthode non-résonante utilisable jusqu'à 500 MHz. On décrit également l'équipement, les procédures et l'analyse mis en oeuvre pour de telles mesures, qui sont fort utiles pour bien des études physicochimiques.

Document Type: Research Article

Publication date: February 1, 1993

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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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