Ziel war es, eine mathematische Methode zu entwickeln, um dreidimensionale akustische Felder von Ultraschall-Sendern- und Resonatoren zu simulieren, insbesondere im Hinblick auf etwaige Anwendungen im Feld der Partikelmanipulation. Experimentelle Ergebnisse von Ultraschall-Resonatoren weisen bestimmte Regionen mit höherer und niedriger Partikeldichte auf. Es stellt sich die Frage, ob diese Regionen von transversalen, primären Schallstrahlungskräften herrühren, oder ob sie von vorn herein dem Interferenzfeld des Resonators geschuldet sind. Untersucht wird das von einem Ultraschall-Sender emittierte akustische Feld mit Hilfe des numerisch implementierten Angular Spektrum Approaches, einer schnellen und akkuraten Methode zum Berechnen von Interferenzfeldern. Das dreidimensionale Druckfeld wird aus der Normalgeschwindigkeitsverteilung an der Sender Oberfläche berechnet. Das Feld wird daraufhin Fourier-transformiert und läuft im Orts-Frequenzraum durch Multiplikation mit einem Propagations-Term fort. Die inverse Fourier Transformation der Zielebene liefert wiederrum die gewünschte Druckverteilung an dieser. Runde und rechteckige Sender, der Einfluss von verschiedenen Normalgeschwindigkeits-verteilungen an der Ultraschall-Sender-Oberfläche auf das resultierende Feld, verschieden große Reflektorflächen, Anti-Resonanz-Situationen und Multireflexionen im Resonator werden numerisch untersucht und verglichen. Dies soll die Frage nach der Ursache der beobachteten Ultraschall-Interferenzmuster in einem Resonator klären.
The aim was to create a mathematical method to simulate 3 dimensional acoustic fields of an ultrasound transducer and radiator with regard to particle manipulation applications. Experimental results of ultrasound resonators show specific regions and patterns with higher and lower particle density. The question is, whether these regions originate from secondary acoustic radiation forces or if they are solely caused by the interference pattern of the resonator. The acoustic field radiated from an ultrasonic transducer is investigated using the numerically implemented Angular Spectrum Approach, a very fast and accurate method of calculating diffraction fields. The 3dimensional pressure field is calculated from the normal velocity distribution on the transducer surface. The field is then Fourier transformed and propagated in the spatial frequency domain by multiplication with a propagating term. The inverse Fourier transform of the destination plane yields the final field of interest. Circular and rectangular transducers, the influence of different normal velocity distributions on the transducer surface for the resulting field, different reflector sizes, off-resonance situations and multiple reflections were investigated numerically and compared to experimental results. By these means we hope to find an answer to the question of origin of the observed resonator interference patterns.