De 3D-microfoon: visualisatie van ultrasound via luminescentie

Groep: LumiLab

Promotoren: Prof. Philippe Smet (Lumilab, WE04) en prof. dr. Ir. Mathias Kersemans (Mechanics of Materials and Structures MMS, EA10)

Begeleiding: Simon Michels

Inlichtingen: tel. 09/264.43.42 of contacteer rechtstreeks een betrokken persoon (de contactgegevens opvragen door op de naam te klikken)

1718LU0502.png

Projectbeschrijving

Een geluidsgolf plant zich voort in een medium als een drukgolf met bepaalde eigenschappen (drukamplitude, frequentie, …). Wanneer zo’n golf wordt opgevangen door ons trommelvlies bestempelen we deze eigenschappen als de klank van het geluid (intensiteit, toonhoogte,…). Als wetenschappers zijn we echter steeds nieuwsgierig en vragen we ons niet alleen af hoe geluid klinkt, maar ook hoe een geluidsgolf eruit ziet. Een belangrijke vorm van geluid op het gebied van toepassingen is ultrasound. Wanneer de frequentie van de golf hoger wordt dan 20 kHz, kunnen de reflectie- en transmissie-eigenschappen gebruikt worden om zaken te onderzoeken die anders onbereikbaar zouden zijn, zoals in echografie (figuur 1a) of schadedetectie in composietmaterialen zoals windomolen- en vliegtuigvleugels (figuur 1b).

Figuur 1: Ultrasound toegepast in (a) echografie en (b) schadedetectie.
Figuur 1: Ultrasound toegepast in (a) echografie en (b) schadedetectie.

Om ultrasound op een juiste manier toe te passen, is het belangrijk om de ingestuurde golf perfect te kennen. Hier komt onze wetenschappelijke nieuwsgierigheid van pas: we willen de ultrasone geluidsgolf ruimtelijk visualiseren. Dit kan in theorie door een microfoon in elk punt van het geluidsveld te plaatsen, maar dit is een tijdrovende en dure methode. Onlangs demonstreerden de onderzoeksgroepen LumiLab en MMS de detectie van ultrasound met behulp van het luminescente materiaal BaSi2O2N2:Eu. Dit luminescente materiaal (ook een fosfor genoemd) vertoont een dergelijk hoge sensitiviteit voor geluidsgolven dat het oplicht op de precieze plaatsen waar de golf invalt. Dit kan je zien in de figuur: de ultrasone geluidsbron (“transducer”) zendt drukgolven naar het (groene) fosfor-sample, dat vervolgens plaatselijk oplicht. Op die manier wordt een doorsnede bekomen van het geluidsveld, op een specifieke afstand tussen transducer en sample. 

1718LU0503.png

Op dit moment is er echter nog weinig gekend over dit luminescente fenomeen en het fysische mechanisme erachter. Deze masterthesis heeft als doel de verschillende factoren die bijdragen tot de specifieke eigenschappen van de lichtemissie experimenteel te onderzoeken. Afhankelijk van de eigen interesse kan je het effect op de lichtemissie van verschillende uitrageluid-parameters bekijken (zoals frequentie en intensiteit) in een zelfgebouwde opstelling, andere luminescente materialen verkennen (of er zelf één ontwikkelen) en onderzoeken of dit fenomeen uit te breiden valt naar vibraties (kHz frequenties) en/of quasi-statische spanningen (Hz frequenties) in structuren. Dit kan uiteindelijk leiden tot “smart engineering structures”, die hoogst gewild zijn in de industrie, met een ingebouwd alarmsysteem van lichtemissie bij ontoelaatbare spanningen (zoals bijvoorbeeld door rukwinden in een storm).

 

Dit onderzoeksproject kadert in een lopende samenwerking tussen LumiLab en de onderzoeksgroep Mechanics of Materials and Structures (MMS, Technologiepark). Dit thesisonderwerp kan ook gekozen worden in het kader van de Educatieve Master.