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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein stroboskopisches Messverfahren
zur Messung von Form- und/oder Lageänderungen eines Objektes im
Raum. Hierfür
ist eine Strahlungsquelle vorgesehen, mit der die gepulste Strahlung
bereitgestellt und auf das Objekt gerichtet wird, wobei die vom
Objekt reflektierte Strahlung zur Ermittlung der Form- und/oder
Lageänderungen über Aufnahmemittel
detektiert wird.
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Stroboskopische
Messverfahren eignen sich zur Messung von Form- und/oder Lageänderungen eines
Objektes im Raum, wobei die Form- und/oder Lageänderungen des Objektes sehr
schnell ablaufen und sehr kleine Wegestrecken umfassen, die mit
gewöhnlichen
bildgebenden Messverfahren nicht erfassbar sind. Folglich müssen sowohl
sehr kleine Lageänderungen
des Objektes im Raum messtechnisch erfasst werden, wobei auch eine
Formänderung
des Objektes selbst mittels stroboskopischer Messverfahren erfasst
werden muss. Derartige Formänderungen
ergeben sich beispielsweise bei schwingungsangeregten Objekten,
wie dies bei Strahltriebwerken von Luftfahrzeugen im Betrieb beobachtet
werden kann. Beispielhaft sei das Schwingungsverhalten von Schaufelelementen
von Triebwerken für
Luftfahrzeuge genannt, die im Betrieb Eigenschwingungen aufweisen
können
und die messtechnisch erfasst werden müssen. In diesem Zusammenhang
kann die Scherografie genannt werden, dessen Verfahren auf der Messung
von mechanischen Verformungen der Objektoberfläche beruht. Hieraus können Fehlstellen
im Material detektiert werden, wobei ferner eine quantitative Beurteilung der
Fehlstellen und deren Überwachung
ermöglicht ist,
da die Verformungen des Objektes im Zusammenhang mit mechanischen,
festigkeitsrelevanten Eigenschaften wie Steifigkeit und Dämpfung des
Objektes stehen.
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Das
vorliegende Verfahren nutzt eine Strahlungsquelle, mit der gepulste
Strahlung bereitgestellt wird, wobei die Strahlungsquelle zumeist
eine Laserstrahlquelle ist. Die Laserstrahlquelle emittiert gepulste
Strahlung mit einer hohen Repetitionsrate, die die Anzahl der emittierten
Laserpulse pro Zeiteinheit beschreibt. Die gepulste Strahlung wird
auf das Objekt gerichtet, dessen Oberfläche diese reflektiert. Die
reflektierte Strahlung kann mit Aufnahmemitteln detektiert werden,
wobei sich die Form- und/oder Lageänderungen des Objektes im Verhalten
der reflektierten Strahlung abbilden.
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Die
reflektierte Strahlung wird über
eine Kamera aufgenommen, wobei diese Bildfolgen des Objektes wiedergibt,
die die räumlichen Änderungen des
Objektes abbilden. Durch die Beleuchtung des Objektes mit ultrakurzen
Pulsen im Sub-Pikosekundenbereich
können
Bilder eines Objektes quasi eingefroren werden. Nachteilhaft ist
jedoch, dass die zeitliche Auflösung
der räumlichen Änderungen durch
die Repetitionsrate des Lasers und die Bildverarbeitungszeit der
optischen Kamera begrenzt ist. Folglich ist nicht nur die minimal
detektierbare Pulsdauer des Einzelpulses als limitierender Faktor
zu nennen, da auch die Repetitionsrate des Lasers begrenzt ist und
die erforderliche Bildverarbeitungszeit der optischen Kamera die
Anzahl der detektierbaren Bilder pro Zeiteinheit begrenzt. Für sehr hochfrequente
Formänderungen
des Objektes im Raum oder für
sehr hohe Geschwindigkeiten, mit denen sich das Objekt im Raum in
der Lage ändert,
können herkömmliche
stroboskopische Messverfahren nicht eingesetzt werden, woraus sich
das Erfordernis nach erweiterten Messmöglichkeiten für die Vermessung schnellster
Vorgänge
ergibt.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein stroboskopisches
Messverfahren zur Messung von Form- und/oder Lageänderungen
eines Objektes im Raum derart weiterzubilden, dass eine zeitlich
hoch auflösende
Messung von Form- und/oder Lageänderungen
eines Objektes im Raum möglich
ist.
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Diese
Aufgabe wird ausgehend von einem stroboskopischen Messverfahren
zur Messung von Form- und/oder Lageänderungen eines Objektes im Raum
gemäß des Oberbegriff
des Anspruchs 1 sowie einer Vorrichtung hierzu gemäß des Oberbegriffs des
Anspruchs 9 mit den jeweils kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen sind in den abhängigen
Ansprüchen
angegeben.
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Die
Erfindung schließt
die technische Lehre ein, dass die auf das Objekt gerichtete Strahlung
wellenlängen-
und zeitkodiert bereitgestellt wird und wobei Mittel vorgesehen
sind, mit denen die reflektierte Strahlung mehreren Aufnahmemitteln
zeit- und wellenlängenabhängig zugeteilt
wird.
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Durch
die wellenlängen-
und zeitkodierte Bereitstellung der gepulsten Strahlung ergibt sich
die Möglichkeit,
eine Bildfolge des Objektes bereitzustellen, die mehr Bilder pro
Zeiteinheit aufweist, als dies der Repetitionsrate der gepulsten
Strahlung entspricht. Die Wellenlängenkodierung bewirkt verschiedene
Wellenlängen,
in die der von der Strahlungsquelle emittierte Einzelpuls überführt wird.
Folglich umfasst der Einzelpuls mehrere Farben, wobei die Zeitkodierung
eine Aufeinanderfolge der farblich getrennten Pulse einer Pulsfolge
beschreibt.
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Die
Strahlungsquelle ist vorzugsweise eine Laserstrahlquelle, die zunächst Einzelpulse
einer diskreten Wellenlänge
emittiert. Durch die Wellenlängen-
und Zeitkodierung werden die Einzelpulse in Pulsfolgen überführt, wobei
aufeinander folgende Pulsfolgen die Repetitionsrate der Laserstrahlquelle beschreibt.
Im Ergebnis wird die Anzahl der verfügbaren Einzelbilder pro Zeiteinheit
mit dem Faktor vergrößert, der
sich durch die Anzahl der Pulse ergibt, in die die vom Laser emittierten
Einzelpulse überführt werden.
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Die
Wellenlängen-
und Zeitkodierung der auf das Objekt gerichteten Strahlung ergibt
sich ebenfalls für
die reflektierte Strahlung. Daher sind erfindungsgemäß Mittel
vorgesehen, durch die die Pulse mehreren Aufnahmemitteln wellenlängenabhängig zugeteilt
werden kann. Die Mittel für
die Wellenlängen-
und Zeitkodierung der auf das Objekt gerichteten Strahlung können entweder
in der Strahlungsquelle selbst oder im Strahlengang zwischen der Strahlungsquelle
und dem Objekt angeordnet sein. Die Mittel, die vorgesehen sind,
die reflektierte Strahlung mehreren Aufnahmemitteln zuzuteilen,
sind hingegen im Bereich des Strahlengangs angeordnet, der sich
zwischen dem Objekt und den Aufnahmemitteln erstreckt. Folglich
ist sowohl eine herkömmliche Strahlungsquelle
als auch herkömmliche
Aufnahmemittel, beispielsweise in Form von Kameras einsetzbar, wobei
nicht eine Kamera sondern mehrere Kameras vorgesehen sind, die wellenlängenabhängig die
reflektierte Strahlung detektieren. Im Folgenden werden sowohl die
ersten Mittel zur Wellenlängen- und
Zeitkodierung der auf das Objekt gerichteten Strahlung als auch
die zweiten Mittel zur wellenlängen-
und zeitabhängigen
Zuteilung der Strahlung auf mehrere Aufnahmemittel genauer dargestellt.
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Zur Überführung der
Einzelpulse in Pulsfolgen wird die von der Strahlungsquelle emittierte Strahlung
mittels Strahlteilern in mehrere Teilstrahlen aufgeteilt, wodurch
sich unterschiedliche Weglängen für die Teilstrahlen
ergeben. Strahlteiler sind im Allgemeinen optische Bauelemente,
durch die ein Lichtstrahl in zwei Teilstrahlen aufgeteilt werden
kann. Diese umfassen zumeist Substrate mit einer Oberflächenbeschichtung,
die eine Teilreflexion der Strahlung bewirken, so dass im Ergebnis
zwei Teilstrahlen mit einem Strahlteiler gebildet werden. Bei Anordnung
mehrerer Strahlteiler kann ein Einzelstrahl in mehrere Teilstrahlen
aufgeteilt werden, wobei vorliegend drei Teilstrahlen vorgesehen
sind. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können jedoch auch zwei Teilstrahlen
oder mehr als drei Teilstrahlen vorgesehen sein, wobei mit einer
höheren
Anzahl der Teilstrahlen die Genauigkeit der Messung weiter erhöht werden
kann. Die von der Laserstrahlquelle bereitgestellten Einzelpulse
weisen Pulslängen
von wenigen Pikosekunden oder Femtosekunden auf. Wird der Einzelstrahl
in mehrere Teilstrahlen aufgeteilt, ergeben sich unterschiedliche
Weglängen
für die
Teilstrahlen. Bei Pulsen mit derart kurzen Pulsdauern ergeben sich
bei unterschiedlichen Weglängen
aufeinander folgende Wellenzüge,
die auf das Objekt auftreffen und an diesem wieder reflektiert werden.
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Die
durch die Strahlteiler bereitgestellten Teilstrahlen durchlaufen
optisch nichtlineare Materialien, wodurch diese wellenlängentransformiert
werden. Die Wellenlängentransformation
erfolgt durch Wechselwirkung zwischen der Strahlung und der Materie
der optisch nichtlinearen Materialien, wodurch eine Verlagerung der
Wellenlänge
erfolgen kann. Im Ergebnis ergeben sich mehrere Teilstrahlen unterschiedlicher
Wellenlänge,
die als Pulsfolge auf das Objekt gerichtet werden. Die Teilstrahlen
werden dabei vor Auftreffen auf das Objekt mittels Kantenfilter wieder
auf eine optische Achse vereinigt und durch ein Teleskop geleitet,
um eine Kollimation der Teilstrahlen zu schaffen, bevor diese auf
das Objekt auftreffen. Die Teilstrahlen bilden dabei die Pulsfolge, wobei
bei drei Teilstrahlen drei Wellenzüge unterschiedlicher Wellenlängen aufeinander
folgen und die Pulsfolge bilden. Die Pulsfolge wird dabei mit der Repetitionsrate
der Laserstrahlquelle wiederholt, so dass eine kontinuierliche Folge
der Teilstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen auf das Objekt auftrifft.
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Das
stroboskopische Messverfahren beruht auf dem Prinzip der Reflexion
der auf das Objekt gerichteten Strahlung, in der sich die Form-
und/oder Lageänderungen
des Objektes abbilden. Die reflektierte Strahlung wird daher zunächst mit
einem weiteren Teleskop erfasst, wobei alle Wellenzüge mit den jeweiligen
Wellenlängen
auf einer optischen Achse kollimiert werden. Nach Durchlauf des
Teleskops wird die reflektierte Strahlung mittels einer Filteranordnung
wieder in die einzelnen Wellenzüge
aufgeteilt. Die Filteranordnung kann aus Farbfiltern bestehen, die
auf die zuvor aufgeteilten Wellenlängen der Teilstrahlen abgestimmt
sind. Im Ergebnis können über die
Aufnahmemittel die einzelnen Teilstrahlen detektiert werden, die
zuvor mittels der Strahlteiler und der optisch nichtlinearen Materialien
in einzelne Teilstrahlen aufgeteilt und wellenlängentransformiert wurden.
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Die
Aufnahmemittel sind derart beschaffen, dass diese die vom Objekt
reflektierten Wellenzüge einzeln
aufnehmen können,
wobei diese durch die Aufnahmemittel diskret weiter verarbeitet
werden. Die Aufnahmemittel können vorzugsweise
durch Kameras gebildet werden, die farblich kodierte Bilder aufnehmen
können.
Es ist auch vorstellbar, eine Kamera zu verwenden, die getrennt
nach Farben den Teilstrahlen zu einem jeweils diskreten Zeitpunkt
eine Abbildung des Objektes hinsichtlich der Form- und/oder Lageänderung
zuordnet. Die farblich kodierten Bilder werden nachfolgend einer
Bildverarbeitungseinheit zugeleitet, die diese miteinander vergleicht
und eine Bildsequenz erzeugt.
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Das
vorliegende Messverfahren bedient sich daher der Möglichkeit,
einen monochromatischen Einzelpuls kurzer Pulsdauer durch eine Wellenlängentransformation
in farblich kodierte Teilstrahlen zu unterteilen. Über eine
Weglängendifferenz
der einzelnen Teilstrahlen können
diese zeitlich versetzt werden, wobei die Pulsdauern der Teilstrahlen
im Pikosekundenbereich oder im Femtosekundenbereich angeordnet sind.
Gemäß der vorliegenden
Erfindung werden bevorzugt drei Teilstrahlen mit drei unterschiedlichen
Wellenlängen
erzeugt. Werden mehr als drei Teilstrahlen erzeugt, kann eine Bildsequenz
mit mehr als drei hintereinander ablaufenden Momentaufnahmen des
Objektes erzeugt werden. Folglich steigt die Erhöhung der Messgenauigkeit mit
der Anzahl der erzeugten und farblich unterschiedlichen Teilstrahlen.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf eine stroboskopische
Messvorrichtung zur Messung der Form- und/oder Lageänderungen
des Objektes im Raum. Hierfür
ist eine Strahlungsquelle vorgesehen, die gepulste Strahlung bereitstellt
und die auf das Objekt gerichtet ist, wobei vom Objekt reflektierte
Strahlung zur Ermittlung der Form- und/oder Lageänderungen über Aufnahmemittel detektierbar sind.
Erfindungsgemäß sind erste
Mittel vorgesehen, die die auf das Objekt gerichtete Strahlung wellenlängen- und
zeitkodiert bereitstellen, wobei zweite Mittel vorgesehen sind,
mit denen die reflektierte Strahlung mehreren Aufnahmemitteln wellenlängen- und
zeitdiskret zuteilbar ist. Die ersten Mittel sind dabei durch Strahlteiler
gebildet, mit denen die Strahlung in mehrere Teilstrahlen aufteilbar
ist, wobei die ersten Mittel ferner optisch nichtlineare Materialien
aufweisen, mit denen die Teilstrahlen wellenlängentransformierbar sind. Hingegen
sind die zweiten Mittel durch eine Filteranordnung gebildet, die
die vom Objekt reflektierte Strahlung wellenlängendiskret mehreren zugeordneten
Kameras zuteilt. Schließlich
ist eine Bildverarbeitungseinheit vorgesehen, die die farblich kodierten Bilder
von den Kameras miteinander vergleicht und hieraus eine Bildsequenz
erzeugt.
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Weitere,
die Erfindung verbessernde Maßnahmen
werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels
der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.
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Es
zeigt:
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1 ein
Ausführungsbeispiel
eines Strahlengangs zwischen einer Strahlungsquelle und einem Objekt
mit ersten Mitteln zur Ausführung
des erfindungsgemäßen stroboskopischen
Messverfahrens;
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2 eine
beispielhafte Darstellung des Verlaufes der durch die Strahlungsquelle
bereitgestellten gepulsten Strahlung, die aus einer Pulsfolge von
drei farblich kodierten Pulsen besteht und
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3 eine
schematische Darstellung des Strahlengangs der vom Objekt reflektierten
Strahlung in Richtung mehrerer Aufnahmemittel, die durch Kameras
gebildet sind und die die Teilstrahlen farblich getrennt voneinander
detektieren.
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In 1 ist
ein Ausführungsbeispiel
eines Strahlengangs zwischen einer Strahlungsquelle 2 und
einem Objekt 1 dargestellt, mit dem ein stroboskopisches
Messverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung
ausgeführt
werden kann. Die Strahlung wird von der Strahlungsquelle 2 als
gepulste Strahlung 3 bereitgestellt und auf das Objekt 1 gerichtet. Die
gepulste Strahlung 3 besteht aus einer Folge von Einzelpulsen,
wobei die Strahlungsquelle 2 als Laserstrahlquelle ausgeführt ist.
Die Einzelpulse sind monochromatisch, kohärent und verlaufen parallel der
optischen Achse der gepulsten Strahlung 3. Die Einzelpulse
treffen auf Strahlteiler, durch die die gepulste Strahlung 3 in
mehrere Teilstrahlen 3a, 3b und 3c aufgeteilt
wird. Insgesamt sind drei Strahlteiler 4a, 4b und 4c vorgesehen,
wobei der erste Strahlteiler 4a beispielsweise ein Drittel
der Strahlung durchlässt und
zwei Drittel der Strahlung auf die benachbarten Strahlteiler 4b und 4c umlenkt.
Folglich ist der Strahlteiler 4b derart ausgelegt, dass
dieser 50% der Strahlung reflektiert und 50% der Strahlung den Strahlteiler
durchlaufen kann. Schließlich
ist der Strahlteiler 4c als reine Strahlumlenkung ausgebildet und
weist eine Reflexion von 100% auf. Im Ergebnis werden drei Teilstrahlen 3a, 3b und 3c gebildet,
die alle eine im Wesentlichen gleiche Intensität aufweisen.
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Die
Teilstrahlen 3a, 3b und 3c durchlaufen jeweils
zugeordnete optisch nichtlineare Materialien 5a, 5b und 5c,
die eine Wellenlängentransformation der
Teilstrahlen 3a, 3b und 3c bewirken.
Folglich sind zumindest die Teilstrahlen 3b und 3c wellenlängentransformiert,
so dass alle drei Teilstrahlen 3a, 3b und 3c eine
unterschiedliche Wellenlänge
aufweisen. Die Teilstrahlen werden durch Kantenfilter 6a, 6b und 6c wieder
auf die optische Achse vereint, so dass alle drei Teilstrahlen 3a, 3b und 3c ein
Teleskop 7 durchlaufen können, um eine Kollimation der
Strahlung zu bewirken, die auf das Objekt 1 gerichtet ist.
Aufgrund der Weglängendifferenz
der Strahlengänge
der Teilstrahlen 3a, 3b und 3c entsteht
ein zeitlicher Versatz der farblich unterschiedlichen Einzelpulse,
da sich die Pulslängen
im Pikosekunden- oder im Femtosekundenbereich befinden.
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2 zeigt
drei aufeinander folgende Farbpulse, die durch die Pulsfolgen mit
den getrennten Wellenzügen λ1, λ2, und λ3 dargestellt
sind. Die Einzelpulse sind durch die jeweiligen Pulsfolgen wiedergegeben,
wobei drei Einzelpulse mit jeweils drei Farbpulsen dargestellt sind.
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3 zeigt
den Strahlengang der vom Objekt 1 reflektierten Strahlung.
Diese trifft zunächst wieder
auf ein Teleskop 8, das eine Kollimation der Strahlung
bewirkt. Anschließend
trifft die Strahlung auf eine Filteranordnung 9, die die
Strahlung wie in obenstehend bereits beschriebener Weise in die
einzelnen Wellenzüge λ1, λ2, und λ3 aufteilt.
Folglich ist die Filteranordnung 9 als eine Anordnung von
drei Farbfiltern ausgeführt,
so dass mehrere Kameras 10a, 10b und 10c beleuchtet
werden können.
Daher wird die Kamera 10a mit dem Puls der Wellenlänge λ1, die Kamera 10b mit
dem Puls der Wellenlänge λ2 und die
Kamera 10c mit dem Puls der Wellenlänge λ3 ausgeleuchtet. Schließlich ist
eine Bildverarbeitungseinheit vorgesehen, an die die farblich kodierten
Bilder durch die Kameras geleitet werden, die diese miteinander
vergleicht und im Ergebnis eine Bildsequenz erzeugt. Der zeitliche
Abstand von Bild zu Bild innerhalb der Bildsequenz, die durch die
Wellenzüge λ1, λ2, und λ3 erzeugt
wurden, entspricht dem zeitlichen Abstand zwischen den Wellenzügen λ1, λ2, und λ3, der sich
durch die Weglängendifferenz
der Teilstrahlen 3a, 3b und 3c ergibt.
Folglich ist mit dem erfindungsgemäßen stroboskopischen Messverfahren eine
erhebliche Erhöhung
der zeitlichen Auflösung der
Messung von Form- und/oder Lageänderungen eines
Objektes im Raum ermöglicht,
wobei eine weitere Erhöhung
der zeitlichen Auflösung
der Messung durch eine Überführung der
Einzelpulse in mehr als drei Pulse einer Pulsfolge ermöglicht ist.
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Die
Erfindung beschränkt
sich in ihrer Ausführung
nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel.
Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch
bei grundsätzlich
anders gearteten Ausführungen
Gebrauch macht.
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- 1
- Objekt
- 2
- Strahlungsquelle
- 3
- Strahlung
- 3a
- erster
Teilstrahl
- 3b
- zweiter
Teilstrahl
- 3c
- dritter
Teilstrahl
- 4
- Strahlteiler
- 5a
- optisch
nichtlineares Material
- 5b
- optisch
nichtlineares Material
- 5c
- optisch
nichtlineares Material
- 6a
- erstes
Kantenfilter
- 6b
- zweites
Kantenfilter
- 6c
- drittes
Kantenfilter
- 7
- Teleskop
- 8
- Teleskop
- 9
- Filteranordnung
- 10a
- erste
Kamera
- 10b
- zweite
Kamera
- 10c
- dritte
Kamera
- 11
- Bildverarbeitungseinheit
- λ1
- erster
Wellenzug
- λ2
- zweiter
Wellenzug
- λ3
- dritter
Wellenzug