Luft-Ultraschall Technik

Vom Ultraschallbild eines Ungeborenen, über die Fingerabdruckerkennung in Smartphones, bis hin zum Sonar-System für U-Boote. Ultraschall wird aufgrund seiner mechanischen Welleneigenschaft in vielfältigen Bereichen und in unterschiedlichen Medien eingesetzt. Am Fachgebiet Mess- und Sensortechnik sind wir auf den Einsatz von Ultraschall in Luft spezialisiert. Unsere Forschung fokussiert sich auf

• Sonar-Systeme zur Objektdetektion und industriellen Bildgebung,
• Waveguide-Technologie für flexibles Array-Design,
• Kontaktlose zerstörungsfreie Prüfung von Materialien,
• Hochgeschwindigkeits Durchflussmessung,
• Ultraschall-basierte Kraftmessung,
• Akustische Levitation zur berührungslosen Manipulation von Objekten und
• Gas-basierte Sono-Photonik, die Erforschung der Wechselwirkung zwischen akustischen Wellen und Licht in gasförmigen Medien,
• 3D-gedruckte, bioabbaubare ferroelektrische Ultraschallwandler.

Ergänzend dazu ermöglicht unsere Infrastruktur, darunter ein schalltoter Raum, präzise Messungen und Experimente in kontrollierter Umgebung.

Unsere Arbeit verbindet grundlegende Forschung mit praxisorientierten Anwendungen und eröffnet neue Möglichkeiten in der Luft-Ultraschalltechnik.

Wellenleiter sind im Allgemeinen Kanäle, die eine Schallwelle führen. Sei es der Schall, den wir durch unseren Gehörgang wahrnehmen oder unsere Stimme, die durch den Rachenraum transportiert wird. Die Geometrie des Kanals hat dabei einen signifikanten Einfluss auf die Schallwelle, wie zum Beispiel bei der Erzeugung von Oberwellen beim Singen. Zusätzlich bieten Wellenleiter eine Schutzfunktion, indem sie die schallerzeugende oder -aufnehmende Fläche vom Freifeld separieren.

Genau diesen Ansatz verfolgen wir, um Ultraschall Arrays zu schützen, deren akustische Eigenschaften zu optimieren und Array-Geometrien flexibel zu gestalten. Dabei stützen wir uns auf multiphysikalische Simulationen zur Untersuchung von Modenkonversionen, Laufzeitunterschiede und der akustischen Effizienz.

Spritzendes Kühlwasser, fliegende Späne und dichter Ruß sind keine Seltenheit in industriellen Umgebungen. Für die Anwendung von Arrays unter diesen Bedingungen bieten unsere Waveguides zwar Schutz für die Ultraschallwandler, jedoch ist ein Verstopfen der Kanalöffnungen selbst nicht ausgeschlossen.

Um eine zuverlässige Funktionsweise sicherzustellen, untersuchen wir deshalb die Anwendbarkeit von Schutzsystemen, welche beispielsweise auch in Smartphones oder Bluetooth Lautsprechern eingesetzt werden. Die Herausforderung besteht hierbei, die Kanäle zu schützen, ohne die akustische Effizienz stark zu beeinträchtigen. Je nach Art des Schutzes, müssen verschiedene Optimierungen vorgenommen werden. Zum Beispiel sind, ähnlich wie bei einer Gitarrensaite, die Vorspannung der Membranen auf die richtige Resonanzfrequenz oder die Porengröße der hydrophobe Textilien für die akustische Effizienz entscheidend.

Moderne mobile Roboter müssen sich in einer Vielzahl von unterschiedlichen Umgebungen zurechtfinden. Hierbei sind Rauch und Staub, schlechte Lichtverhältnisse, sowie Fenster und spiegelnde Oberflächen große Herausforderungen für etablierte Umgebungssensoren, wie z.B. Kameras und Lidars. Mit Ultraschall Sonar Systemen lassen sich Objekte auch unter diesen Bedingungen zuverlässig dreidimensional lokalisieren, wodurch eine präzise Navigation und Kartierung gewährleistet wird.

An unserem Fachgebiet untersuchen wir die Möglichkeiten und Grenzen von Sonar Systemen im Hinblick auf mehrere Optimierungsziele. Eine zentrale Rolle spielt die Realisierbarkeit bezüglich Echtzeitfähigkeit, Rechenaufwand, Auflösung, Bauraum und Kosten. Um hierbei flexibel zu sein, entwickeln wir unsere Sonar Systeme von Grund auf – angefangen beim Array-Design über die Elektronik-, Firmware- und Software-Entwicklung bis hin zur GPU-beschleunigten Signalverarbeitung. Neben der Entwicklung und messtechnischen Charakterisierung evaluieren wir weiterhin die konkrete Anwendung, beispielsweise mit einem mobilen Roboter.

Wasserdampf und Erdgas sind nur zwei Beispiele für Gase, die bei hohen Durchflussgeschwindigkeiten in der Industrie weitergeleitet werden. Die Ultraschalldurchflussmessung ist dabei besonders vorteilhaft, weil kein Druckabfall über dem Messgerät entsteht und dadurch Energie gespart wird. In Kooperation mit dem Institut für Fluidsystemtechnik von Prof. Pelz, wo ein Prüfstand mit Durchflussgeschwindigkeiten von bis zu 107 m/s existiert, haben wir die Ultraschalldurchflussmessung bei hohen Geschwindigkeiten getestet. Wenn man solch hohe Durchflussgeschwindigkeiten mit Ultraschall messen will, tritt allerdings das Problem auf, dass der Schall vom Durchfluss verweht wird. Unsere Lösung dafür ist die Schalldriftkompensation mit einem Ultraschall-Phased-Array. Dafür haben wir eine Forschungsplattform gebaut, bei der dies untersucht wird und eine genaue Messung auch bei hohen Durchflüssen mit Ultraschall gewährleistet werden kann.

Die zerstörungsfreie Prüfung mit Ultraschall ist ein Verfahren zur Untersuchung von Werkstoffen auf Unregelmäßigkeiten oder Fehler, ohne das Prüfobjekt zu beschädigen. Dabei werden Ultraschallwellen durch das zu prüfende Material geschickt. Luftgekoppelter Ultraschall hat den Vorteil, dass keine direkte Ankopplung an das Material erforderlich ist, was kontaktlose Prüfung ermöglicht. Aus dem aufgenommenen Ultraschallsignal können Rückschlüsse auf mögliche Fehler oder Strukturveränderungen gezogen werden. Diese nicht-invasive Prüfmethode wird in verschiedenen Branchen, von der Luft- und Raumfahrt bis hin zur metallverarbeitenden Industrie, eingesetzt, um die Qualität und Integrität von Bauteilen sicherzustellen.

In diesem Fall regt das luftgekoppelte Senderarray eine Lamb-Welle im Stahlblech an, indem es einen Ultraschallimpuls unter dem Winkel alpha optimal auslöst. Die Lamb-Welle wird an einer Fehlstelle, in diesem Beispiel einem gesägten Ausschnitt im Stahlblech, reflektiert. Mit dem Empfänger-Array kann die reflektierte Leck-Lamb-Welle detektiert werden, auch wenn gleichzeitig die direkte Luftwelle eintrifft.

Die akustische Levitation ist eine faszinierende Technik, die die von hochintensiven Schallwellen erzeugten Kräfte nutzt, um Objekte berührungslos in der Luft schweben zu lassen. Das zugrunde liegende Prinzip basiert auf der Erzeugung von stehenden Wellenfeldern, in denen sich Schalldruckknoten und -antinode bilden. An den Knoten kann die akustische Strahlungskraft die Schwerkraft ausgleichen und Objekte in der Schwebe halten. Diese Methode ist besonders vorteilhaft, da sie nicht von den Materialeigenschaften des Objekts wie elektrischer Leitfähigkeit oder Magnetismus abhängt, was sie zu einem äußerst vielseitigen und nicht-invasiven Werkzeug für wissenschaftliche Forschung und industrielle Anwendungen macht.

Ein bemerkenswerter Aspekt der akustischen Levitation ist ihre Fähigkeit, sowohl feste als auch flüssige Materie unabhängig von Größe, Form oder physikalischem Zustand zu manipulieren. Dazu gehört auch die Levitation biologischer Entitäten wie Insekten oder kleiner Organismen, was die Untersuchung biologischer und chemischer Prozesse in einer vollständig kontaktlosen Umgebung ermöglicht. Im Gegensatz zu anderen Levitationstechniken, wie der magnetischen oder elektrostatischen Levitation, ist die akustische Levitation nicht auf bestimmte Materialeigenschaften angewiesen, was ihr Anwendungsspektrum erheblich erweitert. Sie hat sich bereits in Bereichen wie Materialwissenschaften, Biophysik und analytischer Chemie bewährt, in denen kontaminationsfreie Umgebungen entscheidend sind.

Das Potenzial der akustischen Levitation geht über die einfache Schwebe hinaus, da sie auch eine kontrollierte Manipulation und den Transport von Objekten ermöglicht. Durch die Modulation des Schallfeldes können schwebende Objekte entlang vorgegebener Bahnen bewegt oder mit hoher Präzision positioniert werden. Dies eröffnet Möglichkeiten für innovative Anwendungen wie Mikro-Montage, Arzneimittelabgabe und den sicheren, kontaktlosen Umgang mit gefährlichen Materialien. Mit fortschreitender Forschung wird erwartet, dass die akustische Levitation wesentlich zur Weiterentwicklung von Technologien in verschiedenen wissenschaftlichen und ingenieurwissenschaftlichen Disziplinen beiträgt.

Mehr erfahren über die aktuelle Forschung

Konventionelle Methoden zur Kontrolle von Licht basieren auf der Interaktion des Lichts mit Festkörpern, wie zum Beispiel Spiegel oder Glasfasern. Diese Interaktion birgt Herausforderungen in zwei zentralen Aspekten:

• Die Übertragungseigenschaften eines optischen Systems, das auf fester Materie beruht, sind in ihrer Bandbreite limitiert. Dadurch kommt es zu wellenlängenabhängigen Verlusten bei der Übertragung, die bis zur vollständigen Absorption führen kann.
• Die Festkörper können ihre gewünschten optischen Eigenschaften nur über ein begrenztes Leistungsspektrum abdecken. Gerade Laseranwendungen mit hohen optischen Spitzenleistungen stoßen hier an die Degradationsgrenzen der Festkörper.

Der Forschungsbereich der gas-basierten Sono-Photonik widmet sich der Überwindung dieser Herausforderungen. Hierbei wird eine Gas-Phase mittels intensiver Ultraschallwellen moduliert. Die dadurch hervorgerufene periodische Dichteänderung führt wiederum zu einer periodischen Modifikation des optischen Brechungsindexes. Dadurch lassen sich beispielsweise optische Gitter zur Ablenkung von Laserstrahlen realisieren. Ultraschall lenkt Laser ab

Aufbauend auf dieser erfolgreichen Demonstration ergeben sich diverse Forschungsaspekte an der Schnittstelle zwischen Elektrotechnik, Ultraschalltechnologie und Optik. Diese beinhalten Umsetzung neuer Ultraschallsysteme zur Erzeugung intensiver, aber auch dynamischer steuerbarer Schallfelder, sowie deren Charakterisierung mittels rückwirkungsfreier, optischer Methoden. Diese Systeme bilden die Grundlage für neue sono-photonische Elemente, wie Strahlteiler, Phasenmodulatoren und viele mehr mit Ausrichtung auf bisher noch nicht erschlossene optische Parameterräume.

Für akustische Charakterisierungen unter kontrollierten Umgebungsbedingungen verfügen wir über einen vollständig gedämmten, schallreflexionsarmen Raum. Dieser ist vom Fundament des Gebäudes entkoppelt, wodurch mechanische Vibration von außen bei unseren Messungen nicht stören. In der Messkammer nutzen wir ein Goniometer-Setup, bestehend aus zwei Rotationsachsen und einer Linearachse, um kalibrierte Messmikrofone, Sender oder Targets frei im Raum zu platzieren. Dies ermöglicht es uns, vollautomatisiert Ultraschallsender, -empfänger, Arrays und Sonar Systeme dreidimensional zu charakterisieren.