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 und
- Hochgeschwindigkeits Durchflussmessung.
Hierbei bilden Ultraschall Phased Arrays eine gemeinsame Basis für alle Forschungsbereiche.
Ein Phased Array ist ein Zusammenschluss mehrerer Ultraschallwandler. Dies erlaubt die Steuerung der Schallabstrahlung in eine bestimmte Richtung beim Senden, als auch das gezielte Hören in eine bestimmte Richtung beim Empfangen, ohne das Array mechanisch bewegen zu müssen. Diese Technik nennt sich Beamforming und basiert auf der phasenverschobenen Ansteuerung der einzelnen Wandler. Das Sende- und Empfangsbeamforming wird für die Puls-Echo Ortung bei Sonar Systemen kombiniert, um Objekte dreidimensional zu lokalisieren.
Sonar Systeme und Bildgebung
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.
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Mit der Nutzung von MEMS Mikrofonen, entwickeln wir kompakte Phased Array Systeme. -
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Platinendesign, FPGA- und Microcontroller-Programmierung: Mehrere Kompetenzen fließen bei der Entwicklung des Sonar Kopfes mit ein. -
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Die GPU-beschleunigte Signalverarbeitung und Visualisierung ermöglichen die Bildgebung in Echtzeit. -
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Die Sensor-Fusion von Sonar, Lidar und Kamera evaluieren wir applikationsnah mit unserem Roboter.
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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.
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.
Waveguides 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 Waveguides 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.
Zuverlässigkeit für anspruchsvolle Umgebungen
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.
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 this case, the air-coupled transmitter array excites a Lamb wave in the sheet steel by optimally triggering an ultrasonic pulse at the angle alpha. The Lamb wave is reflected by a defect, in this example a sawn cut-out in the steel sheet. The receiver array enables the reflected leaky Lamb wave to be detected, even if the direct air wave arrives at the same time.
