Primäres Ziel dieses Forschungsgebietes ist es, die physikalischen Grundlagenkenntnisse der mechanischen Schwingungs- und Wellentheorie beim Entwurf von Wandlern zur Schallerzeugung und zum Schallempfang anzuwenden.
Das interessierende Wandlerspektrum erstreckt sich dabei vom Tiefstfrequenzwandler, der in der Seismik und in passiven Sonaren eingesetzt wird, bis hin zum Ultraschallwandler, der Anwendung in akustischen Abbildungssystemen der medizinischen Diagnostik, der bildgebenden Sonartechnik sowie der zerstörungsfreien Materialprüfung findet.
Mit dem Einsatz immer ausgefeilterer Messdatenanalyseverfahren steigen die Anforderungen an den Informationsinhalt der Messsignale und damit an das Übertragungsverhalten zukünftiger Schallwandler insbesondere hinsichtlich ihrer Bandbreite. Das Design derartiger Schallwandler erfordert komplexe Simulationswerkzeuge auf Basis der Finiten Elemente Methode (FEM).
Aus diesem Grund konzentrieren sich die Forschungsaktivitäten im Bereich der Sensorik auf die Anpassung und Anwendung kommerziell verfügbarer FEM-Werkzeuge für den Entwurf elektroakustischer Wandlern hoher Güte und Bandbreite sowie die Optimierung des Aufbaus von Wandlergruppen hinsichtlich des Wechselwirkungsverhaltens benachbarter Wandler und der akustischen Ankopplung der Schallwandler an das Ausbreitungsmedium.
Unter einer Sensorgruppe (Antenne) wird eine geometrische Anordnung von Einzelwandlern verstanden. Durch eine spezielle Verarbeitung der einzelnen Wandlersignale (Beamforming) gelingt es, nur noch Signale von den Schallquellen zu empfangen, deren Schallwellen aus Richtungen auf die Sensorgruppe einfallen, die innerhalb eines vordefinierten Raumwinkelbereiches liegen (Raumfilterung).
Anwendungsbereiche des Beamforming sind Sensorgruppen in der Radar- und Sonartechnik sowie in der seismischen Exploration und der mobilen Kommunikation. Die Raumfilterwirkung des Beamforming hängt vom Aufbau der Sensorgruppe, d. h. von der Anzahl und der geometrischen Anordnung der Wandler ab.
Die Aufgabe des Entwurfs von 1D, 2D und 3D Antennen besteht nun darin eine Wandleranordnung zu bestimmen, die mit der geringsten Anzahl von Wandlern bzw. durch optimierte Amplituden- und Phasenstaffelung der Einzelwandler die geforderte Empfangs- bzw. Senderichtwirkung (Beampattern) liefert.
Da diese Klasse von Optimierungsproblemen mit den bekannten und insbesondere mit den ableitungsbasierten Verfahren, z. B. der Gradienten- und Newton-Raphson-Methode, nur unbefriedigend (Konvergenzeigenschaften) oder gar nicht (Differenzierbarkeitsanforderungen) gelöst werden kann, sind alternative Optimierungsverfahren zu entwickeln.
Forschungsziele sind deshalb die Erarbeitung neuer und die Anwendung robuster Optimierungsalgorithmen für den Antennenentwurf. Als vielversprechende Optimierungsstrategien werden dabei der aus der Evolutionstheorie hervorgegangene genetische Algorithmus sowie das aus der Festkörperphysik abgeleitete Simulated Annealing Verfahren angesehen.
Um die Leistungsfähigkeit aktiver und passiver Sensorgruppensysteme beurteilen und eine problemangepasste Analyse und Verarbeitung der Sensorgruppensignale durchführen zu können, ist eine physikalische Modellierung der erzeugten und empfangenen Wellenfelder unerlässlich. Der physikalischen Modellbildung kommt insbesondere durch den Einsatz immer leistungsfähigerer Signal-Prozessoren und der damit verbundenen Realisierbarkeit immer aufwendigerer Signalverarbeitungsverfahren eine wachsende Bedeutung zu.
Die Forschungstätigkeiten auf dem Gebiet der Schallausbreitungsmodellierung bestehen in einer stetigen Beobachtung der theoretischen und experimentellen Forschungsaktivitäten, in einer Beurteilung der Relevanz der neuen Forschungsergebnisse für die akustische Messtechnik sowie gegebenenfalls in einer Aktualisierung und Ergänzung der eigenen Schallausbreitungsmodelle.
Akustische Abbildungssysteme werden z. B. in der Ozeanographie zur bildlichen Darstellung des Meeresbodens und der darauf befindlichen Objekte eingesetzt. Die Qualität solcher bildgebenden akustischen Sensorsysteme ist stark vom Rückstreuverhalten der interessierenden Objekte im Vergleich zum Rückstreuverhalten des rauen Meeresbodens abhängig.
Mithilfe des Rückstreumaßes eines Objektes kann dessen Detektierbarkeit a priori bestimmt werden. Für einfache geometrische Objekte liegen Formeln zur Berechnung der Rückstreumaße in tabellierter Form vor. Zur Beurteilung des Rückstreuverhaltens komplexer geometrischer Körper sind Simulationsmodelle unter Ausnutzung der Boundary Elemente Methode (BEM) bzw. Finiten Elemente Methode (FEM) zu entwickeln, die eine Bestimmung des Rückstreumaßes in Abhängigkeit von Frequenz, Bandbreite, Pulsform und vom Aspektwinkel gestattet.
Mithilfe sogenannter nichtlinearer Schallquellen ist es möglich, niederfrequente hochauflösende Abbildungssysteme in kompakter Form aufzubauen. Eine nichtlineare Schallquelle setzt sich dabei aus einem Pumpwandler für zwei hochfrequente Primärwellen und einem Wechselwirkungsbereich, in dem infolge nichtlinearer Schallausbreitungsphänomene eine niederfrequente Sekundärwelle entsteht, zusammen. Die Ausdehnung des Wechselwirkungsbereiches (Länge und Breite), die von der Richtcharakteristik und dem Dämpfungskoeffizienten der Primärwellen abhängt, definiert die Eigenschaften der Sekundärwelle.
Die Forschungsaufgabe auf dem Gebiet der nichtlinearen Akustik ist es, ein Modell zu entwickeln, das die Eigenschaften einer nichtlinearen Schallquelle (Entstehung und Ausbreitung der Sekundärwelle) so genau beschreibt, dass es als integraler Bestandteil eines Entwurfswerkzeugs für nichtlineare Schallquellen Anwendung finden kann.
Die Messwertverarbeitung von Sensorgruppensignalen nimmt in den Anwendungsbereichen der
eine zentrale Stellung ein.
Die am IWSS auf dem Gebiet der Messwertverarbeitung behandelten Forschungsfelder sind hier zusammengestellt.
Hochschule Bremen
Institut für Wasserschall, Sonartechnik und Signaltheorie
Neustadtswall 30
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