Untersuchungen zur Bestimmung von Krümmungsradien akustischer Grenzflächen mittels Ultraschall
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Arbeiten beschäftigten sich mit der Krümmungsmessung auf Basis der ortsaufgelösten Auswertung des reflektierten Ultraschallsignals. Da die Aufgabe in der Entwicklung eines nicht-scannenden Verfahrens bestand, wurden strukturierte Wandler in Form von Ultraschall-Annulararrays und segmentierten Annulararrays entwickelt und verwendet. Hintergrund der Fragestellung waren Anwendungen in der Medizintechnik (Krümmungsmessung am Auge) und der Fluiddynamik (Berechnung der Durchmesser von aufsteigenden Blasen). Durch die Verwendung eines strukturierten Wandlers lässt sich die in der Schallwelle enthaltene Information über die Reflektorkrümmung besser extrahieren, als dies durch Einwandler-Anordnungen möglich ist. Zwei Verfahren zur Krümmungsmessung wurden herausgearbeitet und untersucht: (1) ein Verfahren basierend auf der Phasendifferenz zwischen den reflektierten Schallwellen auf dem inneren und einem äußeren Arrayelement und (2) ein Verfahren basierend auf der Kompensation der Reflektorkrümmung durch Fokussierung der ausgesandten Schallwelle. Mit den Verfahren konnten Messunsicherheiten von kleiner als 0,5 mm bei Radien der Reflektoren zwischen r = 6 mm und 11 mm erzielt werden. Durch Verwenden eines Annulararrays, dessen Ringe in 90°-Segmente unterteilt sind, können mit dem auf Fokussierung basierenden Verfahren (2) darüber hinaus die Längen der Halbachsen von Ellipsoiden bestimmt werden. Wesentliche Schwierigkeiten bei der Durchführung der Krümmungsmessung sind einerseits die hohen Anforderungen an die Justage der Arrays und andererseits die hohe Empfindlichkeit gegenüber lokalen Unebenheiten der Reflektoren. Dies ist darauf zurückzuführen, dass nur ein kleiner Bereich der Reflektorfläche zum Echosignal beiträgt. Um höhere Genauigkeiten zu erzielen, müsste bei den gegebenen Kugelgrößen eine deutliche Vergrößerung der Apertur erfolgen, was bei größeren Abständen aufgrund der dazu notwendigen Größe des Schallkopfes unpraktikabel ist. Aufgrund des Funktionsprinzips „Ausnutzung von Schallfeldinformationen“ bestand eine wesentliche Aufgabe in der genauen Charakterisierung der verwendeten Ultraschallwandler. Hierbei zeigte es sich, dass sich PZT-Arrays aufgrund des zu hohen mechanischen Übersprechens nur begrenzt für die Aufgabenstellung eignen, und somit Kompositarrays angeschafft werden mussten. Die Bestimmung der Wandlereigenschaften gab den Anstoß zur Entwicklung von zwei neuartigen Messverfahren auf Basis von Streupartikelechos: (i) ein Verfahren zur nichtinvasiven Schallgeschwindigkeitsmessung und (ii) ein Verfahren zur leichten Charakterisierung von Ultraschallwandlern (Größe der Einzelelemente, Fokussierung), das im Fortgang der Projektbearbeitung zur Charakterisierung der Arrays und zur Optimierung der Ansteuerzeiten genutzt wurde. Letzte Ergebnisse legen nahe, dass eine Kombination der Ergebnisse der Projekte „Bestimmung von Größe und Form von Einschlüssen kleiner als die Schallbündelbreite“ und des vorliegenden Projektes vielversprechend erscheint, um zu einem robusten Verfahren zur Krümmungsmessung zu gelangen. Der wesentliche Ansatz hierzu ist die zusätzlich Verwendung der ganzen Bandbreite des Sendesignals und damit einhergehend der Nutzung der Schallfeldinformationen von vielen verschiedenen Frequenzen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- “Method for curvature measurements with ultrasound,” 2008 IEEE International Ultrasonics Symposium (IUS), pp. 66-69, 2-5 Nov. 2008
Kühnicke, E.; Lenz, M.; Sorber, J.; Gerlach, G.; Trier, H.G.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1109/ULTSYM.2008.0017) - Nutzung von Schallfeldinformationen zur Entwicklung von neuen Ultraschallmessverfahren. In: G. Gerlach, R. Hoffmann (Hg.): Neue Entwicklungen in der Elektroakustik und elektromechanischen Messtechnik – Prof. Dr.-Ing. habil. Günther Pfeifer zum 65. Geburtstag. Dresdner Beiträge zur Sensorik, Band 40. Dresden: TUDpress 2009, 59–68. ISBN: 978-3-941298-55-2
Kühnicke, E.; Lenz, M.; Gust, N.
- “Nonscanning measurement of local curvature with an ultrasound annular array,” 2009 International Ultrasonics Symposium (IUS), pp.2726-2729
Lenz, M.; Sorber, J.; Kühnicke, E.; Gerlach, G.; Rodig, T.; Trier, H.G.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1109/ULTSYM.2009.5441830) - “Non-scanning measurement of convex and concave curvature with an annular array,” AIP Conf. Proc. 1433 (2011), pp. 55-58
Lenz, M.; Kühnicke E.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.3703138) - “Toward non-scanning measurement of eye lens curvature with ultrasound”. In: Ultrasound in Medicine and Biology 37:8 (2011), p. S62
Lenz, M.; Kühnicke, E.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.ultrasmedbio.2011.05.286) - “Measurement of the sound velocity in fluids using the echo signals from scattering particles”, Ultrasonics 52/1(2012)117–124
Lenz, M.; Bock, M.; Kühnicke, E.; Pal, J.; Cramer, A.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.ultras.2011.07.003)
