Akustische Lokalisation und Kommunikation für Lagrange'sche Sensorpartikel

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christian Kupsch
• Fachliche Zuordnung: Messsysteme ; Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 571041517

Die gleichzeitige Erfassung von dreidimensionalen Strömungsfeldern sowie der entsprechenden Felder physikalischer und chemischer Eigenschaften ist entscheidend für das grundlegende Verständnis und die gezielte Beeinflussung zahlreicher technischer Prozesse. Konventionelle Messmethoden sind dabei häufig durch die geometrischen und physikalischen Randbedingungen der Experimente limitiert, sodass Messungen nur lokal an vordefinierten Positionen erfolgen können. Ein vielversprechender Ansatz zur Überwindung dieser Einschränkungen ist die Nutzung Lagrange’scher Sensorpartikel (LSPs), die sich passiv mit der Strömung bewegen und dabei kontinuierlich Fluid- und Strömungseigenschaften innerhalb des gesamten Volumens erfassen. Derzeit ist der Einsatz dieser Technologie jedoch durch methodische Limitierungen bei der Positionsbestimmung (Lokalisation) und der Übertragung der erfassten Sensordaten stark eingeschränkt. Insbesondere fehlt eine zuverlässige Zuordnung der Messwerte zu konkreten Messpositionen, was eine Rekonstruktion der Fluideigenschaften und Strömung verhindert. Das Ziel des Projekts ist die Erforschung und Weiterentwicklung akustischer Verfahren zur Lokalisation und Datenübertragung für LSPs in relevanten Fluiden – mit dem langfristigen Ziel, die Technologie grundlegend zu erweitern. Zentrales Konzept ist die Realisierung von LSPs als akustische Leitsterne, die periodisch Signale aussenden. Über die Messung der Signalankunftszeiten an mehreren externen Empfängern kann die Position eines LSPs im Fluidvolumen bestimmt werden. Durch Multiplexing-Verfahren kann das Verfahren zudem für die gleichzeitige Lokalisation mehrerer LSPs erweitert werden. Zusätzlich können Daten in die Signale kodiert und somit die Übertragung der Sensordaten realisiert werden. Im Ergebnis können die übertragenen Sensordaten eindeutig einer Messposition zugeordnet werden. Aus mehreren Messungen der Position eines LSPs kann auf die Strömung des Fluides geschlossen werden. Folglich stehen somit Daten über Strömung und Fluideigenschaften zur Verfügung, die für eine Echtzeitüberwachung und Regelung von Prozessen genutzt werden können. Die angestrebten Entwicklungen werfen mehrere grundlegende wissenschaftliche Fragestellungen auf: • Wie lassen sich akustische Kanäle zur Datenübertragung und Lokalisation in Abhängigkeit von Fluideigenschaften modellieren? • Welche Modifikationen sind notwendig, um bestehende Lokalisationsverfahren aus der Luftakustik auf Fluide zu übertragen? • Wie kann eine robuste Datenübertragung gleichzeitig mit der Lokalisation erfolgen? • Wie beeinflussen Fluideigenschaften und Strömung die Signalqualität und Lokalisationsgenauigkeit? • Welche Unsicherheiten treten bei der gleichzeitigen Lokalisation mehrerer Partikel auf, und wie lassen sich diese quantifizieren und minimieren? Mit der Beantwortung dieser Fragen soll ein grundlegendes Verständnis für die akustische Lokalisation und Kommunikation in Fluiden im Kontext von LSPs geschaffen werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen