Luftgekoppelter Ultraschall wird in vielen Anwendungen eingesetzt, z. B. zur Entfernungsmessung, taktilen Rückmeldung, Durchflussmessung oder zur zerstörungsfreien Prüfung. Die Richtcharakteristik des Schallkopfs ist eine entscheidende akustische Eigenschaft für all diese Anwendungen. Ein schmaler Schallkegel ermöglicht beispielsweise eine höhere Winkelauflösung, während ein breiterer Schallkegel die Schallwelle in einem größeren Bereich zur Hinderniserkennung abstrahlen kann. Die Abmessungen des Schallwandlers beeinflussen jedoch seine Richtwirkung und seine Resonanzfrequenz. Um die akustische Apertur von dem Waveguide zu entkoppeln, werden in dieser Arbeit akustische Wellenleiter untersucht. Auf diese Weise können gitterkeulenfreie Phased Arrays für eindeutiges Beamforming aufgebaut werden. In dieser Arbeit werden die Wellenausbreitungen in diesen Wellenleitern, einschließlich der Kopplungsmechanismen vom Wandler bis zum Freifeld, untersucht. Zunächst wird der Stand der Technik von Kanalakustik-Anwendungen im Hörbereich und im Ultraschallbereich vorgestellt. Anschließend werden verschiedene Kanalakustikmodelle abgeleitet und verglichen. Jedes Modell wird für 40 kHz, eine Kanallänge von 80 mm und eine Apertur zwischen 10 mm und 3,4 mm validiert. Die Herausforderung bei den Simulationen besteht darin, höhere Moden zu berücksichtigen und gleichzeitig die Rechenzeiten zu reduzieren. Daher wurden analytische und numerische Modelle untersucht. Im Ergebnis ist die Randelementmethode der effizienteste Ansatz für das gegebene Geometrie-Wellenlängen-Verhältnis unter Verwendung der kommerziellen Software COMSOL Multiphysics. Mit dieser Methode ist es möglich, Freifeldberechnungen auf einer einzelnen Xeon E5-2660 v3 CPU und 256 GB RAM durchzuführen, ohne dass ein Cluster benötigt wird. Das Modell wird mit kalibrierten Messungen in einem schalltoten Raum validiert. Dazu wird ein automatisches Messsystem eingerichtet, bei dem sich ein kalibriertes Messmikrofon relativ zum Schallwandler bewegt und so das Schallfeld vor dem Schallwandler charakterisiert. Dieser Aufbau kann eine Halbkugel mit einem Radius von bis zu 6 m messen und hat einen Dynamikbereich von 111 dB. Nach der Validierung des numerischen Modells wurden Optimierungen der Wellenleitergeometrie durchgeführt. Die analysierten Eigenschaften waren: der Einfluss einer senkrechten Ausgangs- und Eingangsfläche auf die Wellenausbreitung im Wellenleiter, die Position der Verjüngung und die Arten der Verluste durch den Wellenleiter. Daher ist der senkrechte Eingang für die Ausbreitung der Grundmoden entscheidend, da sonst höhere Moden auftreten, weil der Eingangsdurchmesser im Vergleich zur Wellenlänge größer ist. Die Größe der Ausgangsfläche kann bei Linienarrays mit einem SPL-Gewinn von +10 dB vergrößert werden. Die Grenze der Aperturgröße liegt jedoch beim 3,7 × λ, da sonst am Ausgang höhere Moden auftreten, die zu einer Defokussierung der Hauptkeule führen. Die Länge des Wellenleiters kann den Schalldruckpegel erhöhen. Die industriellen Temperaturanforderungen von −25◦C bis 75◦C haben jedoch den gleichen Einfluss auf den SPL wie die Längenoptimierung (±4,8 dB) und werden daher nicht näher untersucht. Die Positionierung der Verjüngung hat nur einen geringen Einfluss von ±0, 4 dB. Die Verluste des Wellenleiters betragen −10 dB, wobei die Beugungsverluste den größten Anteil ausmachen. Die Verluste innerhalb des Wellenleiters (Reflexions- und thermoviskose Verluste) konnten aufgrund der geringen Bandbreite der Wandler nicht durch Messungen validiert werden, da sich die einfallende und die reflektierte Welle überlagerten. Die aus der Geometrieoptimierung abgeleiteten Ergebnisse wurden zum Aufbau von vier Linienarrays verwendet. Zunächst wurde ein Wellenleiter mit gleich langen Kanälen als Referenz gebaut. Zweitens wurde ein Bézier-Wellenleiter mit ebenen Eingangsflächen für die Wandler entworfen. Drittens wurde die Ausgangsöffnung von runden auf rechteckige Formen geändert, um den Schalldruckpegel und die Empfindlichkeit zu erhöhen. Schließlich wurde eine verkürzte Version des Bézier-Wellenleiters gebaut, die eine um 65% reduzierte Länge aufweist. Alle vier Wellenleiter wurden mit der Randelementmethode simuliert und mit dem Messaufbau validiert. Das Ergebnis ist, dass der verkürzte Wellenleiter sowohl in der Simulation als auch in den Messungen einen um +5 dB höheren Schalldruckpegel aufweist als der Referenzwellenleiter mit gleich langen Kanälen. Somit ist es möglich, kompakte Wellenleiter für luftgekoppelte Phased Arrays zu bauen. Als nächstes wird der Einfluss unterschiedlicher Kanallängen in einem akustischen Wellenleiter genauer analysiert. Die Verwendung von Kanälen unterschiedlicher Länge bietet mehr Gestaltungsfreiheit für den gesamten Wellenleiter und ermöglicht eine kompakte Bauweise, eine einfachere Montage und eine kürzere Montagezeit. Allerdings müssen unterschiedliche Längen mit zusätzlichen Zeitverzögerungen kompensiert werden. Deshalb werden zwei Wellenleiter miteinander verglichen. Zunächst wurde ein Wellenleiter gleicher Länge verwendet. Zweitens wurde ein Wellenleiter mit Bézier-förmigen Kanälen verwendet. Die Zeitverzögerungen, die durch unterschiedliche Kanallängen entstehen, wurden gemessen und mit analytischen und numerischen Methoden simuliert. Anschließend wurden die Richtcharakteristiken der beiden Wellenleiter verglichen. Das Ergebnis ist, dass die Zeitkompensation keinen signifikanten Einfluss auf das Strahlprofil hinsichtlich des Nebenkeulenpegels und der Halbwertsbreite des Strahls hat. Darüber hinaus liegen die SPL-Abweichungen der Wellenleiter innerhalb der Fertigungstoleranzen der Wandler. Der letzte in dieser Arbeit untersuchte Aspekt ist die Wasserbeständigkeit des Wellenleiters. Da er für luftgekoppelten Ultraschall ausgelegt ist, kann er durch Schmutz, Staub oder Flüssigkeit verstopft werden. Zwei allgemein bekannte Lösungen für dieses Problem sind die Verwendung von hydrophoben Geweben oder dünnen Filmen. Daher wurden beide Lösungen miteinander verglichen. Zunächst zeigte sich, dass diese beiden Ansätze keinen signifikanten Einfluss auf die Strahlformungsfähigkeiten des Phased Array haben. Darüber hinaus erreichte die IP-Klasse des Gewebes IPX7 und der Dünnfilm sogar IPX8. Außerdem hat das Gewebe eine geringe Einfügedämpfung von nur −1,8 dB. Im Gegensatz dazu reduziert die Folie den Schalldruckpegel um −7,5 dB. Dieser Verlust kann mit besonderem Aufwand auf +0,4 dB reduziert werden, indem die Geometrie des Wellenleiters geändert und das System auf die richtige Resonanzfrequenz abgestimmt wird. Dies zeigt jedoch, dass die Folie im Vergleich zum Gewebe eine hohe emperaturabhängigkeit aufweist. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass akustische Wellenleiter die akustischen Eigenschaften von Ultraschallsensoren verbessern. Die Richtwirkung kann vom Wandler entkoppelt und für eine bestimmte Anwendung angepasst werden.