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Airborne ultrasound phased arrays

Jäger, Axel (2019):
Airborne ultrasound phased arrays.
Darmstadt, Technische Universität,
[Ph.D. Thesis]

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Dissertation von Axel Jäger - Text
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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Airborne ultrasound phased arrays
Language: English
Abstract:

This work shows the development and the characterization of an air-coupled ultrasonic phased array using a 3D-printed waveguide. The waveguide allows an element distance of λ/2 with existing ultrasonic transducers exceeding λ/2 dimension. With an element distance of λ/2, a grating-lobe-free radiation characteristic is realized. In addition to the improved radiation characteristic, the spatial separation of transducers and the acoustically active aperture is achieved. This allows the free arrangement of the ultrasonic transducers in the design space and the use of larger and more powerful ultrasonic transducers, since the transducer size is not limited by the element arrangement.

Apart from the design of the waveguide, phased array electronics is presented which enables transmit and receive beamforming of ultrasonic signals. Furthermore, the required signal processing architecture for receive beamforming is presented. The signal processing uses GPU-acceleration to achieve an immediate evaluation of the received signals.

Different applications are demonstrated with the built up system. The first application is a gas flow metering based on the the time-of-flight-principle. By exploiting the electronic beam steering, the measurable velocity range is extended compared to conventional single transducers.

Furthermore, the imaging based on pulse echo localization is demonstrated. This method is state of the art in medical imaging as well as in sonar systems under water. In this thesis, this method is transferred to air-coupled ultrasound. For this, a characterization with different measurement series is carried out. It was possible to demonstrate ranges up to 6 m. The achievable lateral resolution for separating two adjacent objects is at least 12°. Furthermore, successive objects can be resolved with an axial resolution of 200 mm.

In another experiment the beamforming of sound waves is made visible with the help of schlieren photography. The necessary image processing is presented. The schlieren images are used for the comparison between simulation and the real beamforming behavior.

The developed platform enables the evaluation of additional ultrasonic applications. These include non-destructive testing using Lamb waves, which are the subject of current research at the Measurement and Sensor Technology Group at the Technische Universität Darmstadt. Furthermore, the field monitoring for robotic applications is already being investigated using the array and compared with established sensor systems.

In addition to these ultrasound applications, the developed platform is a model system for various questions of signal processing and communication technology.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung und Charakterisierung eines 2D-Luftultraschall-Phased-Arrays unter Verwendung eines 3D-gedruckten Wellenleiters. Der Wellenleiter ermöglicht einen Elementabstand von λ/2 mit existierenden Ultraschallwandlern, deren Baugröße λ/2 übersteigt. Mit einem Elementabstand von λ/2 wird eine grating-lobe-freie Abstrahlcharakteristik realisiert. Neben der verbesserten Abstrahlcharakteristik wird die räumliche Trennung von Wandlern und akustisch aktiver Apertur ermöglicht. Dies erlaubt die freie Anordnung der Ultraschallwandler im Bauraum und den Einsatz größerer und leis- tungsstärkerer Ultraschallwandler, da die Wandlergröße nicht durch die Elementanordnung beschränkt ist. Neben dem Entwurf des Wellenleiters wird eine Phased-Array-Elektronik vorgestellt, welche Beamforming beim Senden und Empfangen von Ultraschallsignalen ermöglicht. Weiterhin wird die benötigte Signalverarbeitungsarchitektur zum Empfangsbeamforming vorgestellt. Die Signalverarbeitung nutzt GPU-Beschleunigung, womit eine instantane Auswertung der empfangenen Signale erreicht wird. Mit dem aufgebauten System werden verschiedene Beispielanwendungen realisiert. Die erste Anwendung ist eine Gasdurchflussmessung nach dem Laufzeitprinzip. Durch die Verwendung des Arrays wird, im Vergleich zu konventionellen Einzelwandlern, der messbare Geschwindigkeitsbereich erweitert. Weiterhin wird die Bildgebung basierend auf der Pulse-Echo-Ortung demonstriert. Dieses Verfahren ist in der medizinischen Sonographie, sowie in Sonarsystemen unter Wasser Stand der Technik. In der vorliegenden Arbeit wird dieses Verfahren auf Luftultraschall übertragen. Hierfür wird eine Charakterisierung mit verschiedenen Messreihen durchgeführt. Dabei konnten Reichweiten bis zu 6 m demonstriert werden. Die erreichbare laterale Auflösung zum Trennen zweier nebeneinander liegender Objekte beträgt mindestens 12°. Weiterhin können hintereinander liegende, sich verdeckende Objekte mit einer axialen Auflösung von 200 mm aufgelöst werden. Mit Hilfe der Schlierenfotografie konnte das Beamforming sichtbar gemacht werden. Die dazu notwendige Bildverarbeitung wird vorgestellt. Die Schlierenaufnahmen dienen dem qualitativen Vergleich zwischen Simulation und realem Beamformingverhalten. Die entwickelte Plattform ermöglicht die Evaluation verschiedener weiterer Ultraschallapplikationen. Hierzu zählen die zerstörungsfreie Materialprüfung mit Hilfe von Lamb-Wellen, welche Gegenstand aktueller Forschung am Fachgebiet Mess- und Sensortechnik an der Technischen Universität Darmstadt sind. Weiterhin wird bereits die Umfelderfassung für Robotikanwendungen mit Hilfe des Arrays untersucht und mit etablierten Sensorsystemen verglichen. Neben den Ultraschallapplikationen ist die entwickelte Plattform ein Modellsystem für verschiedene Fragestellungen der Signalverarbeitung und Kommunikationstechnik.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Measurement and Sensor Technology
Date Deposited: 06 Nov 2019 09:36
Last Modified: 09 Jul 2020 02:43
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-90057
Referees: Kupnik, Prof. Dr. Mario and Henning, Prof. Dr. Bernd
Refereed: 28 January 2019
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/9005
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