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.