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Entwicklung einer neuen Methode zur Ansteuerung von Ultraschall-Phased Arrays

 
: Gommlich, Andreas
: Meyendorf, Norbert; Gerlach, Gerald; Holstein, Peter; Schubert, Frank

:
Volltext (PDF; )

Dresden: TUDpress, 2016, XVII, 103 S.
Zugl.: Dresden, TU, Diss., 2016
ISBN: 978-3-95908-063-7
URN: urn:nbn:de:bsz:14-qucosa-206375
Deutsch
Dissertation, Elektronische Publikation
Fraunhofer IKTS ()
Ultraschall Phased Array; Schallfeldsimulation; Ultraschallprüfung; phased array; CEFIT; PSS; simulation; Modellierung; ultrasonic testing; phased array; modeling

Abstract
Die Ansteuerung von Ultraschall-Phased-Arrays basiert auf zwei Vereinfachungen. Zum einen wird davon ausgegangen, dass das Schwingungsverhalten aller Einzelelemente synchron und gleichmäßig ist. Zum anderen erfolgt die Berechnung der Ansteuerungszeiten, den sogenannten Focal Laws, auf dem Ansatz der geometrischen Akustik. Beide Aspekte werden in dieser Arbeit ausführlich analysiert und neue Vorschläge für eine optimale Ansteuerung ausgearbeitet und simulativ sowie messtechnisch bewertet.
Das individuelle Schwingungsverhalten der Einzelelemente von Phased Arrays liegt in einer Vielzahl von Toleranzen der Einzelkomponenten und der Fertigungsschritte begründet. Für die quantitative Bewertung kann die mechanische Auslenkung mittels Laser-Doppler-Vibrometrie lokal erfasst und evaluiert werden. Die Kompensation individueller Latenzzeiten im Ansprechverhalten führt dann unmittelbar zu einem höheren Summensignal im anvisierten Fokuspunkt.
Um den Einfluss der tatsächlichen Aperturgeometrie von Einzelelementen auf die Qualität des Summensignals des Phased Arrays zu untersuchen, wurde außerdem eine Simulationsumgebung (4D-CEFIT-PSS) entwickelt. Damit ist die Wellenausbreitung unter Berücksichtigung aller wellenphysikalischer Effekte im Halbraum möglich. Somit wurden verschiedene Aperturmodelle erstellt und sowohl im Zeit- als auch im Frequenzbereich analysiert. Die wellenphysikalische Simulation ermöglicht die Berechnung modifizierter Focal Laws, die immer zu einer Verbesserung des Summensignals im Vergleich zum Ansatz mit geometrischer Akustik führen.

 

Ultrasonic linear phased array probes consist of several single elements. By exciting each element at a certain time wave fronts can be tilted, focused or both combined. This is accomplished by a set of delays which is called "focal law". Hence, the shape and the quality of the resulting wave front depends significantly on focal law calculation. This state-of-the-art method is based on two simplifications: firstly on the assumption that each single element has identical vibration behaviour, and secondly on the simple geometrical approximation of the signal propagation time. In this work both aspects will be investigate in detail.
For characterization of the individual vibration behaviour the most important transducer parts and theirs acoustical properties will be presented. The theoretical view on the inner structure is completed by two measuring methods: scanning acoustic microscopy as well as computed tomography. Furthermore, the effective mechanical displacement of the transducer interface will be analyzed by Laser Doppler vibrometry. Hence, the individual vibration behaviour of the single elements can be compensated which yields an optimized superposition.
To investigate the second assumption the 4D-CEFIT-PSS simulation environment has been developed. The combination of CEFIT (cylindric elasto dynamic finite integration technique) and PSS (point source synthesis) considers all effects of wave physics. A comprehensive parametric study shows the effects of geometrical aperture size concerning resulting signals in decided focal points. The differences of wave propagation in the time and frequency domain will be pointed out.
Concluding, focal laws were calculated with the geometrical and the simulation based approach. The resulting wave propagation is simulated for selected focal points. The results were compared both ways, qualitatively and quantitatively. Hereby the difference between both methods was distinguishable.
The outcome is a method for modified focal law calculation. Both, the consideration of the individual vibration characteristics and the application of the new focal laws result in higher signal-to-noise ratios for linear phased arrays.

: http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-419013.html