Trends im Design von Ultraschallsensoren - Henning, Bernd

Korrelation hochfrequenter und quasistatischer Materialkenngrössen zur Charakterisierung verschiedener Alterungsstadien von Polyamid 6 - Bause, Fabian; Budde, Christopher; Rautenberg, Jens; Henning, Bernd; Moritzer, Elmar
Polyamid 6 (PA 6), stammend aus der Gruppe der Polykondensate, ist ein thermoplastischer Kunststoff und zeichnet sich u.a. durch eine hohe Festigkeit und Steifigkeit bei geringen Rohstoff- und Herstellungskosten aus. Das Einsatzgebiet von Polyamiden ist sehr vielseitig. Neben dem massiven Einsatz in der Textilindustrie sei beispielsweise auch der Einsatz in Seilen und Trassen, Zahnrädern und Lagern genannt. Weiterhin findet PA 6 kompositäre Verwendung als Matrixmaterial in thermoplastischen Faserverbundmaterialien (u. a. endlosfaserverstärkte Organobleche) und ist dabei vor allem für die Automobilindustrie von immens steigender Bedeutung. Neben der bei PA ausgeprägten reversiblen Polykondensation, d.h. der Reaktion des Kunststoffes mit Wasser aus der Umgebungsluft, treten irreversible Prozesse (Thermooxidation, Photooxidation, Nachkondensation, $…$) auf, welche seine chemischen und mechanischen Eigenschaften beeinflussen. In diesem Beitrag sollen die Auswirkungen hydrothermischer Alterung durch Temperatur und Feuchtigkeit, auf die akustischen bzw. mechanischen Eigenschaften zum einen im hochfrequenten (Ultraschall) und zum anderen im quasistatischen Bereich charakterisiert werden. Dazu werden PA 6 Probekörper mittels Klimawechseltests künstlich gealtert und in zwei verschiedenen Versuchsaufbauten beurteilt. Zum einen werden hohlzylindrische Proben zur Charakterisierung im Ultraschallbereich (Schallgeschwindigkeit, Schallkennimpedanz, Schallabsorption) und zum anderen Schulterstäbe zur Charakterisierung der mechanischen Materialeigenschaften im quasistatischen Bereich verwendet. Die akustischen Materialkenngrößen der Ultraschallcharakterisierung und die mechanischen Materialkenngrößen aus dem quasistatischen Bereich, werden abschließend miteinander korreliert und Zusammenhänge dargestellt.

Sensitivity study of signal characteristics for an inverse waveguide based approach of material characterization - Bause, Fabian; Rautenberg, Jens; Henning, Bernd
A very promising approach for the ultrasonic identification of highly damping viscoelastic polymers has been proposed by Rautenberg. He uses transmission measurements through hollow cylindrical shaped test samples which are modeled as waveguides. The measurement effect relies on multiple mode-conversions at the waveguide's outer and inner boundaries and is evaluated based on an inverse approach. In this contribution we discuss different signal characteristics of the obtained dispersed signals with respect to their sensitivity to certain material parameters. Based on these sensitivities we propose a multiphase optimization scheme to increase the optimization's convergence.

Konzepte zur Regelung der Strahlungsleistung pulsbetriebener IR-Emitter - Hoof, Christian; Schlottmann, J{\; Wetzlar, Dietmar; Henning, Bernd (16. GMA/ITG-Fachtagung. Sensoren und Messsysteme)
In optischen Messeinrichtungen (Abstandsmessung, NIR-Materialfeuchtemessung) werden häufig in einem schmalen Wellenlängenbereich strahlende, gepulste Infrarot-Emitter eingesetzt. Leistungsstarke Strahlungspulse sind notwendig, führen aber zu einer thermisch bedingten Abnahme der emittierten Strahlungsleistung und zu einer Verschiebung der Maximumwellenlänge. Die hierdurch entstehenden Messunsicherheiten werden aufgezeigt und Konzepte zu deren Verringerung dargestellt.

Rekonstruktion der Phaseninformation aus Schlierenaufnahmen - Olfert, Sergei; Henning, Bernd
In der Ultraschallakustik besteht häufig die Notwendigkeit die räumliche und zeitliche Ausbreitung von Ultraschall zu charakterisieren. Das Schlierenverfahren ist ein schnelles und nichtinvasives Verfahren zur Visualisierung von Ultraschallfeldern in Flüssigkeiten. Bei diesem Verfahren wird eine ebene elektromagnetische Welle an einer Ultraschallwelle gebeugt. Das Beugungsmuster wird durch ein optisches System in der Fourierebene abgebildet. Um die mittlere Helligkeit in der Darstellung der Ultraschallwellen zu eliminieren, erfolgt eine Ortsfilterung in der Fourierebene. Als Ortsfilter werden in der Regel eine Messerschneide oder eine Punktblende eingesetzt. Hierbei wird ein Teil der Fourierebene ausgeblendet und der unbeeinflusste Anteil in Richtung des Bildaufnahmesensors transmittiert. Der Einsatz solcher Amplitudenfilter hat den Nachteil, dass die Phaseninformation einer Schallwelle in der Abbildung der Ultraschallwelle nicht erfasst wird. Der am Fachgebiet Elektrische Messtechnik der Universität Paderborn entwickelte Schlierenmessplatz ist durch ein variables Amplitudenfilter gekennzeichnet. In diesem Beitrag wird ein Verfahren vorgestellt, wie durch Kombination von unterschiedlichen Filtern die Phaseninformation einer Ultraschallwelle rekonstruiert werden kann. Hierzu werden die mathematischen Grundlagen zur Rekonstruktion der Phase hergeleitet und die ersten Messergebnisse vorgestellt.

Ein wellenleiterbasiertes Verfahren zur Bestimmung von Materialdaten für die realitätsnahe Simulation von Schallausbreitungsphänomenen am Beispiel stark absorbierender Kunststoffe - Rautenberg, Jens
Keywords: akustische Wellenleiter; Kunststoffe; Materialdatenbestimmung; Transmissionsmessung

Geführte akustische Wellen zur Flüssigkeitscharakterisierung - Rautenberg, Jens; Bause, Fabian; Henning, Bernd (Technisches Messen)
Das Spektrum akustischer Wellenleiter zur Flüssig-keitscharakterisierung reicht von der Seismologie und Geophysik mit Wellenleiterdimensionen von einigen km über die zerstörungsfreie Prüfung bis hin zur Prozessmesstechnik mit Sensordimensio-nen von wenigen mm. In diesem Beitrag wird ein phänomenologischer Weg zur Klassifizierung der Wellenleiter entwickelt, wobei stets die Oberflä-chenauslenkungen an der Wellenleitergrenze und die Anzahl der an der Wellenausbreitung beteiligten Moden Berücksichtigung finden. Im weiteren Verlauf werden Möglichkeiten zur Modellierung, Simulation und Messung multimodaler Wellenausbreitung im akustischen Wellenleiter gezeigt.

Messsystem zur Bestimmung akustischer Kenngrößen stark absorbierender, transversal isotroper Kunststoffe - Rautenberg, Jens; Bause, Fabian; Henning, Bernd
Es wird ein Wellenleiter basiertes Messsystem vorgestellt, mit dem anhand einer einzigen Transmissionsmessung alle Daten bestimmt werden können, die zur Simulation von Schallausbreitungsphänomenen in stark absorbierenden und schwach anisotropen Materialien erforderlich sind. Auf diese Weise ist es fortan möglich die akustischen Kenngrößen (winkel- und frequenzabhängige Schallgeschwindigkeiten und frequenzabhängige Absorption) verschieden konditionierter Materialproben (Temperatur, Feuchtigkeit, Alter) simultan zu erfassen. Genutzt wird dazu die mehrmalige Modekonversion an den Mantelflächen eines hohlzylindrischen akustischen Wellenleiters, wonach ein Empfangssignal mehrere Signalgruppen aufweist, deren absolute Laufzeit, Laufzeitdifferenzen und Amplituden in Abhängigkeit der Materialkenngrößen stark variieren. Grundlegend für die realisierte und in diesem Beitrag beschriebene inverse Bestimmung der akustischen Kenngrößen ist ein ganzheitliches Modell der Schallanregung, -ausbreitung und -detektion, welches die schnelle Berechnung der Empfangssignale erlaubt. Die gezielte Variation der Modell-Eingangsgrößen führt schließlich zu einer bestmöglichen Übereinstimmung zwischen berechneten und gemessenen Empfangssignalen, sodass die final angesetzten Modell-Eingangsgrößen eine gute Approximation der gesuchten materialspezifischen akustischen Kenngrößen darstellen. Im Rahmen dieses Beitrags werden der Messaufbau, wesentliche Teile der Modellierung sowie die grundätzliche Vorgehensweise zur Anwendung der inversen Messmethode gezeigt. Anhand gemessener, berechneter und mittels Finiter Elemente Methode simulierter Signale wird das Verfahren für einen Werkstoff, spritzgegossenes Polypropylen, demonstriert.

Validation of analytically modeled Leaky Lamb radiation using Schlieren photography - Rautenberg, Jens; Olfert, Sergei; Bause, Fabian; Henning, Bernd
If a guided Lamb wave leaks energy from a plate into a surrounding fluid, the radiated almost plane wave has a frequency dependent angle towards the boundary. This radia- tion angle can be calculated by numerical determination of the plates' phase velocities. We also measured the radiation angle in Schlieren photographs and found a mentionable discrepancy to the calculated angles in certain frequency regions. A first approach by modifying the boundary condition could not re- solve the observed discrepancies, but a reinterpretation of the Schlieren photographs as interference patterns of different Leaky Lamb waves leads to a good correspondence between measured and calculated values.

Blindzonenfreie Ultraschall-Abstandsmessung mit codierten Sendesignalen - Schröder, Andreas; Henning, Bernd
Bei der Ultraschall-basierten Abstandsmessung mit einem einzelnen Schallwandler ergibt sich durch das Prinzip bedingt eine Blindzone. Während und unmittelbar nach der Anregung durch das Sendesignal ist es im Allgemeinen nicht möglich, das Empfangssignal am Ultraschallwandler auszuwerten. Eine Verwendung von codierten Sendesignalen (z.B. zur Unterscheidung verschiedener Sensoren) verlängert diesen Blindbereich zusätzlich. Dieser Beitrag zeigt eine Möglichkeit zur Realisierung eines simultanen Sende- und Empfangsbetriebs mit einem einzelnen Schallwandler. Dadurch wird es möglich, die Blindzone auch bei sehr langen Sendesignalen zu eliminieren. Dazu wird der Ultraschallwandler über einen Vorwiderstand betrieben und dessen Spannung gemessen. Mittels eines mathematischen Modells kann das elektrische Sendesignal, welches am Ultraschallwandler anliegt, bestimmt werden. Die Subtraktion dieses Signals von der gemessenen Schallwandlerspannung liefert das elektrische Empfangssignal. Aufgrund von z.B. Temperatureinflüssen ändern sich die elektrischen Eigenschaften des Ultraschallwandlers ständig, wodurch eine Anpassung des Modells notwendig wird. Daher kann die Modellidentifikation nicht im Vorfeld mit einer Freifeldmessung erfolgen, sondern ist permanent während des Betriebes notwendig. Tritt dabei ein Empfangssignal z.B. infolge einer Reflexion auf, so wird die Bestimmung der Modellparameter gestört. Durch eine Bewertung der ermittelten Modelle kann die Robustheit einer Abstandsmessung erhöht werden

Luftultraschall-Abstandsmessung mit digitaler Signalverarbeitung zur Verkürzung des Mindestabstandes - Schröder, Andreas; Henning, Bernd
Ultraschall-Abstandssensoren besitzen meist nur einen Schallwandler und dadurch Prinzip bedingt einen Mindestabstand. Eine Möglichkeit diesen Mindestabstand zu reduzieren, besteht in der Realisierung eines simultanen Sendeund Empfangsbetriebes. In diesem Beitrag wird dies durch eine digitale Signalverarbeitung realisiert. Hierzu ist es notwendig, das Schallwandlersignal und das elektrische Sendesignal zu digitalisieren. Mit der Kenntnis des Schallwandlerverhaltens sowie des elektrischen Sendesignals wird das zu erwartende Schallwandlersignal modellbasiert berechnet und vom gemessenen Schallwandlersignal subtrahiert, um so das Empfangssignal zu bestimmen. Dabei liegen die Herausforderungen in der Ermittlung der Parameter eines repräsentativen Schallwandlermodells sowie der Gewährleistung einer robusten Echodetektion.

Computing roots for the analytic modeling of guided waves in acoustic waveguides - Walther, Andrea; Bause, Fabian; Henning, Bernd
Computer aided simulation of guided acoustic waves in single- or multilayered waveguides is an essential tool for several applications of acoustics and ultrasonics (i.e. pipe inspection, noise reduction). To simulate wave propagation in geometrically simple waveguides (plates or rods), one may employ the analytical global matrix method [1]. This requires the computation of all roots of the determinate of a certain submatrix. The evaluation of all real or even complex roots is actually the methods most concerning restriction. Previous approaches base on so called mode-tracers which use the physical phenomenon that solutions (roots) appear in a certain pattern (waveguide modes) and thus use known solutions to limit the root finding algorithms searchspace with respect to consecutive solutions. As the limitation of searchspace might be unstable in some cases, we propose to replace the mode-tracer with a suitable version of an interval Newton method based on Intlab [2]. To apply this interval based method, we extended the interval and derivative computation provided by Intlab such that corresponding information is also available for Bessel functions used in the circular model (rods) of acoustic waveguides. We present numerical results of a simple acoustic waveguide and discuss extensions required for more realistic scenarios.

2D phononic crystal sensor with normal incidence of sound - Zubtsoc, Mikhail; Lucklum, Ralf; Ke, Manzhu; Oseev, Alexandr; Grundmann, Ralf; Henning, Bernd; Hempel, Ulrike (Sensors and Actuators A: Physical)
The contribution presents the sensor application of a resonance-induced extraordinary transmission through a regular phononic crystal consisting of a metal plate with a periodic arrangement of holes in a square lattice at normal incidence of sound. The characteristic transmission peak has been found to strongly depend on sound velocity of the liquid the plate is immersed in. The respective peak maximum frequency can serve as measure for the concentration of a component in the liquid mixture, if a beneficial relation to the speed of sound of the liquid exists. Experimental verification has been performed with mixtures of water and propanol as model system. Here we especially pay attention to numerical calculations based on EFIT and COMSOL which reveal more insides to the wave propagation characteristics. Experimental investigations with Schlieren method and laser interferometry support the theoretical findings.

Die Auswirkung verschiedener Klebungen auf das Verhalten eines piezoelektrischen Wandlers - Bause, Fabian
Die Modellierung bzw. das virtuelle Design von Ultraschallwandlern spielt gerade im Hinblick auf die Mannigfaltigkeit ihrer Einsatzgebiete und die stetig wachsenden Anforderungen der Industrie eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung piezoelektrischer Sensor- und Aktorsysteme. Der jeweils für eine spezielle Anwendung zu erreichende Grad der Realitätsnähe der eingesetzten Modelle ist dabei essentielle Voraussetzung für die Legitimation des virtuellen Designs. Neben idealisierten Strukturen, welche der Modellbildung unweigerlich anhaften, wird die Realitätsnähe wesentlich durch die genutzten Materialmodelle und deren Parametrisierung beeinflusst. Viele Arbeiten wurden aus diesem Grund auf dem Gebiet der akustischen Materialdaten-bestimmung sowohl passiver als auch aktiver Materialien durchgeführt. Ein Ultraschallwandler besteht nun aus einer Komposition von aktiven und passiven Elementen, welche z. B. mittels Klebungen zusammengefügt werden. Aktuelle Praxis ist die Vernachlässigung der Klebschichteigenschaften oder ggf. eine Korrektur der durch die Klebschichtdicke hervorgerufene Frequenzverschiebung durch eine virtuelle Vergrößerung eines der Fügeteile. Dabei werden die Koppelbedingungen zwischen den gefügten Materialien als ideal angenommen, was in der Realität jedoch nicht der Fall ist. Klebungen sind weder isotrop noch homogen aufgebaut. Des Weiteren ist ihre Dicke sehr klein, was in der Computersimulation dazu führt, dass sie über effektive Parameter und stark vereinfachte Modelle beschrieben werden.

Von der Messaufgabe zum Sensorsystem - Henning, Bernd
Ultraschallsensoren werden heute in der Industrie vielfach erfolgreich für die verschiedensten Messaufgaben eingesetzt und ständig weiterentwickelt. Wesentliche aktuelle Entwicklungen zielen auf die Erweiterung der Funktionalität (adaptierbare Abstrahlcharakteristik, scannende Sensoren …), die Erhöhung der Zuverlässigkeit, die Miniaturisierung sowie auf die Reduktion der Gerätekosten (Materialsubstitution) und Fertigungskosten (Konstruktion und Montage).

Ultrasonic Nondestructive Testing of composite materials using disturbed coincidence conditions - Bause, Fabian; Olfert, Sergei; Schröder, Andreas; Rautenberg, Jens; Henning, Bernd; Moritzer, Elmar (Journal of Electronic Measurement and Instrument)

Analyzing the effect of adhered metal electrodes on piezoelectric elements using different types of adhesives - Bause, Fabian; Rautenberg, Jens; Henning, Bernd
Modeling and simulation play a key-role in computer-assisted design of ultrasonic sensors. The accuracy of those numerical or analytical models highly depends on the material dataset chosen as well as on the digitized simplified geometry. Thus, researchers worked on techniques how to measure material datasets of piezoceramics or passive materials (i.e. polymers) for use in simulation [Rau08] [Rup09]. Most computer models neglect the influence of adhesive bonds between those active and passive material components used to form a complete ultrasonic transducer and thus imply perfect interface layers. To gain a more accurate model one need to go further and consider non-perfect interface layers between assembly parts. Because adhesive bonds are neither necessarily isotropic nor homogeneous and their geometric dimensions are very small, we need to define effective material datasets dependent on the model used in simulation. In this contribution the indicator under study is the electric impedance of the active element. We will show the influence of different adhesives used to adhere metal electrodes on piezoceramic discs. Therefore, we use several different types of adhesives (epoxies, cyanoacrylates and perfluorpolyether grease) and different sizes of piezoceramic discs (PIC 255, manufacturer: PI Ceramic GmbH) of the same batch (thickness, diameter). The electrodes have been cut from one plate made of stainless steel using a laser to avoid uncertainty effects due to variations in material-parameters. The probes have been prepared in an air-conditioned Lab with constant temperature and humidity. The indicators considered to identify the effect of those different adhesive films are extracted from the electric impedance of the electromechanical converter.

Ultrasonic distance sensors - An overview and trends - Henning, Bernd; Schröder, Andreas (Journal of Electronic Measurement and Instrument)
Nowadays ultrasonic distance sensors are widely used in automobiles, robotics and in industrial automation. Some functional principles of usable transducers for airborne ultrasonic distance measurements are shown. As every sensor principle, ultrasonic distance sensors have pros and cons which lead to some problems and challenges described below. For the main challenges (crosstalk and blind zone) some trends and solutions are presented.

Vergleich zwischen der Schlierenmethode nach Toepler und der Hintergrundschlierenmethode zur Bestimmung akustischer Grössen eines Ultraschallwandlers - Olfert, Sergei; Henning, Bernd
Es gibt unterschiedliche Methoden, um räumliche Schallwechseldruckverteilungen in Flüssigkeiten zu erfassen. Viele dieser Verfahren haben zwei Nachteile. Sie sind zum einen invasiv, beeinflussen somit die sich ausbreitende Ultraschallwelle, und zum anderen sehr zeitaufwendig. Die Visualisierung von Ultraschallfeldern mittels Schlierenmethode ist eine schnelle und einfache Methode, um zweidimensionale Schallfelder nichtinvasiv zu analysieren. Ein besonderer Vorteil besteht darin, dass man unmittelbar resultierende Veränderungen im Schallfeld zum Beispiel bei Frequenzänderung, Sensorausrichtung… beobachten kann. In diesem Beitrag werden zwei dieser Verfahren vorgestellt. Die modifizierte Schlierenmethode nach Toepler, das im Weiteren als modifizierte Schlierenmethode bezeichnet wird, und die Hintergrund-schlierenmethode, das sich bisher hauptsächlich zur Strömungsvisualisierung etabliert hat [1]. Im ersten Teil werden beide Messverfahren erläutert, die realisierten Messaufbauten sowie Einsatzmöglichkeiten für die Schallfeldcharakterisierung kurz vorgestellt. Im zweiten Teil werden beide Verfahren verglichen und die Vor- und Nachteile bezüglich ausgewählter Messaufgaben bewertet.

Utilizing an Analytical Approximation for c44E to Enhance the Inverse Method for Material Parameter Identification of Piezoceramics - Rautenberg, Jens; Rupitsch, Stefan J.; Henning, Bernd; Lerch, Reinhard (7th International Workshop on Direct and Inverse Problems in Piezoelectricity)
There has been a lot of progress in finding measurable quantities of high in- formation content for the inverse determination of piezoelectric material properties. Since some material parameters (mainly \textgreek{e}S 11, e15and cE 44) do not or only marginally influence the electrical impedance over frequency, it is not sufficient to look only at the electri- cal impedance of discoidal piezoceramics [1]. Moreover, the parameter sensitivities vary with respect to the diameter--thickness ratio of the disc and the design of an ultrasonic transducer's piezoceramic has to match other requirements than those of a good material characterization [2, 3]. That is why it is still desirable to find model based approaches for parameter identification that either keep the technical effort low (e.g., only an impedance measurement) or increase speed of the inversion procedure. In this contribution we answer the question if an additional analytical approximation of cE 44, strictly following the ideas of Theocaris [4], in conjunction with a single measured elec- trical impedance will be sufficient for an accurate simulation of both, electrical impedance and surface normal velocity of a piezoceramic disc. Thereby, the remaining parameters are identified by means of the Inverse Method. Furthermore, we use the parameter ap- proximation as an initial guess and limiting boundary to speed up the inverse algorithm if both, electrical impedance and surface normal velocity are taken into account within the optimization procedure.

Luftultraschall-Abstandsmessung mit verkürztem Mindestabstand - Schröder, Andreas; Henning, Bernd
Bei der Luftultraschall-Abstandsmessung mit einem einzelnen Schallwandler ist der Mindestabstand durch die Sendesignaldauer und die Ausschwingzeit des Schallwandlers begrenzt. Daher führt die Verwendung von codierten Sendesignalen, wie sie z.B. für die Unterscheidung mehrerer Sender genutzt werden können, im Allgemeinen zu einer Vergrößerung des Mindestabstandes. Dieser Beitrag zeigt, dass der Mindestabstand bei codierten Sendesignalen durch eine geeignete Signalverarbeitung, bei der eine Trennung des Sende- und Empfangssignals erfolgt, deutlich verringert werden kann.

Model based separation of transmitted and received signal for single transducer distance measurement applications - Schröder, Andreas; Henning, Bernd
Simultaneous transmitting and receiving (STaR) enhances the utilization of single transducer ultrasound measurement systems. In distance measurement applications the dead zone can be reduced to nearly zero, independent of the transmitted signal. So it is possible to transmit codedsignals to identify different sensors without increasing the minimum distance. The electrical transducer signal consists of the electrical transmitted and received signal. A separation of these two signals can be done with a mathematical model of the electrical system. For this purpose it is necessary to digitize the electrical transducer signal. Due to the relative small amplitude of the received signal compared to the transmitted signal amplitude, a high resolution analog to digital converter (ADC) is needed. This leads to high requirements for the ADC. The necessary resolution limits the sample rate of the ADC. By down mixing the transducer signal using a coherent quadrature demodulation (CQD), as used in many high frequency ultrasound applications, the sample rate of the ADC can be reduced. In this contribution an airborne ultrasound distance measurement system with reduced dead zone is used to analyze the effects of this concept to the signal conditioning, system identification and system performance. The approach is compared with a system without CQD and an ADC with a lower resolution but a higher sample rate. By analyzing the pros and cons of both systems the usability of a CQD based system for a STaR application is evaluated. The distance measurement system used for the experiments is based on a 40 kHz airborne ultrasonic transducer. A gyrator based transmit amplifier delivers a system bandwidth of about 10 kHz. In the experiments, coded transmitted signals are used to measure the distance to a metal reflector. The main objectives are short distances between 0 mm and 200 mm. Here a separation of transmitted and received signal is necessary. The reflector distance is calculated by a cross correlation between transmitted and received signal.

Finite element simulation of single ultrasonic transducer with segmented electrodes to adjust the directional characteristic - Unverzagt, Carsten; Henning, Bernd
For many applications like level measurement and industry robotics it is of advantage if the directional characteristic of an ultrasonic transducer is changeable or adaptable for the improvement of spatial resolution. Often this goal is reached with the use of ultrasonic transducer arrays, which elements are driven with phase shifted excitation signals. One disadvantage of these solutions is the great effort for building such an array and the multi-channel sensor electronics. In this contribution the directional characteristic of a single air transducer with segmented electrodes is analyzed. Therefore a variable script based finite element model is used to discover the influence of different electrode configurations on the directional characteristic of a single piezoceramic transducer. Especially the influence on the angle of beam and the near field length are evaluated. The used variable model permits an optimization of the configuration with regards to the mentioned criteria. The findings will be used for the development of a level measurement system for bulk solids.
Keywords: Elektrode

An improved mode-tracing algorithm to compute dispersion curves of acoustic waveguides - Bause, Fabian; Rautenberg, Jens; Henning, Bernd
Semi-analytical approaches for the description of dispersion in acoustic waveguides are based on root finding in a characteristic function. A mode-tracing algorithm helps to find all solutions of this problem by consecutively bracketing single roots. In this contribution we present a multistage and adaptive mode-tracing algorithm, which uses an adaptive step size for the prediction of consecutive solutions as well as an adaptive estimation of the search space around these predictions. Furthermore we present a validation stage to ensure the correlation between consecutive solutions alias waveguide modes.

Entwicklung und Parametrisierung eines Mode-Tracing Algorithmus für halbanalytische Solver - Bause, Fabian; Rautenberg, Jens; Henning, Bernd
Die computergestützte Simulation geführter elastischer Wellen in ein- oder mehrschichtigen Wellenleitern ist in vielen Bereichen der akustischen Forschung ein essentielles Modellierungswerkzeug. Sie ermöglicht, auch in komplexen Systemen, eine Beschreibung der Wellenausbreitungsvorgänge, deren analytische Lösung zu aufwendig oder nicht durchführbar ist. Im ersten Abschnitt dieses Beitrags wird auf den halbanalytischen Solver bzw. die mathematische Formulierung des die Wellenausbreitung beschreibenden Problems eingegangen. Der zweite Abschnitt beinhaltet den mehrstufigen Aufbau eines Tracing-Algorithmus, welcher den Lösungsraum des Solvers adaptiv einschränkt, so dass Leistungsfähigkeit und Robustheit des Gesamtalgorithmus gestärkt werden.

Improved system identification for simultaneous transmitting and receiving in single transducer applications - Schröder, Andreas; Henning, Bernd
In single transducer applications it would be desirable if the received electrical signal (echo signal) could be evaluated during transmitting. Thereby it is possible to measure very short distances. There are some solutions to realize this, but they have one limitation which prevents the usage in many industrial application. They need a calibration without an echo. The main problem is that this calibration has to be repeated whenever the process parameters like temperature or acoustic load change. This contribution presents an approach which uses a model identification based on different successive measurements which may include echoes. It is done by an impulse response decomposition followed by a principle component analysis. Results of measurements with sine burst excitation and a reflector in front of the transducer are presented.

Interfaceschaltung für einen simultanen Sende- und Empfangsbetrieb mit einem einzelnen Ultraschallwandler - Schröder, Andreas; Henning, Bernd
In der Ultraschallmesstechnik (Abstandsmessung, NDT) ist es zur Detektion naheliegender Reflektoren bzw. zur Erfassung der Medienrückwirkung (Wirkung der akustischen Last) notwendig, die Empfangssignale auszuwerten, noch während der Schallwandler mit dem Sendesignal angesteuert wird oder die Sendesignalenergie am Schallwandler noch nicht ausreichend abgeklungen ist. In diesem Beitrag wird eine Schaltung zur Kompensation des Sendesignals beschrieben, welche die unmittelbare Auswertung des Empfangssignals ermöglicht.

Messrohr für einen Ultraschall-Durchflussmesser und Ultraschall Durchflussmesser - Schröder, Andreas; Rautenberg, Jens; Behlen, H.; Ziegler, Horst; Unverzagt, Carsten; Gaugler, Ulrich; Glatter, T.; Horrn, R.; Kroemer, H.; Schmidt-Schoenian, Axel; Sonnenberg, Hans-Michael; Henning, Bernd

Evaluation of cost functions for FEA based transducer optimization - Schröder, Andreas; Rautenberg, Jens; Henning, Bernd (Physics Procedia)

A new method of spatial filtering for Schlieren visualization of ultrasound wave fields - Unverzagt, Carsten; Olfert, Sergei; Henning, Bernd (Physics Procedia)

PC gestützte Entwicklung von Ultraschallsensoren - Henning, Bernd

Adaptives Mode-Tracing und numerische Stabilisierung modellierter Anregungsstrukturen für die halbanalytische Simulation geführter Wellen - Bause, Fabian; Henning, Bernd

Halbanalytische Modellierung akustischer Wellenausbreitung im ein- und mehrschichtigen Wellenleiter - Bause, Fabian

Effizientes Ultraschalltransducerdesign und Methoden zur akustischen Materialdatenbestimmung - Henning, Bernd

Methoden und Werkzeuge für einen effizienten Ultraschallsensorentwurf - Henning, Bernd

Trends in ultrasonic transducer design - Henning, Bernd
Ultrasonic sensors are widespread in the process industry for example to measure flow, filling level, density or substance concentration in liquid mixtures today. On one side technically high demands are made to the ultrasonic sensors on the other side the production of the ultrasonic sensors has to be more and more cost-efficient. Today, these two contrary demands only can be met by the use of efficient development tools. This contribution describes the state of technology in the field of the computer-assisted ultrasonic transducer development, however, also shows the limits.

Ultrasonic Sensors for Process Applications - Sensor Design - Henning, Bernd; Rautenberg, Jens; Schröder, Andreas; Unverzagt, Carsten (Proceedings Sensor 2009)
Today, ultrasonic sensor systems are often applied in process technology. For the opening up of new industrial fields of application, such as the non-invasive process tomography, ultrasound sensors are necessary which are stable and adapted optimally under process conditions. Only with such optimized ultrasonic sensors the functionality of the sensor systems can be enlarged decisively with support of a complex measurement data evaluation. This contribution deals especially with the design process.

Computer assisted design of transducers for ultrasonic sensor systems - Henning, Bernd; Rautenberg, Jens; Unverzagt, Carsten; Schröder, Andreas; Olfert, Sergei (Journal of Measurement Science and Technology, MST)
In this contribution, possibilities and methods for computer-assisted design of ultrasound transducers are described. These transducers are essential for an ultrasonic sensor design, e.g. for continuous non-invasive determination of quantities that are important in process technology. To achieve technical reliability and robustness, the precise determination of all acoustic properties of the used sensor materials is of great importance. Problem-oriented modeling, numerical simulation, special optimization algorithms and improved methods for the visualization of propagating waves offer new and promising possibilities for developing ultrasonic transducers with enhanced properties.

Generating of short ultrasonic pulses using active damping - Rautenberg, Jens; Olfert, Sergei; Henning, Bernd
In non-destructive testing (NDT) with ultrasound the emission of short pulses is essentially if the echoes of nearby obstacles should be separated from the emitted signal. In this contribution a new approach is shown how to gene-rate a short ultrasonic pulse using a 3$-$1 composite transdu-cer. Therefore the ceramic bars, which are embedded in a polymer matrix, will be regarded as an exciter for the entire structure. After the pulse excitation the same bars can also be used for active damping to increase the bandwidth of the entire system. The Mason model serves as a basis for the de-scription of the ultrasonic transducer and is extended to the composite structure. The excitation signal is adaptively mo-dified by a suitable signal processing. Therefore the changes of boundary conditions, like the ambient temperature or acoustic impedance of adjacent media are considered.

Berührungslose Materialfeuchtemessung nach dem NIR-Prinzip bei schnell variierendem Messgutabstand - Wetzlar, Dietmar; Krumme, Matthias (4. CMM-Workshop Innovative Feuchtemessung in Forschung und Praxis)

Tomografische Ultraschallmessverfahren für die Prozessmesstechnik - Henning, Bernd

Editorial: XXI. Messtechnisches Symposium des Arbeitskreises der Hochschullehrer für Messtechnik (AHMT), Paderborn, 20.--22.09.2007 - Henning, Bernd (Technisches Messen)

Verfahren zur Bestimmung einer Eigenschaft eines strömenden Mediums sowie Ultraschallzähler - Henning, Bernd

Separation und Bewertung verschiedener Moden der Schallausbreitung im akustischen Wellenleiter - Rautenberg, Jens; Henning, Bernd
In this contribution it is shown that the modal components of the received signal at the end of an acoustic waveguide can be suppressed or intensified if the two electrodes of a piezo-electric ceramic are shaped in a special way. With this it is possible to measure different signals which can be used to differ between the liquids dissipation and the signal attenuation caused by the waveguide geometry as well as impedance conditions. With the help of the principal component analysis it should be possible to infer the modal amplitudes from the received signals of one ultrasonic transducer and to calculate the acoustic impedance of the liquid that is included in the wave guide.

Simultaneous direct and indirect measurement of sound velocities - Rautenberg, Jens; Henning, Bernd
This contribution is about different types of sonagram processing and their application for the simultaneous direct and indirect measurement of both the longitudinal and the transversal ultrasound velocities of highly absorbing isotropic synthetic polymers. Therefore, the pulse transmission of an initially longitudinal wave through a hollow cylindrical specimen is investigated experimentally and theoretically.

Piezosensor zur Temperaturmessung - Rautenberg, Jens; Ziegler, Horst; Gaugler, Ulrich; Dietz, Gerhard; Unverzagt, Carsten; Kehl, Romina; Henning, Bernd

Verfahren zur Bestimmung einer Eigenschaft eines strömenden Mediums - Rautenberg, Jens; Ziegler, Horst; Gaugler, Ulrich; Dietz, Gerhard; Unverzagt, Carsten; Kehl, Romina; Henning, Bernd

Ultraschall-Messtechnik und Ultraschall-Tomografie - Henning, Bernd

Liquid analysis using acoustical sensors - Henning, Bernd

Schallfeldsimulation für die Ultraschallmesstechnik - Henning, Bernd
Ultraschallsensoren werden heute in der industriellen Messtechnik vielfach eingesetzt, zum Beispiel für die Durchflussmessung, Füllstandmessung, Konzentrationsanalyse, zerstörungsfreie Werkstoffdiagnostik und anderes mehr. Dabei wachsen die Anforderungen hinsichtlich der zu gewährleistenden Messunsicherheit, der Zuverlässigkeit sowie einer erweiterter Funktionalität ständig. Erreichen lassen sich diese Ziele natürlich nur mit Hilfe verbesserter Ultraschallsensoren und optimal gestalteter Messanordnungen. Die permanente Forderung, die Produktentwicklungszeiten sowie die Produktherstellungskosten deutlich zu minimieren, macht den Einsatz moderner Entwicklungswerkzeuge für das Sensordesign unumgänglich.