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Duct acoustics for air-coupled ultrasonic phased arrays

Rutsch, Matthias (2023)
Duct acoustics for air-coupled ultrasonic phased arrays.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00023129
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

Air-coupled ultrasound is used in many applications such as range inding, tactile feedback, flow metering or non-destructive testing. The transducers directivity is a crucial acoustic property for all these applications. For instance, a narrow beam width allows for higher angular resolutions, whereas a wider beam width allows for emitting the sound wave in a bigger area for obstacle detection. However, the transducers dimensions influence its directivity and its resonance frequency. In order to decouple the acoustic aperture from transducer, acoustic waveguides are investigated in this work. This way, grating lobe free phased arrays can be built for unambiguous beamforming. In this thesis, the wave propagation inside these waveguides, including coupling mechanisms from the transducer till the free-field, are investigated. First, the state of the art of duct acoustics applications in the audible range and the ultrasound range are presented. Afterwards, different duct acoustics models are derived and compared. Each model is validated for 40 kHz, a duct length of 80 mm and an aperture between 10 mm and 3.4 mm. The challenge of the simulations is to take higher modes into account while reducing the calculation times. Therefore, analytical and numerical models were investigated. As a result, the boundary element method is the most efficient approach for the given geometry wavelength ratio using the commercial software COMSOL Multiphysics. With this method, free-field calculations on a single Xeon E5-2660 v3 CPU and 256 GB RAM without the need of a cluster are possible. The model is validated with calibrated measurements in an anechoic chamber. Therefore, an automated measurement system is established where a calibrated measurement microphone moves relative to the transducer, thus characterizing the sound field in front of the transducer. This setup can measure a hemisphere with a radius of up to 6 m and has a dynamic range of 111 dB. After the validation of the numerical model, waveguide geometry optimizations were conducted. The analyzed properties were: the influence of a perpendicular output and input surface on the wave propagation inside the waveguide; the size of the output aperture; length variations of the waveguide including temperature dependence; the position of tapering and types of losses due to the waveguide. As a result, the perpendicular input is crucial for fundamental mode propagation, otherwise higher modes occur, because the input diameter is bigger compared to the wavelength. The size of the output surface can be increased for line arrays with an SPL gain of +10 dB. However, the limit of the aperture size is 3.7 × λ, otherwise higher modes occur at the output which lead to defocusing of the main lobe. The length of the waveguide can increase the SPL. However, the industrial temperature demands of −25◦C to 75◦C have the same influence on the SPL as the length optimization (±4.8 dB), and, thus, are not investigated in more detail. The positioning of the tapering has just a minor influence of ±0.4 dB. The losses of the waveguide are −10 dB with diffraction loss as the dominant part. The losses inside the waveguide (reflection and thermoviscous losses) could not be validated with measurements due to the narrow bandwidth of the transducers, since the incident and reflected wave superposed. The derived results of the geometry optimization were used to build four line arrays. First, a waveguide with equal length ducts was built as a reference. Second, a Bézier waveguide with plane input surfaces for the transducers was designed. Third, the output aperture was changed from round outputs to rectangular shapes to increase the SPL and sensitivity. Last, a shortened version of the Bézier waveguide was built which has a reduced length of 65%. All four waveguides were simulated using the boundary element method and validated with the measurement etup. As a result, in both simulation and measurement the shorten waveguide has an increased SPL of +5 dB compared to the reference waveguide with equal length ducts. Thus, it is possible to build compact waveguides for air-coupled phased arrays. Next, the influence of different duct lengths in an acoustic waveguide is analyzed in more detail. Using ducts of different length offers more design freedom for the entire waveguide for compact design, easier assembly and reduced assembly time. However, different lengths must be compensated with additional time delays. Therefore, two waveguides were compared. First, an equal length waveguide was used. Second, a waveguide with Bézier-shaped ducts was used. The time delays, due to varying duct lengths, were measured and simulated with analytic and numerical methods. Afterwards, the directivity patterns of both waveguides were compared. As a result, the time compensation has no significant impact on the beam profile regarding side lobe level and half power beam width. In addition, SPL deviation of the waveguides are within the manufacturing tolerances of the transducers. The last aspect investigated in this thesis is the water resistance of the waveguide. Since it is designed for air-coupled ultrasound, it can be clogged due to dirt, dust or liquid. Two commonly known solutions for this issue is the use of hydrophobic fabrics or thin films. Therefore, both solutions were compared. First, these two approaches showed no significant impact on the beamforming capabilities of the phased array. In addition, the IP class of the fabric reached IPX7 and the thin film achieved even IPX8. Furthermore, the fabric has a minor insertion loss of just −1.8 dB. In contrast, the film reduces the SPL by −7.5 dB. This loss can be further reduced with special effort to +0.4 dB by changing the waveguide geometry and tuning the system to the correct resonance frequency. However, this shows that the film has a high temperature dependence compared to the fabric. In conclusion, acoustic waveguides enhance the acoustic properties of ultrasonic sensors. The directivity can be decoupled from the transducer and customized for a certain application.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2023
Autor(en): Rutsch, Matthias
Art des Eintrags: Erstveröffentlichung
Titel: Duct acoustics for air-coupled ultrasonic phased arrays
Sprache: Englisch
Referenten: Kupnik, Prof. Mario ; Sessler, Prof. Gerhard
Publikationsjahr: 2023
Ort: Darmstadt
Kollation: xiv, 135 Seiten
Datum der mündlichen Prüfung: 17 Januar 2023
DOI: 10.26083/tuprints-00023129
URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/23129
Kurzbeschreibung (Abstract):

Air-coupled ultrasound is used in many applications such as range inding, tactile feedback, flow metering or non-destructive testing. The transducers directivity is a crucial acoustic property for all these applications. For instance, a narrow beam width allows for higher angular resolutions, whereas a wider beam width allows for emitting the sound wave in a bigger area for obstacle detection. However, the transducers dimensions influence its directivity and its resonance frequency. In order to decouple the acoustic aperture from transducer, acoustic waveguides are investigated in this work. This way, grating lobe free phased arrays can be built for unambiguous beamforming. In this thesis, the wave propagation inside these waveguides, including coupling mechanisms from the transducer till the free-field, are investigated. First, the state of the art of duct acoustics applications in the audible range and the ultrasound range are presented. Afterwards, different duct acoustics models are derived and compared. Each model is validated for 40 kHz, a duct length of 80 mm and an aperture between 10 mm and 3.4 mm. The challenge of the simulations is to take higher modes into account while reducing the calculation times. Therefore, analytical and numerical models were investigated. As a result, the boundary element method is the most efficient approach for the given geometry wavelength ratio using the commercial software COMSOL Multiphysics. With this method, free-field calculations on a single Xeon E5-2660 v3 CPU and 256 GB RAM without the need of a cluster are possible. The model is validated with calibrated measurements in an anechoic chamber. Therefore, an automated measurement system is established where a calibrated measurement microphone moves relative to the transducer, thus characterizing the sound field in front of the transducer. This setup can measure a hemisphere with a radius of up to 6 m and has a dynamic range of 111 dB. After the validation of the numerical model, waveguide geometry optimizations were conducted. The analyzed properties were: the influence of a perpendicular output and input surface on the wave propagation inside the waveguide; the size of the output aperture; length variations of the waveguide including temperature dependence; the position of tapering and types of losses due to the waveguide. As a result, the perpendicular input is crucial for fundamental mode propagation, otherwise higher modes occur, because the input diameter is bigger compared to the wavelength. The size of the output surface can be increased for line arrays with an SPL gain of +10 dB. However, the limit of the aperture size is 3.7 × λ, otherwise higher modes occur at the output which lead to defocusing of the main lobe. The length of the waveguide can increase the SPL. However, the industrial temperature demands of −25◦C to 75◦C have the same influence on the SPL as the length optimization (±4.8 dB), and, thus, are not investigated in more detail. The positioning of the tapering has just a minor influence of ±0.4 dB. The losses of the waveguide are −10 dB with diffraction loss as the dominant part. The losses inside the waveguide (reflection and thermoviscous losses) could not be validated with measurements due to the narrow bandwidth of the transducers, since the incident and reflected wave superposed. The derived results of the geometry optimization were used to build four line arrays. First, a waveguide with equal length ducts was built as a reference. Second, a Bézier waveguide with plane input surfaces for the transducers was designed. Third, the output aperture was changed from round outputs to rectangular shapes to increase the SPL and sensitivity. Last, a shortened version of the Bézier waveguide was built which has a reduced length of 65%. All four waveguides were simulated using the boundary element method and validated with the measurement etup. As a result, in both simulation and measurement the shorten waveguide has an increased SPL of +5 dB compared to the reference waveguide with equal length ducts. Thus, it is possible to build compact waveguides for air-coupled phased arrays. Next, the influence of different duct lengths in an acoustic waveguide is analyzed in more detail. Using ducts of different length offers more design freedom for the entire waveguide for compact design, easier assembly and reduced assembly time. However, different lengths must be compensated with additional time delays. Therefore, two waveguides were compared. First, an equal length waveguide was used. Second, a waveguide with Bézier-shaped ducts was used. The time delays, due to varying duct lengths, were measured and simulated with analytic and numerical methods. Afterwards, the directivity patterns of both waveguides were compared. As a result, the time compensation has no significant impact on the beam profile regarding side lobe level and half power beam width. In addition, SPL deviation of the waveguides are within the manufacturing tolerances of the transducers. The last aspect investigated in this thesis is the water resistance of the waveguide. Since it is designed for air-coupled ultrasound, it can be clogged due to dirt, dust or liquid. Two commonly known solutions for this issue is the use of hydrophobic fabrics or thin films. Therefore, both solutions were compared. First, these two approaches showed no significant impact on the beamforming capabilities of the phased array. In addition, the IP class of the fabric reached IPX7 and the thin film achieved even IPX8. Furthermore, the fabric has a minor insertion loss of just −1.8 dB. In contrast, the film reduces the SPL by −7.5 dB. This loss can be further reduced with special effort to +0.4 dB by changing the waveguide geometry and tuning the system to the correct resonance frequency. However, this shows that the film has a high temperature dependence compared to the fabric. In conclusion, acoustic waveguides enhance the acoustic properties of ultrasonic sensors. The directivity can be decoupled from the transducer and customized for a certain application.

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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.

Deutsch
Status: Verlagsversion
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-231294
Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 18 Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
18 Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Mess- und Sensortechnik
Hinterlegungsdatum: 26 Jan 2023 12:53
Letzte Änderung: 31 Jan 2023 08:58
PPN:
Referenten: Kupnik, Prof. Mario ; Sessler, Prof. Gerhard
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 17 Januar 2023
Export:
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