Ultraschalltechnik

Die Arbeitsgruppe Ultraschall wird von Frau apl. Prof. Dr. rer. net et Ing. habil Kühnicke geleitet und beschäftigt sich mit den drei Themengebieten:

Schallfeldmodellierung

Bei der Ultraschallprüfung ist eine anwendungsbezogene Anpassung des Prüfverfahrens und des Ultraschallwandlers an die Geometrie des zu prüfenden Objektes und die Lage des Fehlers erforderlich. Für solche Optimierungsaufgaben wurden schnelle Algorithmen und Simulationsprogramme auf der Grundlage von Green'schen Funktionen zur Berechnung des harmonischen und des transienten Schallfeldes entwickelt. Mit Schallfeldmodellierungen wurden neue Messmethoden entwickelt und eine Verbesserung bestehender Messmethoden erreicht:

• nicht-scannende Bestimmung von Krümmungsradien
• Optimierung und Anpassung von Ultraschallprüfköpfen an vorgegebene Prüfszenarien (z.B. Auslegung von Linsen und Vorlauf bei der Prüfung von Bauteilen mit gekrümmten Oberflächen)
• Verbesserung der Auflösung in der Bildgebung
• gleichzeitige Bestimmung von Schallgeschwindigkeit und Schichtdicke in mehrlagigen Strukturen
• Optimierung von Array-Strukturen

Publikationen

• E. Kühnicke: „Three-dimensional waves in layered media with non-parallel and curvedinterfaces - A theoretical approach“; J. ACOUST. SOC. AM. 100; 1996; 2; pp. 709-716
• E. Kühnicke: „Elastische Wellen in geschichteten Festkörpersystemen: Modellierungen mit Hilfe von Integraltransformationsmethoden“; Simulationsrechnungen für Ultraschallanwendungen; Schriftenreihe der TIMUG Technologie in Medizin und Gesundheitswesen e.V.; Bonn 2001; ISBN 3-934244-01-7
• E. Kühnicke, M. Lenz, N. Gust: „Nutzung von Schallfeldinformationen zur Entwicklung von neuen Ultraschallmessverfahren“; Neue Entwicklungen in der Elektroakustik und elektromechanischen Messtechnik; Band 40; 59 – 68

Ultraschallmesstechnik

Die Ultraschallmikroskopie ist ein bildgebendes Verfahren, mit welchem sich verdeckte Strukturen, insbesondere von opaken Körpern, abbilden lassen. Ultraschallmikroskope arbeiten im Frequenzbereich von 10 bis ca. 230 MHz und stellen die im Impuls-Echo-Betrieb gewonnenen Reflexionssignale als A-, B- oder C-Bilder dar. Übliche kommerzielle Geräte arbeiten einkanalig und schallen mit einem stark fokussierenden Schallkopf mit akustischer Linse normal in die Probe, die im Wasserbad gelagert wird, ein. Zur Bilderzeugung scannt der Schallkopf die Probe in allen drei Dimensionen ab. Um die neuen Messverfahren basierend auf Annular Arrays anzuwenden, wurde ein eigenes 16-kanaliges Messsystem mit 3-Achsen Verschiebe-Einrichtung entwickelt.

Ziel neuer Projekte ist die Verbesserung des mehrkanaligen Ultraschallmikroskopiesystems und die Entwicklung speziell strukturierter Ultraschallprüfköpfe, mit denen das Schallfeld geschwenkt und fokussiert werden kann. Durch die Anwendung der neu entwickelten Messverfahren bei hohen Frequenzen wird eine Verbesserung der Bildgebung, die Erweiterung der Prüfszenarien und die Reduzierung des zeitlichen Aufwandes bei der Ultraschallmikroskopie angestrebt.

Die Entwicklung neuer Messverfahren setzt die genaue Charakterisierung der verwendeten Schallköpfe und Arrays voraus. Die effektive Wirkungsweise von Annular-Arrays bedingt, dass die einzelnen Ringe gleiche Flächen und damit die gleiche Position des natürlichen Fokus besitzen und dass bei vorfokussierten Arrays Krümmungen exakt ausgeführt werden. Die Verwendbarkeit und Qualität von gefertigten Arrays lässt sich deshalb durch Vermessung des Schallfeldes und Bestimmung der Fokuslage mit einem Punktreflektor, Hydrophon oder mit Hilfe von Streuteilchenmessungen bestimmen.

Publikationen

• N. Gust, F. Schellhorn: „High frequency 16 channel ultrasonic microscope for annular arrays“; IEEE International Ultrasonics Symposium; 2012; pp. 2435-2437
• A. Juhrig, S. Kümmritz, M. Wolf, E. Kühnicke: „Development of a Multichannel Pulser for Acoustic Scanning Microscopy“; Physics Procedia Vol. 70; 2015; pp. 892-895
• Lenz, M.; Gust, N.; Wolf, M.; Kühnicke, E.; Rödig, T.: „Transducer characterisation by sound field measurements”; IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control; vol. 60; no. 5; May 2013; pp. 998-1009. ISSN 0885-3010

Entwicklung schallfeldbasierter Messverfahren

Die Nutzung von Annular-Array Prüfköpfen ermöglicht zum einen die Steuerung des Schallbündels sowie des Fokuspunktes und zum anderen die Gewinnung zusätzlicher Informationen aus dem empfangen Echosignal. Neben der Laufzeit und der Amplitude des reflektierten Signals kann so beispielsweise die Schalldruckverteilung ausgewertet werden, um neue Messverfahren für die folgenden Bereiche zu entwickeln.

• Materialcharakterisierung z.B.: gleichzeitige Bestimmung von Schichtdicken und Schallgeschwindigkeiten in mehrlagigen Strukturen
• Zerstörungsfreie Prüfung z.B.: Bestimmung von Größe und Form von Einschlüssen kleiner als die Schallbündelbreite, Bestimmung von Krümmungsradien akustischer Grenzflächen
• Prozessmesstechnik z.B.: orts- und zeitaufgelöste Messung von Schallgeschwindigkeiten
• medizinische Bildgebung z.B.: Temperaturüberwachung während Hyperthermiebehandlungen in biologischem Gewebe mittels Ultraschall

Publikationen

• Sebastian Kümmritz, Mario Wolf und Elfgard Kühnicke: „Simultane Bestimmung von Dicken und Schallgeschwindigkeiten geschichteter Strukturen“; tm – Technisches Messen; 2015; 82(3): 127–134
• Mario Wolf, Sebastian Kümmritz, Elfgard Kühnicke: “Advanced signal analysis for the examination of multilayered structures using annular arrays”; 11th European Conference on Non-Destructive Testing (ECNDT 2014); October 6-10, 2014; Prague, Czech Republic
• S. Kümmritz, M. Wolf, E. Kühnicke: “Material Characterization of Layered Structures with Ultrasound”; 2015 International Congress on Ultrasonics; 2015 ICU Metz
• Sebastian Kümmritz, Mario Wolf, Elfgard Kühnicke: “Improvement of the resolution limit caused by the width of the sound beam”; 2012 IEEE International Ultrasonics Symposium Proceedings, Dresden; October 7-10, 2012; pp. 44-47
• M. Wolf, E. Kühnicke: „Non-invasive and Locally Resolved Measurement of Sound Velocity by Ultrasound”; Sensors & Transducers Journal; Vol. 184; Issue 1; January 2015; pp. 53- 59; ISSN: 2306-8515
• Michael Lenz, Martin Bock, Elfgard Kühnicke, Josef Pal, Andreas Cramer: „Measurement of the sound velocity in fluids using the echo signals from scattering particles”; Ultrasonics; Vol. 52; Issue 1; 2012; S. 117-124; ISSN 0041-624X
• Mario Wolf, Katharina Rath, Andrés Eduardo Ramos Ruiz, Elfgard Kühnicke: “Ultrasound thermometry for optimizing heat supply during a hyperthermia therapy of cancer”; 2015 International Congress on Ultrasonics; 2015 ICU Metz