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Original title:
Structural Dynamics of Ultrasonic Transducers: Simulation and Experiment 
Translated title:
Strukturdynamik von Ultraschallwandlern: Simulation und Experiment 
Year:
2020 
Document type:
Dissertation 
Institution:
Fakultät für Maschinenwesen 
Advisor:
Marburg, Steffen (Prof. Dr.) 
Referee:
Marburg, Steffen (Prof. Dr.); Cebulla, Holger (Prof. Dr.) 
Language:
en 
Subject group:
MTA Technische Mechanik, Technische Thermodynamik, Technische Akustik 
TUM classification:
MTA 900d 
Abstract:
The increasing level of automation in automotive, robotic, and industrial applications requires growing performance and reliability of surround sensing systems. Sound transducers operating in the ultrasonic frequency range are a well-known technique for surround sensing purposes. Ultrasonic transducers are used for obstacle detection, especially in the short range distance < 6 m. This work investigates new approaches to increase the performance of ultrasonic transducers. The increased performance can be reflected in the reduction of design limitations to achieve anisotropic directivity patterns, in the accomplishment of multi-frequency ultrasonic transducers having only one electro-mechanical coupling element, or in the reduction of mechanical cross-coupling in phased array transducers with a common backing. All presented approaches are studied in finite element simulations as well as experimental testing. In order to investigate the dynamic behavior of periodic stop band material, the dispersion relations are calculated in the unit cell. Therefore, the wave finite element method is applied. The sound radiation behavior and the resulting directivity patterns are determined with an approach coupling finite element simulation and the Rayleigh integral. The first approach uses locally structured fiber reinforcement in composite materials as a new design space. Sections with and without fiber reinforcement are combined resulting in a monolithic structure with various material properties. This finally enables the design of ultrasonic transducer with highly anisotropic directivity patterns and a rotationally symmetric geometry at the same time. The second approach investigates the potential of stop band material to achieve a multi-frequency ultrasonic transducer. Due to the particular dynamic properties of the stop band material, the operational deflection shape of the ultrasonic transducer can be modified within a certain frequency range. Hence, only one electro-mechanical coupling element is required to achieve a multi-frequency ultrasonic transducers. It is shown that suitable sound radiation behavior can be achieved at two operating frequencies. The third approach addresses the field of ultrasonic array transducers. Mechanical cross-coupling caused by a common backing is a serious issue in compact, low frequency, air-coupled ultrasonic array transducers. The usage of stop band material as common backing is a suitable solution to overcome this issue. The approaches presented in this work contribute to increase the performance and reliability of ultrasonic transducers. Finally, this opens up the possibility to develop more comprehensive surround sensing systems. 
Translated abstract:
Der zunehmende Automatisierungsgrad in den Bereichen von Automobil-, Robotik- und Industrieanwendungen erfordert Umfeldsensierungssysteme mit erhöhter Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit. Schallwandler, die im Ultraschallbereich arbeiten, stellen eine bekannte und weit verbreitete Technik zur Umfeldsensierung dar, welche insbesondere im Nahfeldbereich < 6 m eingesetzt wird. Die vorliegende Arbeit untersucht neue Konzepte, um die Leistungsfähigkeit von Ultraschallwandlern zu erhöhen. Dies kann sich in unterschiedlichen Eigenschaften widerspiegeln. Dazu zählen die Überwindung von Designbeschränkungen zur Erzielung anisotroper Richtcharakteristiken, die Herstellung eines Mehrfrequenz-Ultraschallwandlers mit nur einem elektromechanischen Kopplungselement und die Reduktion des mechanischen Übersprechens in Phased-Array-Wandlern mit einer gemeinsamen Trägerstruktur. Die neuen Konzepte werden in numerischen Simulationen mit Hilfe der finiten Elemente Methode untersucht. Anschließend wird die Wirksamkeit mit experimentellen Verfahren nachgewiesen. Das Wellenausbreitungsverhalten in periodischen Strukturen wird durch das Dispersionsverhalten innerhalb einer Einheitszelle untersucht. Die Einheitszelle stellt die kleinste, sich wiederholende Struktur innerhalb des periodischen Aufbaus dar. Durch die Anwendung von periodischen Randbedingungen an den Grenzen der Einheitszelle wird der Berechnungsaufwand signifikant reduziert. Die Berechnung erfolgt mit der sogenannten wave finite element method. Die Schallabstrahlung der untersuchten Komponenten wird durch die Kopplung der Berechnungsergebnisse der finiten Elemente Methode mit dem Rayleigh Integral ermittelt. Der erste Ansatz, der untersucht wird, beruht auf dem Prinzip lokal strukturierter Faser-Verbund-Werkstoffe. Dieser Ansatz eröffnet eine neue Gestaltungsdimension im Vergleich zu klassischen Werkstoffen. Durch die Kombination von faserverstärkten Bereichen mit unverstärkten Bereichen können lokal verschiedene Materialeigenschaften erzielt werden. Diese ermöglichen die Einstellung anisotroper Richtcharakteristiken bei einer rotationssymmetrischen Gestaltung des Schallwandlers. Somit können bestehende Einschränkungen der heutigen Schallwandlergestaltung überwunden werden. Im zweiten vorgestellten Konzept wird lokal verteiltes Stopp Band Material untersucht. Ziel ist es, die Herstellung von Mehrfrequenz-Schallwandlern mit nur einem elektromechanischen Kopplungselement zu ermöglichen. Der Einsatz von nur einem elektromechanischen Kopplungselement begünstigt die Verwendung einer einfachen Auswertungselektronik im Vergleich zum Einsatz mehrerer Kopplungselemente. Die Untersuchungen erfolgen mit unterschiedlichen Geometrien und Randbedingungen, sodass die erzielten Arbeitsfrequenzen variieren. Es wird gezeigt, dass bei unterschiedlichen Arbeitsfrequenzen Schwingungsformen mit geeigneter Schallabstrahlung für die Umfeldsensierung erzielt werden können. Im dritten Konzept wird der Einsatz von Stopp Band Material in Phased-Array-Wandlern zur Reduktion des Übersprechens untersucht. Übersprechen zwischen einzelnen Wandlerelementen eines Phased-Array-Wandlers führt zur einer Reduktion im Auflösungsvermögen. Dadurch wird die Leistungsfähigkeit eingeschränkt. Das vorgestellte Konzept adressiert insbesondere kompakte, tieffrequente, luftgekoppelte Array-Wandler. Es wird gezeigt, dass bei korrekter Abstimmung des Frequnzstoppbands auf die Betriebsfrequenz des Schallwandlers eine signifikante Reduktion des Übersprechens erzielt werden kann. Die vorgestellten, neuen Konzepte tragen zur Steigerung der Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit von Ultraschallwandlern bei. Daraus resultierend können leistungsfähigere Umfeldsensierungssysteme entwickelt werden. 
Oral examination:
04.02.2020 
File size:
50197089 bytes 
Pages:
135 
Last change:
27.03.2020