Entwurf hydroakustischer Sensoren
Primäres Ziel dieses Forschungsgebietes ist es, die physikalischen Grundlagenkenntnisse der mechanischen Schwingungs- und Wellentheorie beim Entwurf von Wandlern zur Schallerzeugung und zum Schallempfang anzuwenden.
Das interessierende Wandlerspektrum erstreckt sich dabei vom Tiefstfrequenzwandler, der in der Seismik und in passiven Sonaren eingesetzt wird, bis hin zum Ultraschallwandler, der Anwendung in akustischen Abbildungssystemen der medizinischen Diagnostik, der bildgebenden Sonartechnik sowie der zerstörungsfreien Materialprüfung findet.
Mit dem Einsatz immer ausgefeilterer Messdatenanalyseverfahren steigen die Anforderungen an den Informationsinhalt der Messsignale und damit an das Übertragungsverhalten zukünftiger Schallwandler insbesondere hinsichtlich ihrer Bandbreite. Das Design derartiger Schallwandler erfordert komplexe Simulationswerkzeuge auf Basis der Finiten Elemente Methode (FEM).
Aus diesem Grund konzentrieren sich die Forschungsaktivitäten im Bereich der Sensorik auf die Anpassung und Anwendung kommerziell verfügbarer FEM-Werkzeuge für den Entwurf elektroakustischer Wandlern hoher Güte und Bandbreite sowie die Optimierung des Aufbaus von Wandlergruppen hinsichtlich des Wechselwirkungsverhaltens benachbarter Wandler und der akustischen Ankopplung der Schallwandler an das Ausbreitungsmedium.
Entwurf hydroakustischer Sensorgruppen (Antennen)
Unter einer Sensorgruppe (Antenne) wird eine geometrische Anordnung von Einzelwandlern verstanden. Durch eine spezielle Verarbeitung der einzelnen Wandlersignale (Beamforming) gelingt es, nur noch Signale von den Schallquellen zu empfangen, deren Schallwellen aus Richtungen auf die Sensorgruppe einfallen, die innerhalb eines vordefinierten Raumwinkelbereiches liegen (Raumfilterung).
Anwendungsbereiche des Beamforming sind Sensorgruppen in der Radar- und Sonartechnik sowie in der seismischen Exploration und der mobilen Kommunikation. Die Raumfilterwirkung des Beamforming hängt vom Aufbau der Sensorgruppe, d. h. von der Anzahl und der geometrischen Anordnung der Wandler ab.
Die Aufgabe des Entwurfs von 1D, 2D und 3D Antennen besteht nun darin eine Wandleranordnung zu bestimmen, die mit der geringsten Anzahl von Wandlern bzw. durch optimierte Amplituden- und Phasenstaffelung der Einzelwandler die geforderte Empfangs- bzw. Senderichtwirkung (Beampattern) liefert.
Da diese Klasse von Optimierungsproblemen mit den bekannten und insbesondere mit den ableitungsbasierten Verfahren, z. B. der Gradienten- und Newton-Raphson-Methode, nur unbefriedigend (Konvergenzeigenschaften) oder gar nicht (Differenzierbarkeitsanforderungen) gelöst werden kann, sind alternative Optimierungsverfahren zu entwickeln.
Forschungsziele sind deshalb die Erarbeitung neuer und die Anwendung robuster Optimierungsalgorithmen für den Antennenentwurf. Als vielversprechende Optimierungsstrategien werden dabei der aus der Evolutionstheorie hervorgegangene genetische Algorithmus sowie das aus der Festkörperphysik abgeleitete Simulated Annealing Verfahren angesehen.
