Erzeugung von virtuellen Schallquellen durch Amplituden-Fokussierung

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Um Schallwellen zu generieren und die Ergebnisse zu erfassen, verwendet die Brigham Young University Arbitrary Waveform Generatoren (AWGs) und einen Digitizer von Spectrum Instrumentation. An der dortigen Forschungsgruppe für Akustik am Institut für Physik und Astronomie wird die Verwendung von Time Reversal (TR) Signalverarbeitung zur Fokussierung von Wellen mit hohen Amplituden untersucht.



Bei den Experimenten an der BYU wird ein hoher Amplitudenfokus des Schalls in einer Hallkammer erzeugt. Das TR-Signalverarbeitungsverfahren fokussiert Schallwellen von entfernt angeordneten Quellen unter Verwendung eines Vorwärts- und Rückwärtsschritts. Während des Vorwärtsschritts wird eine Impulsantwort (Übertragungsfunktion in der Frequenzdomäne) für eine Quelle und einen Empfänger erzeugt.


Der Impuls wird dann zeitlich umgekehrt und kann bei Bedarf mit Processing auch verändert werden. Während des Rückwärtsschritts wird die umgekehrte Impulsantwort von der Quelle gesendet und die Fokussierung des Tons findet an der Empfängerstelle statt.



Der Versuchsaufbau

Um eine hohe Amplitude im Fokus zu erreichen, wurde ein Versuchsaufbau entworfen, der aus acht koaxialen Hornlautsprechern besteht. Ein Freifeldmikrofon (Fa. Gras) mit einer spezifizierten Obergrenze des dynamischen Bereichs von 175 dB wurde in Verbindung mit einem Vorverstärker für die Messungen verwendet.



Die benötigten Signale ...

für die Experimente wurden in MATLAB erzeugt und über zwei 4-kanalige Spectrum Generatorkarten M2i.6022-exp mit 20 MS/s ausgegeben. Die acht Ausgänge der Spectrum AWG-Karten wurden mit zwei 4-kanaligen Crown CT4150 Verstärkern verbunden, die dann die Hornlautsprecher ansteuern. Die Signalaufnahme vom Mikrofon erfolgt mit einer 4-Kanal Spectrum M2i.4931-exp Digitizerkarte mit 16 Bit Auflösung und einer Abtastrate von 50 kHz.



Als Ergebnis der Studie ...

hat sich die als "clipping method" bekannte Vorgehensweise als beste Impuls-Modifikationsmethode zur Erzeugung des höchsten Amplitudenfokus herausgestellt. In diesem Experiment wurde eine optimaler Clipping-Threshold von 9,05 kPa (173,1 dB Spitze) erreicht. Experimente, die bei niedrigeren Amplituden durchgeführt wurden und entsprechend auf das Ergebnis mit der höchsten Amplitude skaliert wurden, liefern den Beweis, dass die TR-Fokussierung bei diesen hohen Amplituden ein nichtlinearer Prozess ist.



Die praktischen Anwendungsgebiete

Die Fähigkeit, Wellen zu fokussieren, bietet interessante Möglichkeiten in einer Reihe von Bereichen wie Kommunikation, Ultraschall, zerstörungsfreie Werkstoffprüfungen (NDT = nondestructive testing), medizinische Forschung und Audio. Zum Beispiel kann in biomedizinischen Anwendungen fokussierter Ultraschall bei Lithotripsieverfahren zur Behandlung von Nierensteinen oder zur gezielten Behandlung von Hirntumoren verwendet werden.


In ähnlicher Weise wurde das in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung dazu verwendet, Defekte in festen Materialien zu lokalisieren und zu charakterisieren. Zusätzlich kann das TR-Verfahren verwendet werden, um Ultraschall mit hoher Amplitude für eine kontaktfreie Schallquelle zu erzeugen, die dann für ebenfalls zerstörungsfreie Materialuntersuchungen verwendet werden kann. 

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