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Schall zum Anfassen - Experimentelle Charakterisierung hochintensiver fokussierter Luftultraschallfelder

08.10.2020

Hochintensiver fokussierter Luftultraschall kann eine haptische Empfindung im Raum erzeugen und ermöglicht es dadurch, per Schall in die Luft projizierte Objekte zu spüren und aktive Reaktionen, z. B. das Drücken eines Knopfes zu registrieren. Diese Technologie birgt allerdings auch mögliche Gesundheitsrisiken für den Benutzer durch die notwendigen hohen Schalldrücke. In einer Forschungskooperation zwischen der Robert Bosch GmbH und der PTB wurden solche Luftultraschallfelder nun näher untersucht.

Hochintensive fokussierte Luftultraschallfelder werden zunehmend in verschiedenen Bereichen eingesetzt, zum Beispiel, um ein haptisches Feedback für eine Gestensteuerung zu generieren. Um mögliche gesundheitliche Risiken für Benutzer durch die notwendigen hohen Schalldrücke zu bewerten werden verlässliche Messungen von Schalldruckpegeln benötigt. Solche Ultraschallfelder stellen spezifische Anforderungen an eine quantitative Charakterisierung. Die hohen Schalldruckpegel in Kombination mit den durch nichtlineare Effekte verursachten höheren Harmonischen erfordern ein Messsystem, das sowohl hohe Pegel verzerrungsfrei verarbeiten kann (hohe obere Linearitätsgrenze), als auch eine große Bandbreite besitzt, um alle relevanten Frequenzanteile zu erfassen. Weiterhin führen die kleinen Wellenlängen und die Fokussierung zu lokal stark variierenden Schallfeldern. Im vorliegenden Fall wurde ein amplitudenmoduliertes Signal mit einer Trägerfrequenz von 40 kHz mit einem entsprechenden Lautsprecherarray auf einen einzigen Punkt fokussiert. In der Fokusregion wurde das Ultraschallfeld räumlich vermessen und aus dem Momentanschalldruck verschiedene Schallfeldgrößen bestimmt (Abbildung 1).

Weiterhin wurde mit einem Kunstkopf eine Anwendungssituation nachgestellt (Abbildung 2), um realistische Schallfeldwerte um einen potentiellen Nutzer herum zu erhalten. Die Mikrofonmessungen wurden ergänzt durch messtechnische Bestimmung der Schallstrahlungskraft und mit analytischen Modellen der Schallfeldverteilung verglichen.

 

Abbildung 1: Räumliche Schallfeldverteilung durch den Fokuspunkt eines Lautsprecherarrays. Aufgetragen ist der unbewertete Schalldruckpegel der 40 kHz-Terz in einer vertikalen Schnittebene.

Abbildung 2: Ein Mikrofon scannt in einer Laborsimulation einer Anwendungssituation das Schallfeld um einen Kunstkopf herum ab.

Die Arbeit verbindet mehrere Aspekte aktueller Luftultraschallforschung. Zum einen zeigt der direkte Vergleich verschieden großer Mikrofone deren Eignung als Sensor in komplex strukturierten Ultraschallfeldern. Zum anderen liefert die räumlich hochaufgelöste Schallfeldabtastung eine Abstrahlcharakteristik einer realen Ultraschallquelle und kann zur Validierung numerischer Simulationen dienen. Weiterhin zeigt die Visualisierung des Schallfeldes um einen potentiellen Benutzer ultraschallspezifische Effekte wie Abschattung und Interferenzbildung und hilft somit beim Verständnis der Schallausbreitung. All diese Erkenntnisse über Messtechnik, Schallquellen und Schallausbreitung können in die Normung einfließen und unterstützen die Ermittlung und Bewertung der Schallexposition eines möglichen Benutzers und die Abwägung möglicher Gesundheitsrisiken. Die Arbeiten wurden nun in [1] als Open Access publiziert.

Literatur:

[1] Marko Liebler, Christoph Kling, André Gerlach, Christian Koch: Experimental characterization of high-intensity focused airborne ultrasound fields. J. Acoust. Soc. Am. 148 (3), September 2020. Opens external link in new windowDOI: 10.1121/10.0001974

Ansprechpartner:

Christoph Kling, FB 1.6, AG 1.63, E-Mail: Opens window for sending emailchristoph.kling(at)ptb.de