Forschungsschwerpunkt Simulationen

In fast allen Bereichen der modernen Messtechnik werden heute Simulationen eingesetzt, um Messsysteme zu entwerfen oder zu optimieren. Je nach Einsatzgebiet ist es sinnvoll oder sogar notwendig, über die reine FEM-Simulation hinaus verschiedene analytische oder halbanalytische Methoden miteinander zu kombinieren.

So kann beispielsweise eine längere Messstrecke in Form eines Wellenleiters durch entsprechende analytische Ansätze abgebildet werden und so der mit der FEM-Simulation zu berechnende Bilanzraum auf ein realisierbares Maß reduziert werden. Auch die Freifeldausbreitung über längere Strecken hinweg lässt sich auf analytischem Wege, beispielsweise durch eine Punktquellensynthese (PQS), aus der FEM-Simulation herauslösen und ermöglicht so die Betrachtung eines größeren Bilanzraumes.

Die Finite Elemente Methode (FEM) bietet die Möglichkeit, das Verhalten von Ultraschallmesssystemen schon während der Entwicklungsphase zu beurteilen. Je nach Geometrie werden zweidimensionale Schnitte, rotationssymmetrische Modelle oder dreidimensionale Konstruktionen simuliert.

Hierbei können sowohl vorhandene CAD-Geometrien als auch eigens nach den Vorgaben erstellte Modelle verwendet werden. Je nach Umfang und Zielstellung wird die FEM-Simulation bei Bedarf mit analytischen oder halbanalytischen Methoden oder der scriptbasierten Modellgenerierung ergänzt.

Scriptbasierte Modellgenerierung

Bei vielen Fragestellungen der FEM-Simulation geht es um die Optimierung beispielsweise einer Wandlergeometrie oder einer Materialkombination von verwendeten Werkstoffen. Hier ist neben der reinen FEM-Simulation sowohl ein flexibles Simulationsmodell als auch eine problemangepasste Optimierungsstrategie nötig. Bei der scriptbasierten Modellgenerierung wird hierfür das Modell so aufgebaut, dass alle für die Optimierung relevanten Modellgrößen (Geometrie, Materialien, Anregung, ...) von den Optimierungsalgorithmen sukzessive variiert werden können und im vorgegebenen Parameterraum ein Optimum entsprechend der definierten Zielgröße gefunden wird. Hierbei kommen je nach Problemstellung verschiedene Optimierungsstrategien zum Einsatz, wie beispielsweise genetische Algorithmen oder Gradientenverfahren.

Bei Fragestellungen, bei denen große Bilanzräume betrachtet werden sollen, beispielsweise zur Bestimmung der Abstrahlcharakteristik, kann die Punktquellensynthese eine Alternative zur FEM-Simulation bilden oder diese ergänzen. Mit Hilfe komplexer Übertragungsfunktionen wird hierbei unter Berücksichtigung der frequenzabhängigen Dämpfung die Schallwechseldruckverteilung berechnet.

Auf diese Weise können Freifeldbereiche, die aufgrund der nötigen feinen örtlichen Diskretisierung einen enormen Rechenaufwand verursachen, auf analytischem Wege gelöst und mit der FEM-Simulation kombiniert werden. Die Kombination von FEM-Simulation mit der Punktquellensynthese oder auch anderen analytischen oder halbanalytischen Verfahren wird als hybride Simulation bezeichnet.