Luftultraschall-Sender-Empfänger-System für einen künstlichen Fledermauskopf

Air ultrasonic transmitter and receiver system for an artificial bat head

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus-11662
  • Fledermäuse orientieren sich in ihrer natürlichen Umwelt, indem sie Ultraschallpulse aussenden und die reflektierten Echos zu einer dreidimensionalen Information zusammensetzen. In Millionen von Jahren hat dieses Sonarsystem durch Evolution eine erstaunliche Navigationsleistung entwickelt. Diese besondere Fähigkeit der Fledermäuse ist unter bionischem Gesichtspunkt sowohl Ausgangspunkt als auch Vorbild, um insbesondere in der Robotik und der Automatisierungstechnik die Objekterkennung mit Hilfe von Ultraschall weiter zu verbessern. Bisher lässt sich das Ortungssystem der Fledermäuse technisch aber nur unzureichend nachbilden, da die verfügbaren Ultraschallwandler nicht die erforderlichenFledermäuse orientieren sich in ihrer natürlichen Umwelt, indem sie Ultraschallpulse aussenden und die reflektierten Echos zu einer dreidimensionalen Information zusammensetzen. In Millionen von Jahren hat dieses Sonarsystem durch Evolution eine erstaunliche Navigationsleistung entwickelt. Diese besondere Fähigkeit der Fledermäuse ist unter bionischem Gesichtspunkt sowohl Ausgangspunkt als auch Vorbild, um insbesondere in der Robotik und der Automatisierungstechnik die Objekterkennung mit Hilfe von Ultraschall weiter zu verbessern. Bisher lässt sich das Ortungssystem der Fledermäuse technisch aber nur unzureichend nachbilden, da die verfügbaren Ultraschallwandler nicht die erforderlichen Eigenschaften aufweisen. In der vorliegenden Arbeit wurden deshalb Ultraschallsender und -empfänger entwickelt, die sowohl bezüglich des Frequenzbereichs als auch des abgestrahlten Schalldrucks sowie der Empfindlichkeit dem Sende- und Empfangssystem von Fledermäusen weitestgehend entsprechen. Hierzu fand als Wandlermaterial ein spezielles Polypropylen mit dem Namen EMFi (Electro Mechanical Film) Verwendung, das sich zum einen durch einen sehr hohen d33-Koeffizienten und zum anderen durch eine sehr gute Anpassung an Luft auszeichnet. Die Neuartigkeit dieses Materials erforderte zur Optimierung der Wandlereigenschaften umfangreiche messtechnische und numerische Untersuchungen des Materialverhaltens. Außerdem wurde zur genaueren Beschreibung des piezoelektrischen und akustischen Verhaltens des EMFi-Materials mit Hilfe von Simulations- und Messergebnissen ein entsprechender Materialdatensatz erstellt. Die kleine Baugröße, das niedrige Gewicht und die guten akustischen Eigenschaften ermöglichten mit den hier entwickelten Sendern und Empfängern erstmalig einen künstlichen Fledermauskopf zu konstruieren, der dem biologischen Vorbild in den maßgeblichen Parametern sehr nahe kommt. Damit können Biologen in vielfacher Weise diesen künstlichen Fledermauskopf für ihre weitere Forschung nutzen. Dabei gestattet die hohe Bandbreite der in dieser Arbeit entwickelten Ultraschall-Empfänger- und Sende-Wandler erstmalig, das gesamte von Fledermäusen genutzte Frequenzspektrum nicht nur zu erzeugen, sondern auch zu messen.show moreshow less
  • Bats orientate themselves in their natural environment by transmitting ultrasonic pulses and putting together the reflected echoes to a three-dimensional information. In millions of years this sonar system evolved astonishing navigation achievements. This special ability of the bats is under the aspect of bionic development starting point and inspiration for the field of robotic navigation and automated objects recognition with the aid of improvement of the detection of small objects. Up to now the ultrasonic system of bats is not technically transferable, because the presently available ultrasonic transformers do not possess the required properties. Hence, in the present work ultrasonicBats orientate themselves in their natural environment by transmitting ultrasonic pulses and putting together the reflected echoes to a three-dimensional information. In millions of years this sonar system evolved astonishing navigation achievements. This special ability of the bats is under the aspect of bionic development starting point and inspiration for the field of robotic navigation and automated objects recognition with the aid of improvement of the detection of small objects. Up to now the ultrasonic system of bats is not technically transferable, because the presently available ultrasonic transformers do not possess the required properties. Hence, in the present work ultrasonic transmitters and receivers were developed which correspond to a great extend both with regard to the frequency area and transmitted sound pressure together with the sensitivity of the transmitting and receiving system of bats. To fulfil these requirements, a special Polypropylene with the name EMFi (Electro Mechanical film) was used as transducer material, the cellular structure of which results in a very high piezoelectric d33 constant and a very good adaptation to air. This new type of material required extensive numerical and measuring technical research of the material behaviour in order to improve the behaviour of the transformer. Additionally to the above a material data file was compiled on the basis of simulation and measuring results, which describes the piezoelectric and acoustic behaviour of the EMFi material approximately. The small size, the low weight and the very good acoustic properties of the ultrasonic transmitters and receivers developed in the course of this work allowed for the first time the construction of an artificial bat head which corresponded very approximately with the biological one. Therefore biologists will be able to utilise this artificial bat head for further research. Thereby the high frequency range of the ultrasonic transmitters and receivers developed in this work, allows for the first time, the whole frequency spectrum of bats to not only be generated but also to be measured.show moreshow less

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Metadaten
Author:Alexander Streicher
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus-11662
Advisor:Reinhard Lerch
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of Completion:2008
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Date of final exam:2008/06/24
Release Date:2008/10/30
Tag:EMFi; Fledermausohr; breitband Ultraschall; künstlicher Fledermauskopf
EMFi; artificial bat head; bionic; ultrasonic transducer
SWD-Keyword:Fledermäuse; Bionik; Ultraschallabsorption; Ultraschallsensor; Ultraschalltechnik; Ferroelektret; Echoorientierung; Technische Akustik; Akusti
Institutes:Technische Fakultät / Technische Fakultät -ohne weitere Spezifikation-
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 62 Ingenieurwissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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