Akustische Bildgebung mit Umrisserkennung
Wissenschaftler der ETH Zürich haben eine neue Methode entwickelt, um sehr schwache und kurze Schallwellen von l?ngeren zu unterscheiden. Der Einsatz ihrer Technik in der akustische Bildgebung erm?glicht es, bei Objekten spezifisch nur Umrisse zu erkennen.
Mit zurückgeworfenem Schall kann man Objekte sichtbar machen: In der Schifffahrt liefert das Echolot Informationen zum Meeresboden oder zu Fischschw?rmen, und Gyn?kologinnen nutzen Ultraschallbilder, um Ungeborene im Mutterleib zu untersuchen. Ebenfalls auf Ultraschall basieren Materialprüfungsverfahren, mit denen Eisenbahnschienen oder die Tragelemente von Flugzeugen regelm?ssig auf Risse untersucht werden.
Forschende der ETH Zürich entwickelten nun eine neue Art von akustischer Bildgebung – eine, die nicht ein ganzes Objekt fotorealistisch wiedergibt, sondern nur dessen Konturen und Kanten. ?Das Resultat dieser Art von Messung ist vergleichbar mit dem Effekt, den man mit dem Kantenerkennungsfilter von Bildbearbeitungssoftware erzielt: Per Mausklick k?nnen dort die Umrisse von markanten Objekten auf Fotos erkannt werden?, erkl?rt Chiara Daraio, Professorin für Mechanik und Materialien. Bloss basiert ihre Methode nicht auf Software, sondern sie filtert die Information zu den Konturen bereits w?hrend der akustischen Messung heraus.
Um das Funktionsprinzip des akustischen Kantenerkennungsfilters zu verstehen, muss man wissen, dass Schallwellen an Kanten auf bemerkenswerte Weise reflektiert werden: Es entstehen dort sogenannte evaneszente Wellen. Diese haben eine deutlich kürzere Wellenl?nge als die einfallenden Schallwellen, die sie erzeugten. Ausserdem zerfallen evaneszente Wellen w?hrend ihrer Ausbreitung rasch. Sie sind daher nur im Nahbereich dieser Kanten messbar. Zwar gab es schon bisher Methoden, diese Wellen zu messen. Den ETH-Forschenden ist es nun aber gelungen, die evaneszenten Wellen mit einer neuen Methode zu verst?rken und vom ?normal? reflektierten, l?ngerwelligen Schall zu unterscheiden.
Resonanz-Struktur aus dem 3D-Drucker
Kernstück der Methode ist eine neue Polymer-Struktur, die Miguel Molerón, Postdoc in Daraios Gruppe, entwickelte und auf einem 3D-Drucker herstellte. Es handelt sich dabei um ein Rohr mit quadratischem Querschnitt. Im Innern ist es in fünf nebeneinanderliegende Resonanzkammern unterteilt. Kleine Fenster verbinden die Kammern miteinander. ?Diese Struktur verst?rkt über die Resonanz die evaneszenten Wellen. Durch den regelm?ssigen gekammerten Aufbau werden die l?ngeren Wellen herausgefiltert?, erkl?rt Molerón. Am Kopfende der Struktur messen vier Mikrofone den übertragenen Schall.
Um ein Umrissbild von einem Objekt zu erstellen, beschallten die Wissenschaftler das Objekt über einen Lautsprecher mit einem Ton einer bestimmten Frequenz. Auf einem Roboter befestigten sie die Polymer-Struktur mit den Mikrofonen sehr nahe an der Objektoberfl?che. So scannten sie systematisch die ganze Oberfl?che. Aus der gemessenen Schall-Information konnten sie das Umrissbild erzeugen.
Schnell das Relevante erkennen
Nach Auskunft der Wissenschaftler bringt die neue Messmethode überall dort Vorteile, wo es nicht darum geht, von einem Objekt ein perfektes Bild zu erhalten, sondern wo man m?glichst schnell relevante Objektinformationen erfassen muss. ?Wir haben eine Methode der akustischen Bildgebung geschaffen, bei der nicht ben?tigte Information gar nicht erst erfasst wird?, sagt ETH-Professorin Daraio. ?Um beispielsweise Objekte anhand ihrer Form und Gr?sse zu klassifizieren, reichen Umrisse und Kanten aus. Ebenso, um Risse oder oberfl?chliche Materialfehler erkennen zu k?nnen?, erg?nzt Postdoc Molerón.
Bei der Arbeit der ETH-Forschenden handelt es sich um eine Machbarkeitsstudie. Um sie anwendungsreif zu machen, bedarf es noch weiterer Entwicklung. Für die Studie benutzten die Wissenschaftler Schall im h?rbaren Bereich. Interessant w?re jedoch auch, die Methode für den kürzerwelligen Ultraschall-Bereich anzupassen. ?Da die Ausmasse der Polymer-Struktur auf die Wellenl?nge abgestimmt sein muss, müssen wir dazu die Struktur miniaturisieren. Wir wollen nun herausfinden, wie weit wir dabei gehen k?nnen?, sagt Molerón. Sein Ziel ist, die akustische Bildgebung zu verbessern – für m?gliche Anwendungsgebiete in der biologischen Forschung oder der Medizin.
Literaturhinweis
Molerón M, Daraio C: Acoustic metamaterial for subwavelength edge detection. Nature Communications, 25. August 2015, doi: externe Seite 10.1038/ncomms9037