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Air-Coupled-Ultraschallsensoren
Air-Coupled-Ultraschallsensoren: Revolutionieren Sie Ihre zerstörungsfreie Prüfung!
Stellen Sie sich vor, Sie könnten Materialien zerstörungsfrei prüfen, ohne direkten Kontakt und ohne Beschädigung. Air-Coupled-Ultraschallsensoren machen es möglich. Diese innovative Technologie bietet zahlreiche Vorteile für verschiedene Branchen. Möchten Sie mehr über die Einsatzmöglichkeiten und Vorteile erfahren? Nehmen Sie Kontakt mit uns auf, um Ihre spezifischen Anforderungen zu besprechen.
Das Thema kurz und kompakt
Air-Coupled-Ultraschallsensoren ermöglichen eine berührungslose und effiziente Materialprüfung, wodurch Kontaminationen vermieden und die Produktionsprozesse beschleunigt werden.
Die Herausforderungen der Impedanzanpassung und Signalabschwächung werden durch innovative Technologien wie Matching Layers, Piezokomposite und Frequenzoptimierung erfolgreich bewältigt, was die Erkennungsgenauigkeit um bis zu 10% steigern kann.
Fortschrittliche Techniken wie RACE und LEA sowie die Verwendung von CMUTs und Ferroelektret-Wandlern eröffnen neue Möglichkeiten für die zerstörungsfreie Materialprüfung und tragen zur Qualitätssicherung in verschiedenen Industriezweigen bei.
Erfahren Sie, wie Air-Coupled-Ultraschallsensoren Ihre Materialprüfung effizienter, kostengünstiger und präziser gestalten. Jetzt informieren!
Berührungslose Prüfung: Air-Coupled-Ultraschallsensoren steigern Effizienz
Was sind Air-Coupled-Ultraschallsensoren?
Air-Coupled-Ultraschallsensoren (ACUT), auch als Luftultraschallsensoren bekannt, stellen eine innovative Lösung in der zerstörungsfreien Materialprüfung (ZfP) dar. Diese Sensoren nutzen Luft als Koppelmedium, um Ultraschallwellen zu übertragen, wodurch eine berührungslose Prüfung von Materialien ermöglicht wird. Im Gegensatz zu traditionellen Ultraschallsensoren, die Flüssigkeiten oder Gele benötigen, bieten ACUT den Vorteil, dass sie ohne direkten Kontakt mit dem Prüfobjekt arbeiten. Dies ist besonders nützlich für empfindliche Materialien oder Anwendungen, bei denen eine Kontamination vermieden werden soll. Die Technologie der Gasultraschallsensoren ist hierbei ein wichtiger Bestandteil.
Vorteile der berührungslosen Prüfung
Die berührungslose Prüfung mit Air-Coupled-Ultraschallsensoren bietet eine Reihe von Vorteilen, die sie für verschiedene Anwendungen attraktiv machen. Einer der Hauptvorteile ist die Vermeidung von Kontamination, was besonders wichtig für empfindliche Materialien in der Halbleiter-, Pharma- oder Lebensmittelindustrie ist. Da kein Koppelmittel benötigt wird, entfallen auch die Kosten und der Aufwand für die Vor- und Nachbereitung der Messungen. Dies führt zu schnelleren Messungen und einer höheren Effizienz im Prüfprozess. Darüber hinaus ermöglicht die berührungslose Natur der ACUT eine einfache Integration in automatisierte Prüfprozesse, was zu einer weiteren Steigerung der Produktivität führt. Die berührungslose Ultraschallprüfung reduziert Kosten und vereinfacht die Integration in Produktionsprozesse.
Anwendungsbereiche
Air-Coupled-Ultraschallsensoren finden breite Anwendung in der zerstörungsfreien Materialprüfung (ZfP) verschiedenster Materialien. Sie werden häufig zur Prüfung von Verbundwerkstoffen wie GFK und CFK eingesetzt, um Delaminationen, Einschlüsse und andere Defekte zu erkennen. Auch bei der Prüfung von Kunststoffen, Holz, Keramik und Beton kommen ACUT zum Einsatz, da sie eine schnelle und zuverlässige Methode zur Erkennung von Materialfehlern bieten. Die Anwendungsbereiche erstrecken sich von der Luft- und Raumfahrt über die Automobilindustrie bis hin zur Bauindustrie. SONOTEC bietet beispielsweise Laboranlagen für die luftgekoppelte Ultraschallprüfung an, die eine freie Konfiguration der Sendercharakteristik ermöglichen.
Herausforderungen minimieren: Lösungen für Air-Coupled-Ultraschall
Impedanzanpassung
Eine der größten Herausforderungen bei Air-Coupled-Ultraschallsensoren ist die Impedanzanpassung zwischen dem Sensor und der Luft. Die Impedanz ist ein Maß für den Widerstand, den ein Material der Ausbreitung von Schallwellen entgegensetzt. Da Luft eine sehr viel geringere Impedanz als die meisten Sensormaterialien hat, kommt es zu einer erheblichen Fehlanpassung, die zu geringen Übertragungskoeffizienten und hoher Signalabschwächung führt. Dies bedeutet, dass nur ein geringer Teil der vom Sensor erzeugten Ultraschallenergie tatsächlich in das Prüfobjekt übertragen wird. Die hohe Impedanzfehlanpassung führt zu niedrigen Übertragungskoeffizienten.
Lösungsansätze:
Um die Herausforderungen der Impedanzanpassung zu bewältigen, gibt es verschiedene Lösungsansätze. Eine Möglichkeit ist die akustische Impedanzanpassung, bei der entweder die Impedanz des piezoelektrischen Materials reduziert oder spezielle Anpassungsschichten verwendet werden. Matching Layers sind Viertelwellenlängen-Schichten mit einer akustischen Impedanz, die dem geometrischen Mittel der Impedanzen von Piezo-Material und Luft entspricht. Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung von Piezokompositen, bei denen eine Polymermatrix zur Reduzierung der Gesamtimpedanz eingesetzt wird. Diese Materialien bestehen aus einer Kombination von piezoelektrischen Keramikfasern oder -partikeln, die in eine Polymermatrix eingebettet sind. Durch die Wahl des geeigneten Polymer- und Keramikanteils kann die effektive Impedanz des Komposits gezielt eingestellt werden, um eine bessere Anpassung an die Luft zu erreichen.
Signalabschwächung in Luft
Ein weiteres Problem bei Air-Coupled-Ultraschallsensoren ist die Signalabschwächung in Luft, die mit der Frequenz zunimmt. Dies bedeutet, dass hochfrequente Ultraschallwellen in Luft schneller an Intensität verlieren als niederfrequente Wellen. Dies begrenzt die praktischen Frequenzen auf unter 2 MHz, da bei höheren Frequenzen die Signalabschwächung zu groß wird, um noch aussagekräftige Messungen durchführen zu können. Die Signalabschwächung in Luft begrenzt die praktischen Frequenzen auf unter 2 MHz.
Lösungsansätze:
Um die Auswirkungen der Signalabschwächung zu minimieren, gibt es verschiedene Strategien. Eine Möglichkeit ist die Optimierung der Frequenz, bei der eine geeignete Frequenz gewählt wird, die einen Kompromiss zwischen Auflösung und Eindringtiefe bietet. Eine weitere Möglichkeit ist der Einsatz von Verstärkern zur Kompensation der Signalabschwächung. SONOAIR R&D bietet beispielsweise konfigurierbare Übertragungseigenschaften bis zu 800V und einen Verstärkungsbereich von 120 dB. Durch die Verwendung von Verstärkern kann die Signalstärke erhöht werden, um die Verluste durch die Abschwächung in Luft auszugleichen. Dies ermöglicht es, auch bei größeren Entfernungen zwischen Sensor und Prüfobjekt noch aussagekräftige Messungen durchzuführen.
Technologietrends: Designinnovationen bei Air-Coupled-Ultraschallsensoren
Kapazitive Ultraschallsensoren (CMUTs)
Kapazitive Ultraschallsensoren (CMUTs) stellen eine vielversprechende Alternative zu piezoelektrischen Sensoren dar. CMUTs bestehen aus einer Vielzahl von kleinen, membranartigen Strukturen, die auf einem Substrat angeordnet sind. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die Membranen werden diese in Schwingung versetzt und erzeugen Ultraschallwellen. CMUTs bieten eine gute Impedanzanpassung und hohe Bandbreite, was sie für Anwendungen prädestiniert, bei denen eine hohe Auflösung und eine breite Frequenzabdeckung erforderlich sind. Allerdings erfordern CMUTs eine sorgfältige Kontrolle der Membrandicke und der Oberfläche der Rückplatte, um eine optimale Leistung zu gewährleisten. Die Herstellung von CMUTs ist komplex und erfordert spezielle Fertigungstechniken, um die gewünschten Eigenschaften zu erzielen.
Thermoakustische Sender
Thermoakustische Sender nutzen das Prinzip des thermoakustischen Effekts, bei dem Schallwellen durch die Erzeugung von Wärme erzeugt werden. Diese Sender bieten breitbandige Frequenzspektren und eliminieren Nachschwingen, was zu einer verbesserten Signalqualität führt. Allerdings sind thermoakustische Sender nur für die Übertragung geeignet und benötigen einen separaten Empfänger. Dies schränkt ihre Anwendbarkeit in einigen Anwendungen ein, bei denen eine gleichzeitige Übertragung und Empfang von Ultraschallwellen erforderlich ist. Trotz dieser Einschränkung stellen thermoakustische Sender eine interessante Alternative für Anwendungen dar, bei denen eine hohe Signalqualität und eine breite Frequenzabdeckung von Bedeutung sind.
Ferroelektret-Wandler
Ferroelektret-Wandler sind eine weitere Art von Ultraschallsensoren, die auf dem Prinzip der Ferroelektrizität basieren. Diese Wandler, die mit hochspannungs-unipolaren Rechteckimpulsen angeregt werden, bieten ein höheres Signal-Rausch-Verhältnis im Vergleich zu einigen kommerziellen Wandlern. Ferroelektret-Wandler bestehen aus einem ferroelektrischen Material, das zwischen zwei Elektroden angeordnet ist. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektroden wird das ferroelektrische Material polarisiert und erzeugt Ultraschallwellen. Ferroelektret-Wandler können als Phased Arrays konfiguriert werden, was ihre Anwendbarkeit in verschiedenen Anwendungen erweitert. Die Ferroelektret-Wandler bieten ein höheres Signal-Rausch-Verhältnis.
Qualität sichern: Air-Coupled-Ultraschall in der Materialprüfung
Prüfung von Verbundwerkstoffen
Air-Coupled-Ultraschall eignet sich hervorragend zur Prüfung von Verbundwerkstoffen (GFK, CFK), die in vielen Branchen wie der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und dem Bauwesen eingesetzt werden. Diese Sensoren können Delaminationen, Einschlüsse, "Kissing Bonds" und Aufprallschäden erkennen, die die strukturelle Integrität der Verbundwerkstoffe beeinträchtigen können. Delaminationen sind Ablösungen zwischen den einzelnen Schichten des Verbundwerkstoffs, während Einschlüsse Fremdkörper im Material sind. "Kissing Bonds" sind schwache Verbindungen zwischen den Schichten, die durch unzureichenden Klebstoff oder mangelnden Druck während der Herstellung entstehen können. Aufprallschäden können durch Stöße oder Schläge entstehen und zu Rissen oder Brüchen im Material führen. Die zerstörungsfreie Prüfung von Composites (GFK, CFK) ist mit Luftultraschall möglich.
Erkennung von Defekten
Mit einer Wellenlänge von 0,85 mm können Defekte ab ca. 1 mm erkannt werden. Dies ermöglicht eine frühzeitige Erkennung von Materialfehlern, bevor sie zu größeren Problemen führen können. Die Fähigkeit, kleine Defekte zu erkennen, ist besonders wichtig in sicherheitskritischen Anwendungen, bei denen Materialfehler schwerwiegende Folgen haben können. Die Detektion von Defekten in Multi-Layer Composites (Delaminationen, Inklusionen) ist mit einer Wellenlänge von 0,85 mm möglich. Die Defekterkennung ist mit einem kleinen Scanning Grid bei 400 kHz möglich.
Industrielle Anwendungen
Air-Coupled-Ultraschall wird erfolgreich in der Luft- und Raumfahrt zur Inspektion von Komponenten wie Hubschrauber-Heckauslegern eingesetzt. Diese Komponenten sind hohen Belastungen ausgesetzt und müssen regelmäßig auf Materialfehler überprüft werden. ACUT bietet eine schnelle und zuverlässige Methode zur Erkennung von Rissen, Delaminationen und anderen Defekten, die die strukturelle Integrität der Komponenten beeinträchtigen können. Auch in anderen Branchen wie der Automobilindustrie und dem Bauwesen findet ACUT Anwendung zur Prüfung von Materialien und Bauteilen. Die ACU-Systeme werden erfolgreich in der Aerospace-Industrie eingesetzt.
Innovative Verfahren: Fortschrittliche Techniken mit Air-Coupled-Ultraschall
Resonant Air Coupled Emission (RACE)
Resonant Air Coupled Emission (RACE) ist eine Full-Field-Imaging-Technik, die akustische Kameras verwendet, um Schallwellen zu visualisieren. Diese Technik ermöglicht eine schnelle und umfassende Inspektion von Materialien und Bauteilen, da sie ein Bild der Schallwellenverteilung liefert. RACE wird häufig zur Erkennung von Defekten in Verbundwerkstoffen, zur Lokalisierung von Schallquellen und zur Analyse von Schwingungsmustern eingesetzt. Die Full-Field-Imaging-Technik RACE verwendet akustische Kameras.
Laser-Excited Acoustics (LEA)
Laser-Excited Acoustics (LEA) nutzt einen Laser zur Anregung und ein optisches Mikrofon zur Detektion von Ultraschallwellen. Diese Technik bietet den Vorteil, dass sie berührungslos ist und eine hohe Empfindlichkeit aufweist. LEA wird häufig zur Inspektion von Materialien mit komplexen Geometrien eingesetzt, da der Laserstrahl auch schwer zugängliche Bereiche erreichen kann. Durch die Verwendung eines Lasers zur Anregung und eines optischen Mikrofons zur Detektion wird das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert und die Inspektion komplexer Geometrien ermöglicht. Die Laser-Excited Acoustics (LEA) verbessert das Signal-Rausch-Verhältnis.
Optische Mikrofone
Das Eta450 Ultra Array von XARION verwendet acht optische Mikrofone in einem einzigen Sensorkopf für schnelle, berührungslose Ultraschallprüfung. Optische Mikrofone wandeln Schallwellen in Lichtsignale um, die dann von einem Sensor erfasst werden. Diese Mikrofone bieten eine hohe Empfindlichkeit und eine breite Bandbreite, was sie für anspruchsvolle Anwendungen in der Ultraschallprüfung prädestiniert. Das Eta450 Ultra Array ist besonders für die Prüfung von Materialien mit komplexen Geometrien geeignet, da die optischen Mikrofone auch schwer zugängliche Bereiche erreichen können. Das Eta450 Ultra Array ist für schnelle, berührungslose Ultraschallprüfung ausgelegt.
Präzision durch Messung: Charakterisierung von Air-Coupled-Ultraschallsensoren
Elektrische Impedanzmessungen
Elektrische Impedanzmessungen sind entscheidend für die Optimierung des Sensordesigns und der Leistung von Air-Coupled-Ultraschallsensoren. Die elektrische Impedanz ist ein Maß für den Widerstand, den ein elektrischer Stromkreis der Ausbreitung von Wechselstrom entgegensetzt. Durch die Messung der elektrischen Impedanz eines Ultraschallsensors können wichtige Informationen über seine Resonanzfrequenz, Bandbreite und Dämpfung gewonnen werden. Diese Informationen sind unerlässlich, um das Sensordesign zu optimieren und die bestmögliche Leistung zu erzielen. Die elektrische Impedanzmessung ist entscheidend für die Optimierung des Sensordesigns.
Laser-Doppler-Vibrometrie
Die Analyse der Oberflächengeschwindigkeit mittels Laser-Doppler-Vibrometrie ermöglicht detaillierte Einblicke in das Schwingungsverhalten von Air-Coupled-Ultraschallsensoren. Die Laser-Doppler-Vibrometrie ist eine berührungslose Messtechnik, die verwendet wird, um die Schwingungen einer Oberfläche zu messen. Durch die Analyse der Oberflächengeschwindigkeit eines Ultraschallsensors können wichtige Informationen über seine Schwingungsmoden, Resonanzfrequenzen und Dämpfungseigenschaften gewonnen werden. Diese Informationen sind unerlässlich, um das Sensordesign zu optimieren und die bestmögliche Leistung zu erzielen. Die Laser-Doppler-Vibrometrie ermöglicht detaillierte Einblicke in das Schwingungsverhalten.
Schalldruckpegelmessungen
Schalldruckpegelmessungen sind wichtig, um die akustische Leistung des Sensors zu bewerten. Der Schalldruckpegel ist ein Maß für die Intensität von Schallwellen. Durch die Messung des Schalldruckpegels eines Ultraschallsensors kann die akustische Leistung des Sensors bewertet und mit den Anforderungen der jeweiligen Anwendung verglichen werden. Schalldruckpegelmessungen werden häufig verwendet, um die Qualität von Ultraschallsensoren zu überprüfen und sicherzustellen, dass sie die erforderliche Leistung erbringen. Die Schalldruckpegelmessungen sind wichtig, um die akustische Leistung des Sensors zu bewerten.
Zukunftsperspektiven: Innovationen für Air-Coupled-Ultraschallsensoren
Verbesserung der lateralen Auflösung
Die laterale Auflösung kann durch fortschrittliche Direction-of-Arrival-Schätzer wie Compressed Sensing verbessert werden. Die laterale Auflösung bezieht sich auf die Fähigkeit eines Ultraschallsensors, zwei nahe beieinander liegende Objekte zu unterscheiden. Eine höhere laterale Auflösung ermöglicht es, kleinere Details in einem Material oder Bauteil zu erkennen. Compressed Sensing ist eine mathematische Technik, die verwendet wird, um Signale aus einer begrenzten Anzahl von Messungen zu rekonstruieren. Durch die Anwendung von Compressed Sensing auf die von einem Ultraschallsensor erfassten Daten kann die laterale Auflösung verbessert werden. Die laterale Auflösung kann durch Compressed Sensing verbessert werden.
Erhöhung der Bildrate
Die Bildrate kann durch die Verwendung eines einzelnen Sensors für die sphärische Wellenübertragung verbessert werden. Die Bildrate bezieht sich auf die Anzahl der Bilder, die ein Ultraschallsensor pro Sekunde erzeugen kann. Eine höhere Bildrate ermöglicht eine schnellere Inspektion von Materialien und Bauteilen. Durch die Verwendung eines einzelnen Sensors für die sphärische Wellenübertragung kann die Zeit, die für die Erzeugung eines Bildes benötigt wird, reduziert und die Bildrate erhöht werden. Die Bildrate kann durch die Verwendung eines einzelnen Sensors verbessert werden.
Minimierung des Blindbereichs
Der Blindbereich, der durch die Impulsübertragung und die Sensorschwingung verursacht wird, muss minimiert werden. Der Blindbereich bezieht sich auf den Bereich in der Nähe des Ultraschallsensors, in dem keine Messungen durchgeführt werden können. Dies liegt daran, dass die Impulsübertragung und die Sensorschwingung die Messungen stören. Durch die Minimierung des Blindbereichs kann die Genauigkeit und Vollständigkeit der Ultraschallprüfung verbessert werden. Die Minimierung des Blindbereichs ist wichtig für die Genauigkeit der Messungen.
Fazit: Air-Coupled-Ultraschall – Effizienz und Innovation für die ZfP
Zusammenfassung der Vorteile und Herausforderungen
Air-Coupled-Ultraschallsensoren bieten erhebliche Vorteile in der zerstörungsfreien Materialprüfung, da sie eine berührungslose Prüfung ermöglichen und somit Kontaminationen vermeiden. Sie eignen sich besonders gut für empfindliche Materialien und automatisierte Prüfprozesse. Allerdings stehen sie auch vor Herausforderungen wie Impedanzfehlanpassung und Signalabschwächung, die durch spezielle Design- und Technologieansätze bewältigt werden müssen. Trotz dieser Herausforderungen ermöglichen fortschrittliche Technologien und Charakterisierungsmethoden, die Leistungsfähigkeit der Sensoren kontinuierlich zu verbessern. Die Charakterisierungsmethoden tragen dazu bei, die Leistungsfähigkeit der Sensoren zu verbessern.
Ausblick auf zukünftige Entwicklungen
Zukünftige Entwicklungen werden sich auf die Verbesserung der Auflösung, die Erhöhung der Bildrate und die Minimierung des Blindbereichs konzentrieren. Die Integration von LEA und RACE sowie die Verwendung optischer Mikrofone eröffnen neue Möglichkeiten für die berührungslose Ultraschallprüfung. Diese Fortschritte werden dazu beitragen, die Anwendungsbereiche von Air-Coupled-Ultraschallsensoren weiter auszubauen und ihre Leistungsfähigkeit in verschiedenen Industriezweigen zu verbessern. Die Integration von LEA und RACE eröffnet neue Möglichkeiten für die berührungslose Ultraschallprüfung.
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Vorteile sichern: Schlüsselvorteile von Air-Coupled-Ultraschallsensoren
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FAQ
Was sind die Hauptvorteile von Air-Coupled-Ultraschallsensoren gegenüber herkömmlichen Ultraschallsensoren?
Air-Coupled-Ultraschallsensoren (ACUT) ermöglichen eine berührungslose Prüfung, wodurch Kontaminationen vermieden werden. Dies ist besonders wichtig für empfindliche Materialien in der Halbleiter-, Pharma- oder Lebensmittelindustrie. Zudem entfallen Kosten und Aufwand für Koppelmittel.
Für welche Materialien eignen sich Air-Coupled-Ultraschallsensoren besonders gut?
ACUT eignen sich hervorragend für die Prüfung von Verbundwerkstoffen (GFK, CFK), Kunststoffen, Holz, Keramik und Beton. Sie können Delaminationen, Einschlüsse und andere Defekte zuverlässig erkennen.
Welche Herausforderungen gibt es bei der Verwendung von Air-Coupled-Ultraschallsensoren und wie werden diese bewältigt?
Eine der größten Herausforderungen ist die Impedanzanpassung zwischen Sensor und Luft. Lösungsansätze umfassen die Verwendung von Matching Layers und Piezokompositen. Auch die Signalabschwächung in Luft stellt eine Herausforderung dar, die durch Frequenzoptimierung und Verstärker minimiert wird.
Welche Rolle spielen kapazitive Ultraschallsensoren (CMUTs) im Bereich der Air-Coupled-Ultraschalltechnologie?
Kapazitive Ultraschallsensoren (CMUTs) bieten eine gute Impedanzanpassung und hohe Bandbreite, was sie für Anwendungen prädestiniert, bei denen eine hohe Auflösung und eine breite Frequenzabdeckung erforderlich sind. Sie stellen eine vielversprechende Alternative zu piezoelektrischen Sensoren dar.
Wie können Ferroelektret-Wandler die Leistung von Air-Coupled-Ultraschallsensoren verbessern?
Ferroelektret-Wandler, die mit hochspannungs-unipolaren Rechteckimpulsen angeregt werden, bieten ein höheres Signal-Rausch-Verhältnis im Vergleich zu einigen kommerziellen Wandlern. Sie können als Phased Arrays konfiguriert werden, was ihre Anwendbarkeit erweitert.
Welche innovativen Verfahren werden in Verbindung mit Air-Coupled-Ultraschall eingesetzt?
Zu den innovativen Verfahren gehören Resonant Air Coupled Emission (RACE) mit akustischen Kameras und Laser-Excited Acoustics (LEA), die einen Laser zur Anregung und ein optisches Mikrofon zur Detektion nutzen. Diese Techniken ermöglichen eine schnellere und umfassendere Inspektion.
Wie werden Air-Coupled-Ultraschallsensoren charakterisiert und optimiert?
Die Charakterisierung erfolgt durch elektrische Impedanzmessungen, Analyse der Oberflächengeschwindigkeit mittels Laser-Doppler-Vibrometrie und Schalldruckpegelmessungen. Diese Messungen sind entscheidend für die Optimierung des Sensordesigns und der Leistung.
Welche zukünftigen Entwicklungen sind im Bereich der Air-Coupled-Ultraschallsensoren zu erwarten?
Zukünftige Entwicklungen werden sich auf die Verbesserung der lateralen Auflösung (z.B. durch Compressed Sensing), die Erhöhung der Bildrate und die Minimierung des Blindbereichs konzentrieren.
