TWO CANTED MEMS ACOUSTIC SENSORS FOR FINDING DIRECTION IN UNDERWATER

Micro electromechanical system (MEMS)-based acoustic sensors can be operated in the pressure gradient mode to obtained direction of underwater sound. A single MEMS sensor is unable to resolve left and right ambiguity due to cosine directional response. However, recent measurements carried out in air using two such sensors mounted at a canted angle allowed the determination of baring of sound unambiguously. In this thesis, the work carried out in air will be extended for applications in underwater by using two canted MEMS sensors packaged operate in an underwater environment. The canted system will be characterized in an anechoic chamber with and without underwater packaging and then using the NPS water tanks. The measurements include frequency and directional responses to determine their ability of operating in an underwater environment to accurately obtaining the bearing of sound.Lieutenant, Republic of Korea NavyApproved for public release; distribution is unlimited

MEMS UNDERWATER DIRECTION FINDING ACOUSTIC SENSOR

Acoustic sensors operating in underwater environments were designed and fabricated based on the ear structure of the parasitic fly, Ormia ochracea. The design was executed using COMSOL Multiphysics, including mass loading and viscous damping. The optimized sensors were fabricated using MEMSCAP commercial foundry service. The testing was performed using NPS water tanks and TRANSDEC’s San Diego underwater testing facility. For underwater characterization, a custom housing was made to immerse the sensors in a non-conducting fluid with acoustic impedance close to water. Measurements showed that the sensors could detect underwater sound with a narrow-band spectral response. Directional response of the sensors showed the expected cosine dependence, indicating their ability to detect the bearing of underwater sound sources. The sensor enclosure affected the measurements due to its non-uniform response to the incident sound. A reference hydrophone was similarly enclosed and COMSOL simulations performed to reduce and understand this effect. The results show that the enclosure produces unwanted resonance frequencies. For uniquely determining sound-source bearing, it is necessary to use two sensors at a canted angle. The circuit boards affected directional responses. COMSOL simulations were performed with actual-sized circuit boards. Several approaches to determine the optimal angle based on these observations are presented in this thesis.Lieutenant Commander, Argentina NavyApproved for public release; distribution is unlimited

Intracochlear pressure in cadaver heads under bone conduction and intracranial fluid stimulation

Background The frequency dependent contributions of the various bone conduction pathways are poorly understood, especially the fluid pathway. The aim of this work is to measure and investigate sound pressure propagation from the intracranial space to the cochlear fluid. Methods Stimulation was provided sequentially to the bone (BC) or directly to the intracranial contents (hydrodynamic conduction, or HC) in four cadaver heads, where each ear was tested individually, for a total of 8 samples. Intracranial pressure was generated and monitored via commercial hydrophones, while the intracochlear sound pressure (ICSP) levels were monitored via custom-made intracochlear acoustic receivers (ICAR). In parallel, measurements of the 3D motion of the cochlear promontory and stapes were made via 3D Laser Doppler Vibrometer (3D LDV). Results Reliability of the intracochlear sound pressure measurements depends on the immobilization of the ICAR relative to the otic capsule. Regardless of the significant differences in absolute stapes and promontory motion, the ratios between the otic capsule velocity, the stapes volume velocity (relative to the cochlea), and the intracochlear pressure were very similar under BC and HC stimulus. Under HC, the cochlear fluid appears be activated by an osseous pathway, rather than a direct non-osseous pathway from the cerebrospinal fluid (CSF), however, the osseous pathway itself is activated by the CSF pressure. Conclusions Data suggests that the skull bone surrounding the brain and CSF could play a role in the interaction between the two CSF and the cochlea, under both stimulation conditions, at high frequencies, while inertia is dominant factor at low frequencies. Further work should be focused on the investigation of the solid-fluid interaction between the skull bone walls and the intracranial content

MINIATURE LOW-COHERENCE FIBER OPTIC ACOUSTIC SENSOR WITH THIN-FILM UV POLYMER DIAPHRAGM

A miniature low-coherence fiber optic acoustic sensor with a thin-film UV polymer diaphragm is developed and studied in this thesis to address the fundamental challenge of miniaturizing acoustic sensors. When miniaturizing an acoustic sensor, there is a critical size limitation at which the transduction mechanism deformation becomes too small for detection. However, a solution to this problem is to utilize a high resolution, low coherence fiber optic interferometric detection system coupled with a soft, thin-film transduction mechanism. A novel fabrication technique was developed to enable the use of elastomers, which inherently exhibit desirably low Young's modulus properties. In addition, the fabrication process enables fabrication of diaphragms at thicknesses on the order of nanometers. The fabrication process also renders highly tunable sensor performance and superior sensing quality at a low cost. The sensor developed exhibits a flat frequency response between 50 Hz and 4 kHz with a useable bandwidth up to 20 kHz, a dynamic range of 117.55 dB SPL, a signal to noise ratio (SNR) of 58 dB, and a sensitivity up to 1200 mV/Pa. In this thesis, it is further demonstrated that by using an array these sensors fabricated from the same batch facilitates accurate directional sound localization by utilizing the interaural phase difference (IPD) exhibited by sensor pairs. Future work is suggested to optimize the sensor performance for a specific application, to carry out studies of more complex array configurations, and to develop algorithms that can help increase the sound localization accuracy

Cooperative Localization in Mobile Underwater Acoustic Sensor Networks

Die großflächige Erkundung und Überwachung von Tiefseegebieten gewinnt mehr und mehr an Bedeutung für Industrie und Wissenschaft. Diese schwer zugänglichen Areale in der Tiefsee können nur mittels Teams unbemannter Tauchbote effizient erkundet werden. Aufgrund der hohen Kosten, war bisher ein Einsatz von mehreren autonomen Unterwasserfahrzeugen (AUV) wirtschaftlich undenkbar, wodurch AUV-Teams nur in Simulationen erforscht werden konnten. In den letzten Jahren konnte jedoch eine Entwicklung hin zu günstigeren und robusteren AUVs beobachtet werden. Somit wird der Einsatz von AUV-Teams in Zukunft zu einer realen Option. Die wachsende Nachfrage nach Technologien zur Unterwasseraufklärung und Überwachung konnte diese Entwicklung noch zusätzlich beschleunigen. Eine der größten technischen Hürden für tief tauchende AUVs ist die Unterwasserlokalisierug. Satelitengestützte Navigation ist in der Tiefe nicht möglich, da Radiowellen bereits nach wenigen Metern im Wasser stark an Intensität verlieren. Daher müssen neue Ansätze für die Unterwasserlokalisierung entwickelt werden die sich auch für Fahrzeugenverbände skalieren lassen. Der Einsatz von AUV-Teams ermöglicht nicht nur völlig neue Möglichkeiten der Kooperation, sondern erlaubt auch jedem einzelnen AUV von den Navigationsdaten der anderen Fahrzeuge im Verband zu profitieren, um die eigene Lokalisierung zu verbessern. In dieser Arbeit wird ein kooperativer Lokalisierungsansatz vorgestellt, welcher auf dem Nachrichtenaustausch durch akustische Ultra-Short Base-Line (USBL) Modems basiert. Ein akustisches Modem ermöglicht die Übertragung von Datenpaketen im Wasser, wärend ein USBL-Sensor die Richtung einer akustischen Quelle bestimmen kann. Durch die Kombination von Modem und Sensor entsteht ein wichtiges Messinstrument für die Unterwasserlokalisierung. Wenn ein Fahrzeug ein Datenpaket mit seiner eignen Position aussendet, können andere Fahrzeuge mit einem USBL-Modem diese Nachricht empfangen. In Verbindung mit der Richtungsmessung zur Quelle, können diese Daten von einem Empfangenden AUV verwendet werden, um seine eigene Positionsschatzung zu verbessern. Diese Arbeit schlägt einen Ansatz zur Fusionierung der empfangenen Nachricht mit der Richtungsmessung vor, welcher auch die jeweiligen Messungenauigkeiten berücksichtigt. Um die Messungenauigkeit des komplexen USBL-Sensors bestimmen zu können, wurde zudem ein detailliertes Sensormodell entwickelt. Zunächst wurden existierende Ansätze zur kooperativen Lokalisierung (CL) untersucht, um daraus eine Liste von erwünschten Eigenschaften für eine CL abzuleiten. Darauf aufbauend wurde der Deep-Sea Network Lokalisation (DNL) Ansatz entwickelt. Bei DNL handelt es sich um eine CL Methode, bei der die Skalierbarkeit sowie die praktische Anwendbarkeit im Fokus stehen. DNL ist als eine Zwischenschicht konzipiert, welche USBL-Modem und Navigationssystem miteinander verbindet. Es werden dabei Messwerte und Kommunikationsdaten des USBL zu einer Standortbestimmung inklusive Richtungsschätzung fusioniert und an das Navigationssystem weiter geleitet, ähnlich einem GPS-Sensor. Die Funktionalität von USBL-Modell und DNL konnten evaluiert werden anhand von Messdaten aus Seeerprobungen in der Ostsee sowie im Mittelatlantik. Die Qualität einer CL hangt häufig von vielen unterschiedlichen Faktoren ab. Die Netzwerktopologie muss genauso berücksichtig werden wie die Lokalisierungsfähigkeiten jedes einzelnen Teilnehmers. Auch das Kommunikationsverhalten der einzelnen Teilnehmer bestimmt, welche Informationen im Netzwerk vorhanden sind und hat somit einen starken Einfluss auf die CL. Um diese Einflussfaktoren zu untersuchen, wurden eine Reihe von Szenarien simuliert, in denen Kommunikationsverhalten und Netzwerktopologie für eine Gruppe von AUVs variiert wurden. In diesen Experimenten wurden die AUVs durch ein Oberflächenfahrzeug unterstützt, welches seine geo-referenzierte Position über DNL an die getauchten Fahrzeuge weiter leitete. Anhand der untersuchten Topologie können die Experimente eingeteilt werden in Single-Hop und Multi-Hop. Single-Hop bedeutet, dass jedes AUV sich in der Sendereichweite des Oberflächenfahrzeugs befindet und dessen Positionsdaten auf direktem Wege erhält. Wie die Ergebnisse der Single-Hop Experimente zeigen, kann der Lokalisierungsfehler der AUVs eingegrenzt werden, wenn man DNL verwendet. Dabei korreliert der Lokalisierungsfehler mit der kombinierten Ungenauigkeit von USBL-Messung und Oberflächenfahrzeugposition. Bei den Multi-Hop Experimenten wurde die Topologie so geändert, dass sich nur eines der AUVs in direkter Sendereichweite des Oberflächenfahrzeugs befindet. Dieses AUV verbessert seine Position mit den empfangen Daten des Oberflächenfahrzeugs und sendet wiederum seine verbesserte Position an die anderen AUVs. Auch hier konnte gezeigt werden, dass sich der Lokalisierungfehler der Gruppe mit DNL einschränken lässt. Ändert man nun das Schema der Kommunikation so, dass alle AUVs zyklisch ihre Position senden, zeigte sich eine Verschlechterung der Lokalisierungsqualität der Gruppe. Dieses unerwartet Ergebnis konnte auf einen Teil des DNL-Algorithmus zurück geführt werden. Da die verwendete USBL-Klasse nur die Richtung eines Signals misst, nicht jedoch die Entfernung zum Sender, wird in der DNL-Schicht eine Entfernungsschatzung vorgenommen. Wenn die Kommunikation nicht streng unidirektional ist, entsteht eine Ruckkopplungsschleife, was zu fehlerhaften Entfernungsschatzungen führt. Im letzten Experiment wird gezeigt wie sich dieses Problem vermeiden lasst, mithilfe einer relativ neue USBL-Klasse, die sowohl Richtung als auch Entfernung zum Sender misst. Die zwei wesentlichen Beiträge dieser Arbeit sind das USBL-Model zum einen und zum Anderen, der neue kooperative Lokalisierungsansatz DNL. Mithilfe des Sensormodels lassen sich nicht nur Messabweichungen einer USBL-Messung bestimmen, es kann auch dazu genutzt werden, einige Fehlereinflüsse zu korrigieren. Mit DNL wurde eine skalierbare CL-Methode entwickelt, die sich gut für den den Einsatz bei mobilen Unterwassersensornetzwerken eignet. Durch das Konzept als Zwischenschicht, lasst sich DNL einfach in bestehende Navigationslösungen integrieren, um die Langzeitstabilität der Navigation für große Verbände von tiefgetauchten Fahrzeugen zu gewährleisten. Sowohl USBL-Model als auch DNL sind dabei so ressourcenschonend, dass sie auf dem Computer eines Standard USBL laufen können, ohne die ursprüngliche Funktionalität einzuschränken, was den praktischen Einsatz zusätzlich vereinfacht

Sound propagation in viscous flows using piezoelectric sensors and non-destructive propagation techniques and its applications

Structural non-destructive evaluation techniques are applied to viscous flows to detect fluid property changes. The main operating principle consists of an actuator which provides a stimulus, and a sensor to receive a signal traveling to a fluid domain. The main challenge of the operating principle consists of investigating waves traveling in a viscous flow. Traveling waves utilizing a piezoelectric actuator-sensor pair are modeled and the results are validated experimentally. ANSYS models, coupled with a two-way fluid-solid interaction model, are built to investigate how far a signal travels and what frequency ranges are of interest. The numerical model includes modeling three different geometries (square, circular, triangular) for the actuator-sensor pair manufactured with three different piezoelectric materials (PZT4, PZT5A, PMN32). Numerical work is validated with experimental work using a pair of circular actuator-sensors manufactured with PZT5A and immersed in a large container of water and glycerin. Furthermore, in order to establish mesh independence of the results, three mesh refinement levels (coarse, medium and fine) were utilized with different materials, geometries and fluid viscosity values. The actuator receives a 0.5 VAC signal ranging from 100 Hz to 40 MHz. The sensor records the signal at varying distances from the actuator, and the result is labeled as the gain or the ratio of received to send wave magnitude. The pattern of decay for both numerical and experimental results are in close agreement (the numerical decay are 10.825 and 11.4 for water and glycerin, respectively, while the experimental are 11.254 and 14.48 for water and glycerin, respectively). Numerically, the results show that the maximum acoustic pressure can be obtained by using a square piezoelectric actuator- sensor pair fabricated with PMN32. Numerically, the results show that the maximum acoustic pressure can be obtained by using a square piezoelectric actuator- sensor pair fabricated with PMN32. A viscosity probe for medical applications is developed using a piezoelectric actuator-sensor pair. The design constraints were size and cost. The actuator-sensor pair is manufactured with PZT5A with a rectangular shape to fit a 3 mL vacutainer. The actuator is excited by 0.5 VAC sinusoidal waves with varying frequencies ranging from 100Hz to 40 MHz. The sensor will detect the produced wave in the fluid. Also, the phase shift is recorded for different concentrations of glycerin and water to simulate different viscosities ranging from 1 to 1600 cP. The numerical analysis, a modal analysis, of the probe was performed and the results showed that the first, second and third modes of the device were in the range of 684–2358 Hz for air, 500–1080 Hz for water, and 469–625 Hz for glycerin. From the harmonic acoustic analysis, the results showed that the highest phase shifts, and maximum gain, occurs at the ultrasonic frequency range, 6 to 9 MHz. Hence, there is no relation between the natural frequencies of the probe and the ultrasonic frequency for the phase shift. Most importantly, a correlation between the phase shift and viscosity is found, making the probe a feasible device for measuring viscosity in an inexpensive, small, and disposable way

Acoustic Simulation and Characterization of Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers (CMUT)

Ultrasonic transducers are used in many fields of daily life, e.g. as parking aids or medical devices. To enable their usage also for mass applications small and low- cost transducers with high performance are required. Capacitive, micro-machined ultrasonic transducers (CMUT) offer the potential, for instance, to integrate compact ultrasonic sensor systems into mobile phones or as disposable transducer for diverse medical applications. This work is aimed at providing fundamentals for the future commercialization of CMUTs. It introduces novel methods for the acoustic simulation and characterization of CMUTs, which are still critical steps in the product development process. They allow an easy CMUT cell design for given application requirements. Based on a novel electromechanical model for CMUT elements, the device properties can be determined by impedance measurement already. Finally, an end-of-line test based on the electrical impedance of CMUTs demonstrates their potential for efficient mass production

Deep-Sea Model-Aided Navigation Accuracy for Autonomous Underwater Vehicles Using Online Calibrated Dynamic Models

In this work, the accuracy of inertial-based navigation systems for autonomous underwater vehicles (AUVs) in typical mapping and exploration missions up to 5000m depth is examined. The benefit of using an additional AUV motion model in the navigation is surveyed. Underwater navigation requires acoustic positioning sensors. In this work, so-called Ultra-Short-Baseline (USBL) devices were used allowing the AUV to localize itself relative to an opposite device attached to a (surface) vehicle. Despite their easy use, the devices\u27 absolute positioning accuracy decreases proportional to range. This makes underwater navigation a sophisticated estimation task requiring integration of multiple sensors for inertial, orientation, velocity and position measurements. First, error models for the necessary sensors are derived. The emphasis is on the USBL devices due to their key role in navigation - besides a velocity sensor based on the Doppler effect. The USBL model is based on theoretical considerations and conclusions from experimental data. The error models and the navigation algorithms are evaluated on real-world data collected during field experiments in shallow sea. The results of this evaluation are used to parametrize an AUV motion model. Usually, such a model is used only for model-based motion control and planning. In this work, however, besides serving as a simulation reference model, it is used as a tool to improve navigation accuracy by providing virtual measurements to the navigation algorithm (model-aided navigation). The benefit of model-aided navigation is evaluated through Monte Carlo simulation in a deep-sea exploration mission. The final and main contributions of this work are twofold. First, the basic expected navigation accuracy for a typical deep-sea mission with USBL and an ensemble of high-quality navigation sensors is evaluated. Secondly, the same setting is examined using model-aided navigation. The model-aiding is activated after the AUV gets close to sea-bottom. This reflects the case where the motion model is identified online which is only feasible if the velocity sensor is close to the ground (e.g. 100m or closer). The results indicate that, ideally, deep-sea navigation via USBL can be achieved with an accuracy in range of 3-15m w.r.t. the expected root-mean-square error. This also depends on the reference vehicle\u27s position at the surface. In case the actual estimation certainty is already below a certain threshold (ca. <4m), the simulations reveal that the model-aided scheme can improve the navigation accuracy w.r.t. position by 3-12%