Physikalisch-Technische Bundesanstalt

Im Fachbereich "Schall" der PTB besteht die Möglichkeit der Durchführung von Studien- und Diplomarbeiten für Studentinnen und Studenten der Bereiche angewandte Physik, Physiktechnik, Maschinenbau, Elektrotechnik und Medizintechnik.
Die unten aufgeführten Themen gliedern sich in die Arbeitsgebiete und Aufgaben des Fachbereichs ein und ermöglichen und erfordern eine selbständige Bearbeitung einer Teilaufgabe im aktuellen Forschungsgebiet.

Die Übertragungskoeffizienten von für Präzisions-Messzwecke verwendeten Mikrofonen hängen von den Umgebungsbedingungen, insbesondere vom statischen Druck und von der Temperatur, ab. Bei der Kalibrierung von Messmikrofonen werden deshalb die Übertragungskoeffizienten auf Bezugs-Umgebungsbedingungen umgerechnet angegeben. Für neuere Mikrofontypen sollen diese Umrechnungskoeffizienten experimentell bestimmt werden.

In kommerziell erhältlichen Audiometern werden oft Abtastraten für die digital erzeugten Testsignale verwendet, die den Frequenzbereich und das zeitliche Einschwingverhalten einschränken. Außerdem ist ggf. der Verstärker für den Hörer frequenzbandbegrenzt. In Hörversuchen soll untersucht werden, wie dies die Hörschwellen und den Lautheitsanstieg beeinflusst.

Moderne Kurzzeitsignale (Chirps) für die objektive Hörprüfung erzeugen eine größere objektive physiologische Reaktion (Gehirnpotentiale, OAE-Amplituden) als herkömmliche (Klicks), auch wenn erstere mit demselben Hörpegel dargeboten werden wie letztere. Es ist in Hörversuchen zu prüfen, inwiefern die größere Wirkung der Chirps auf einer größeren Lautheit bei gleichem Hörpegel beruht.

Arbeit 1: Prüfung für das Signalpaar "Bezugs-Impuls 100 µs" und "Chirp"

Arbeit 2: Prüfung für andere Signalpaare, die dafür gesondert mit paarweise identischem Amplitudenspektrum hergestellt werden sollen

Es ist in Hörversuchen zu prüfen, inwieweit Infraschall-Grundfrequenzen dadurch hörbar werden können, dass die Summe ihrer phasenstarr verknüpften harmonischen Obertöne oberhalb der Hörschwelle liegt, obwohl die einzelnen harmonischen Obertöne alle unterhalb der Hörschwelle liegen.

Die Hörschwellen verschiedener älterer (Klicks) und neu entwickelter (Chirps) audiometrischer Kurzzeitsignale sind im Wesentlichen gleich, sofern ihr Amplitudenspektrum identisch ist, und sich nur ihr Nullphasenwinkelspektrum unterscheidet. Dies wurde allerdings bislang nur an einigen ausgewählten Klicks (z. B. "Bezugs-Impuls 100 µs" und "Chirp") erprobt. Es sollen weitere Signale mit paarweise identischem Amplitudenspektrum hergestellt und in Hörversuchen auf die Eigenschaft der paarweisen Hörschwellengleichheit geprüft werden.

Der Arbeitsbereich befasst sich vor allem mit der Vermessung von Ultraschallfeldern, wie sie von medizinischen und technischen Ultraschallgeräten emittiert werden, vor dem Hintergrund der Sicherheit für Patienten und der Qualitätssicherung. Grundlegende metrologische Aufgaben in diesem Zusammenhang sind die Kalibrierung von Messsensoren, die Entwicklung von neuen Messverfahren und Sensoren und die Durchführung von Prüfmessungen im Kundenauftrag.

Zur Messung und Beschreibung der Reinigungswirkung von Ultraschallbädern werden in der Praxis verschiedene Verfahren eingesetzt. Die Bestimmung des Masseabtrages an Probekörpern zählt zu den aussagekräftigsten Verfahren - ist aber auch sehr aufwändig und schwer handhabbar. Mit Hilfe einer neuen Sensortechnik, die speziell beschichtete Quarzplättchen als Probekörper nutzt, können on-line direkte Werte bestimmt werden. Dafür muss ein neues Auswerteverfahren entwickelt werden, dass einen breiteren Wertebereich als bisher verarbeiten kann. Es beruht auf einer breitbandigen Frequenzabtastung, die kleinste Impedanzänderungen messen kann.

Die Bestimmung der akustischen Materialeigenschaften ist eine immer wieder­kehrende Messaufgabe, die insbesondere bei der Materialauswahl zur Herstellung von Schallabsorbern und gewebeähnlichen Phantomen notwendig wird. Die schnelle, zuverlässige und reproduzierbare Messung der akustischen Impedanz, der Schall­geschwindigkeit, des Reflexions- und Transmissionsfaktor sowie der frequenz­abhängigen Dämpfung an einem weitgehend automatisierten Messplatz unterstützt dabei laufende Forschungsaufgaben und die Bearbeitung von Kundenaufträgen. Im Rahmen des Themas soll ein computergestützter Messaufbau realisiert und erprobt werden, der die geforderten Parameter an Probekörpern (und -flüssigkeiten) innerhalb des diagnostisch relevanten Frequenzbereichs von 1 MHz bis 15 MHz bestimmt. Im Rahmen des Themas sollen weiterhin spezielle Materialien (Absorber, gewebeähnliche Materialien) realisiert werden, deren Eigenschaften dann mit dem neuen Messaufbau bestimmt werden.

Die von einem Ultraschallwandler im Zeitmittel insgesamt abgestrahlte akustische Leistung ist eine wesentliche und sicherheitsrelevante Kenngröße, deren Angabe im Fall medizinischer Ultraschallgeräte von diversen Normen gefordert wird. Die Messmethode der Wahl ist dabei die Schallstrahlungskraftmethode.  Der an der PTB dazu vorhandene Messplatz bedarf einer Erneuerung. Hard- und Software dafür sind bereits größtenteils vorhanden. Die Aufgaben umfassen daher vor allem die Anpassung der Delphi-Software an aktuelle Bedürfnisse und eine anschließende Validierung des neuen Messplatzes durch Vergleichsmessungen mit dem vorhandenen Messplatz.

Bei der Sekundärkalibrierung von Mikrofonen im Freifeld werden zur Anregung ebene Schallwellen vorausgesetzt. Die Eignung verschiedener Lautsprechersysteme insbesondere auch im Ultraschallfrequenzbereich bis 100 kHz soll untersucht werden. Hierzu sollen verschiedene Verfahren zur Abtastung des Schallfeldes untersucht und verglichen werden.

Bei der Speicherung von Audiosignalen auf digitale Tonträger werden heute Sampleraten von bis zu 192 kHz genutzt, die gegenüber der CD mit 44,1kHz den vierfachen Speicherbedarf erfordern.  Über die subjektiv empfundenen Unterschiede wurde schon viel diskutiert (Tonmeister-Diplomarbeit (Detmold) Acker, Gericke). In dieser Arbeit soll mit Hilfe moderner akustischer Messtechnik untersucht werden, ob die Übertragungskette vom Mikrofon zum Ohr tatsächlich in der Lage ist, diesen Frequenzbereich korrekt zu übertragen.

Mit welchen Verzerrungen muss bei Lautsprechern und Mikrofonen gerechnet werden? Kann überhaupt ein messbarer Vorteil der hohen Sampleraten nachgewiesen werden? Welche Vorteile können messtechnisch für die Übertragung von Musiksignalen im Frequenzbereich <20kHz nachgewiesen werden?

Bei akustischen Messungen und Tonaufnahmen im Außenbereich müssen zur Vermeidung von Störungen durch Windgeräusch Windschirme eingesetzt werden, deren Wirkung unter reproduzierbaren Bedingungen quantitativ erfasst werden sollen. Weiterhin sollte auch der Einfluss klimatisch bedingter Störungen (Regen, Schmutz, Alterung) untersucht werden. Ziel ist die Entwicklung eines normfähigen Messverfahrens.