Die Herstellung von piezoelektrischen Ultraschallarrays,
die direkt räumlich zweidimensionale Bilder liefern können, ist
trotz enormer Fortschritte in der Herstellungstechnologie von Ultraschallwandlern
ein nicht gelöstes Problem. In der Arbeitsgruppe Ultraschall und Medizin der
PTB wurde deshalb ein optisches Alternativverfahren entwickelt, das die Erfassung
der räumlich zweidimensionaler Schalldruckverteilungen von Ultraschallfeldern in
Wasser ermöglicht. Es nutzt dabei eine dielektrische optische Schicht als
empfindliches Element, deren Reflektivität durch den einfallenden Schall
verändert wird. Mit Hilfe eines gescannten Laserstrahls kann sukzessive der
Schalldruck abgetastet werden. Diese serielle Technik wird durch eine parallele
Abtastung ergänzt. Hier wird der gesamte Sensor gleichzeitig beleuchtet und
die Reflexionsänderung mit Hilfe einer CCD-Kamera detektiert. So können
Momentaufnahmen des Schalldrucks in zwei Dimensionen erhalten werden. Es wird eine
räumliche Auflösung von unter 100 µm und eine Bandbreite von
bis zu 50 MHz erreicht, was mit herkömmlichen Technologien bisher nicht
möglich war. Ein Vorteil gegenüber einem Scanner-Hydrophonmessplatz besteht
auch darin, dass praktisch keine mechnisch bewegten Teile verwendet werden.
Darüberhinaus sind optische Messmethoden nicht störanfällig gegen
elektromagnetische Strahlung.
Das optische Vielschichthydrophon wurde bisher für die Untersuchung kurzer Ultraschallimpulse
im MHz-Bereich eingesetzt. Solche Impulse werden z. B. in medizinischen Diagnosegeräten -
die heute in keiner Arztpraxis mehr fehlen, Geräten und Systemen zur Materialprüfung und
Ultraschallprozeßsteuerungen im weitesten Sinne verwendet. Eine Beispieldarstellung zeigt
das
Video, das Sie auf dieser Seite finden.
Dargestellt ist in farbiger Darstellung der Schalldruck in Abhängigkeit von der Zeit (rot: hoher
Druck, blau: niedriger Druck) in einer Schnittebene senkrecht zur Schallausbreitungsrichtung.
Deutlich erkennt man die einzelnen Oszillationen und die räumliche Fokussierungswirkung des Wandlers.
Schallfeldmessungen benötigt man zu Forschungs- und Entwicklungszwecken, für die Angabe technischer Daten,
zur Deklarierung und Zulassung oder für die Qualitätssicherung. Dafür kann die neue Technik vorteilhaft
eingesetzt werden. Außerdem finden Ultraschallimpulse in vielen Forschungsbereichen Anwendung. Für spezielle
Gebiete, z. B. in Bereichen mit hohen elektromagnetischen Feldern wie MRT-Geräten oder Transformatoren
ist eine optische Ultraschallempfangstechnik besonders geeignet.
