Primärverfahren zur Freifeld-Reziprozitätskalibrierung von Mikrophonen im Ultraschallbereich

Ultraschall ist Schall, dessen Frequenz über der oberen Grenzfrequenz des menschlichen Ohres, also oberhalb etwa 20 kHz, liegt. Heutzutage wird Ultraschall in weiten Bereichen der Industrie und der Medizin angewendet, wie z.B. in der medizinischen Diagnose und Therapie, der Analyse chemischer und physikalischer Vorgänge, zur Reinigung, zum Schweißen von Plastwerkstoffen, für Entfernungsmessungen, Überwachungsgeräte, Fernbedienungen, usw. Bei vielen dieser Anwendungen kommt es, gewollt oder ungewollt, zur Abstrahlung von Ultraschall in die Luft mit zum Teil erheblichen Energien. Zum Schutz des Menschen vor dieser Exposition müssen Ultraschallpegel in Luft mit kalibrierten und auf das nationale Normal zurückgeführten Geräten gemessen werden können.

Bislang erfolgt die dafür notwendige Darstellung der Einheit des Schalldruckes, des Pascal, mit international genormten Messmikrophonen, deren Durchmesser ein Zoll oder ein halbes Zoll beträgt. Die obere Frequenzgrenze dieser Mikrophone und der zugehörigen Kalibrierverfahren liegt aber nur bei 10 kHz für die Zoll- und bei 40 kHz für die Halbzoll-Mikrophone. Aus diesem Grund ist das Ziel der gegenwärtigen Untersuchungen, ein Primärverfahren zur Darstellung der Schalldruck-Einheit im Frequenzbereich bis zu 150 kHz mit Hilfe der Freifeld-Reziprozitätskalibrierung von Viertelzoll-Mikrophonen zu entwickeln.

Das Verfahren basiert auf Strom- und Spannungsmessungen an einer Anordnung aus zwei Viertelzoll-Mikrophonen, der Bestimmung ihres effektiven Abstandes und der Eigenschaften der Luft, speziell der in diesem Frequenzbereich bereits starken Dämpfung des Schalles. Als einer der ersten Schritte wurde der von einem als Schallquelle verwendeten Messmikrophon Typ Brüel&Kjaer 4135 erzeugte Schalldruck im reflexionsarmen Raum gemessen.

Im Bild ist das Ausgangssignal für einen Abstand von d = 5 cm als Funktion der Frequenz f im Bereich von 20 kHz bis 200 kHz dargestellt. Die Ergebnisse zeigen eine gute Reproduzierbarkeit und einen ausreichenden Signal-Rauschabstand im gesamten Frequenzbereich und ermutigen zur Entwicklung eines für diese Frequenzen geeigneten Reziprozitätsverfahrens.

Ausgangssignal eines Viertelzoll-Messmikrophons Typ Brüel&Kjaer 4135 im Abstand von d=5 cm vom Empfänger.