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Verbesserte Hydrophonkalibrierung

Neuartiger Messplatz erlaubt umfangreichere Kalibrierungen

PTBnews 3.2018
02.10.2018
Besonders interessant für

Hersteller und Anwender von Hydrophonen

Kalibrierdienstleister

An der PTB wurde ein neuartiger Messplatz für die primäre Kalibrierung von Ultraschallhydrophonen entwickelt. Hydrophone sind Sensoren für die Bestimmung des Ultraschallwechseldrucks in flüssigen Medien. Eingesetzt werden sie hauptsächlich in der Medizintechnik, um Ultraschallgeräte zu prüfen. Der neue Messplatz deckt einen vergrößerten Frequenzbereich bei verminderter Unsicherheit ab.

Messplatz während einer Messung mit dem Vibrometer. Das Vibrometer befindet sich in dem blauen Gehäuse. Die Folie ist in den roten Tubus eingesetzt und liegt auf der Wasseroberfläche auf.

Übertragungsmaß (Empfindlichkeit) eines Hydrophons im Frequenzbereich von 1 MHz bis 80 MHz. Der grau hinterlegte Bereich gibt den Unsicherheitsbereich mit einem Erweiterungsfaktor von k = 2 an.

Bei der Kalibrierung von Hydrophonen wird aus dem Verhältnis der elektrischen Ausgangsspannung des zu kalibrierenden Hydrophons zum tatsächlichen Ultraschalldruck die Hydrophonempfindlichkeit bestimmt und als Funktion der Frequenz im Kalibrierschein weitergegeben.

Im neuen Messplatz der PTB misst ein Hochfrequenzvibrometer auf optischem Wege die durch die Ultraschallwelle verursachte Auslenkung einer auf der Wasseroberfläche befindlichen dünnen Folie. Aus dieser Messung wird der Ultraschalldruck ermittelt. Für die Kalibrierung werden nun kurze Anregungsimpulse großer Amplitude anstelle von längeren monofrequenten oder durchgestimmten Schallwellen verwendet. Da die erzeugten Impulse unter Ausnutzung der nichtlinearen Ausbreitung in Wasser ein breites Frequenzspektrum aufweisen, lassen sich damit Hydrophone in einem Frequenzbereich von 1 MHz bis 100 MHz charakterisieren. Der Messplatz ist weitgehend automatisiert, sodass die Kalibrierungen schneller durchgeführt werden können.

Die Impulsanregung erlaubt darüber hinaus die einfache Ermittlung des Phasengangs des Hydrophons. Diese Information ist besonders dann erforderlich, wenn Verfahren der Impulsentfaltung angewendet werden, um normgerecht Ultraschallwellenformen möglichst objektiv zu rekonstruieren. Das Verfahren ist zudem für Sensoren geeignet, die in hochintensiven Ultraschallfeldern zum Einsatz kommen und oftmals weniger empfindlich sind als konventionelle Hydrophone.

Ansprechpartner

Volker Wilkens
Fachbereich 1.6
Schall
Telefon: (0531) 592-1423
Opens window for sending emailvolker.wilkens(at)ptb.de

Wissenschaftliche Veröffentlichung

M. Weber, V. Wilkens: Using a heterodyne vibrometer in combination with pulse excitation for primary calibration of ultrasonic hydrophones in amplitude and phase. Metrologia 54, 432–444 (2017)