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Ultraschall

Arbeitsgruppe 1.62

Optische Messverfahren

Für die präzise Messung des räumlichen und zeitlichen Druckverlaufs von Ultraschallsignalen in Wasser oder anderen flüssigen Medien lassen sich auch optische Messverfahren einsetzen. Sie besitzen gegenüber herkömmlichen Hydrophonen einige Vorteile. So lässt sich bei guter Druckempfindlichkeit eine höhere Ortsauflösung realisieren und elektromagnetische Einstreuung vermeiden. Gleichzeitig ermöglichen optische Verfahren eine höhere Bandbreite und eine berührungslose Messung.

In der Arbeitsgruppe 1.62 der PTB werden sowohl Verfahren mit Messsonden als auch berührungslose Methoden angewandt. Als Messsonden werden dabei faseroptische Sensoren unterschiedlicher Funktionsweise verwendet. Sie liefern ein optisches Signal, dessen Amplituden- oder Phasenänderung mit den Schallfeldgrößen verknüpft ist und mit einem geeigneten optischen Aufbau detektiert werden kann. Die Verschiebung im Schallfeld lässt sich jedoch auch direkt interferometrisch messen. Dazu lässt man das Schallfeld senkrecht auf die Oberfläche der Flüssigkeit einfallen, die mit einer dünnen ca. 2  Mikrometer dicken Folie bedeckt ist. Die abgewandte Seite der Folie ist mit Aluminium beschichtet, um den optischen Reflexionsfaktor zu erhöhen. Mit Hilfe eines Interferometers wird die Auslenkung der Folie gemessen.

Dieses Verfahren eignet sich auch zur Kalibrierung von Wandlern und Hydrophonen, da der Vergleich mit der Wellenlänge den direkten Zugang zu den SI-Definitionen ermöglicht und die optische Detektionstechnik hohe Bandbreiten erlaubt. So konnte der Frequenzbereich der Kalibrierung von Hydrophonen und faseroptischen Sensoren auf 50 MHz erweitert werden, was zum Beispiel für Stoßwellenmessungen von Wichtigkeit ist.

Ein weiteres optisches Verfahren zur zeitlich und räumlich hochauflösenden Messung von Ultraschallfeldern verwendet ein auf ein Glassubstrat aufgebrachtes Interferenzschichtsystem geringer Dicke als Sensorelement. Wie im Falle der faseroptischen Drucksensoren entsteht das Messsignal durch die Verformung des Schichtsystems infolge der Ultraschalleinwirkung. Vorteile dieser Anordnung sind ein recht geringer apparativer Aufwand zur Bestimmung des Schalldruckverlaufs, ein konstanter Übertragungsfaktor in einem weiten Frequenzbereich (mindestens 1 bis 75 MHz) und die Möglichkeit der Anwendung als zweidimensionales Empfängerarray. Zur Zeit wird dieses Messsystem vor allem als sekundäre Referenz bei der Untersuchung der breitbandigen Übertragungseigenschaften der Fasersensoren eingesetzt. Außerdem eignet es sich auch sehr gut als Referenzhydrophon bei der komplexwertigen Kalibrierung von piezoelektrischen Hydrophonen mit Hilfe breitbandiger Impulsanregung. Hier kann mit verhältnismäßig einfachen Mitteln die Übertragungsfunktion in Betrag und Phase bestimmt werden. Diese Information kann zur korrekten Messung breitbandiger Ultraschallimpulse bzw. deren nachträglicher numerischer Entfaltung bedeutsam sein.

Ein berührungsloses Verfahren dagegen ist die beugungsoptische Tomographie. Passiert ein Lichtbündel mit einem Radius größer als die Schallwellenlänge eine Ultraschallwelle, so zeigt sich im weiteren Verlauf des Lichtfeldes ein Beugungseffekt, der von den Eigenschaften des Schallfeldes abhängig ist. Unter Verwendung eines Tomographieverfahrens lässt sich aus der Intensität und den Phasenbeziehungen der einzelnen Beugungsordnungen die Druckverteilung des Schallfeldes ermitteln.

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