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Eine Kamera für Ultraschall

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  • Metrology for Society
19.05.2004

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.

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