PTB-Berichte
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PTB-Berichte Mechanik und Akustik (MA)
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Bericht
| Titel: | Mehrdimensionale Messung von Ultraschallfeldern mittels optischer Fabry-Perot-Interferenz-Beschichtungen |
|---|---|
| Autor(en): | M. Klann |
| Editor: | Physikalisch-Technische Bundesanstalt |
| Report Typ: | PTB-Report |
| Jahr: | 2004 |
| Dokument Nummer: | PTB-MA-74 |
| Seite(n): | 101 |
| ISBN: | ISBN 3-86509-171-7 ; ISSN 0179-0595 |
| Zusammenfassung: | Diese Arbeit behandelt interferenz-optische Verfahren zur mehrdimensionalen räumlich und zeitlich hoch auflösenden Messung von Ultraschall-Wechseldruckfeldern in Flüssigkeiten. An der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt wurde ein optisches Vielschichthydrophon entwickelt, das die schalldruckabhängige Reflexion eines Mikro-Fabry-Perot-Interferometers auswertet. Das Interferometer besteht aus harten dielektrischen Schichten, die auf einem ausgedehnten planen Glassubstrat oder auch auf einer Glasfaserspitze aufgebracht sind. Das Faser-Vielschichthydrophon erwies sich als geeignet, minimal-invasive Punktmessungen von Temperatur und hochfrequentem Ultraschall durchzuführen. Das Substrat-Vielschichthydrophon zeichnet sich durch eine konstante Übertragungsfunktion aus und ist zur Messung von Querschnitten durch Schallfelder einsetzbar. Im Rahmen dieser Dissertation wird die Realisierung verschiedener Sensorbeschichtungen und deren Anwendung als Schalldrucksensor dargestellt. Das etablierte Verfahren der punktweisen Schallmessung mit beschichteten Plansubstraten misst die schalldruck-induzierte Änderung der reflektierten Intensität eines statischen, auf die Sensorbeschichtung fokussierten Laserstrahls. Dieses Verfahren wird auf zweidimensionale Anwendungen erweitert. Dazu werden verschiedene Varianten mit paralleler sowie serieller Abtastung der Sensorfläche entwickelt und auf ihre Vor- und Nachteile untersucht. Ein mikromechanischer Scannerspiegel wird zur schnellen Verschiebung des Messstrahls verwendet, um seriell die Schalldruck-Zeitverläufe an verschiedenen Messpunkten aufzunehmen. Der Scannerspiegel schwingt optimal nahe seiner mechanischen Resonanz mit einigen Hundert Hertz, so dass die Erfassung sich wiederholender Ultraschall-Wellenformen wie Impulsen an vielen hundert Punkten in wenigen Sekunden möglich ist. Alternativ wird eine CCD-Kamera in Verbindung mit stroboskopischer Sensorbeleuchtung verwendet. Mit den aufgeweiteten kolliminierten Lichtimpulsen einer stromgepulsten Laserdiode wird eine Fläche mit mehreren Zentimeter Durchmesser zu definierten Zeiten relativ zum Ultraschall-Impuls beleuchtet und aus der reflektierten Energiedichte die momentane Schalldruckverteilung ermittelt. Diese Variante ermöglicht die parallele Darstellung des momentanen Schalldrucks an vielen Punkten auf einer Querschnittsfläche durch das Schallfeld. Die mit den realisierten Anordnungen durchgeführten Messungen von Ultraschall-Impulsen fokussierender und planer Schallwandler werden mit simulierten Schallfeldern verglichen und die Eignung des beschichteten Substrats als Ultraschall-Detektionsmatrix diskutiert. Die Vorteile der verschiedenen untersuchten Verfahren werden in einem automatisierten Kombinationsaufbau zusammengefasst. Dieser ist in der Lage, gleichzeitig Schalldruckverläufe mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung an einzelnen Messpunkten aufzunehmen sowie Momentaufnahmen von Schalldruckverteilungen darzustellen. Damit steht ein kompaktes, kostengünstiges und leistungsstarkes Messgerät auf Basis eines optischen Vielschichthydrophons zur Verfügung, das zur Untersuchung von Ultraschall-Wechseldruckfeldern aus vielen Anwendungsgebieten verwendet werden kann. Durch die erzielte hohe Bandbreite und Ortsauflösung ist es besonders als Referenzmethode zur Hydrophon-Kalibrierung geeignet. |
| Bemerkung: | Mehrdimensionale Messung von Ultraschallfeldern mittels optischer Fabry-Perot-Interferenz-Beschichtungen ; (PTB-Bericht PTB-MA-74) ; Zugl.: Bremen, Univ., Diss., 2004 |