02.11.2023
Die Bestimmung der effektiven Größe von Hydrophonen ist wichtig für deren Kalibrierung und Anwendung. Die unter PTB-Beteiligung überarbeitete Norm enthält einige Neuerungen, die zeitnah am vorhandenen Messplatz umgesetzt wurden. Die Charakterisierung kann nun für Frequenzen von 1 MHz bis 50 MHz sehr effektiv erfolgen [1] und unterstützt so die Kalibrierdienstleistungen der AG 1.62 „Ultraschall“ und deren Nutzer.
Der Einfluss der effektiven Größe der Empfangsfläche von Hydrophonen auf die Messung von Ultraschallfeldern, die z. B. von medizinischen Geräten abgegeben werden, hat in letzter Zeit verstärkt Aufmerksamkeit erfahren [2]. Es wird erwartet, dass zukünftige Ausgaben der Mess- und Sicherheitsnormen diesen Aspekt zum Zweck der Harmonisierung stärker betrachten werden. Um die räumliche Mittelung bei Hydrophonmessungen numerisch kompensieren zu können, muss die individuelle Hydrophongröße bestimmt werden. Die kürzlich erschienene Norm IEC 62127-3 Ed.2 [3] liefert diesbezüglich neue Vorgaben für die Messung und die Datenanalyse. Es wird nun grundsätzlich immer die Richtcharakteristik im Winkelbereich von -35° bis 35° gemessen und höchstens bis zu einem Abfall von –6 dB des maximalen Empfangssignals durch Least-Square-Fitting einer Modellfunktion ausgewertet. Ein an der PTB seit vielen Jahren bestehender Messaufbau wurde dementsprechend angepasst, erweitert und getestet. Eine Reihe von Hydrophonen unterschiedlicher Bauform (Membran-, Nadel- und Kapselhydrophone) wurde durch Messungen der Richtcharakteristik untersucht, wobei eine breitbandige Ultraschallimpulsanregung eingesetzt wurde [1]. Durch Ausnutzung der nichtlinearen Schallausbreitung kann die Auswertung und Ableitung der effektiven Empfängergröße für Frequenzen von 1 MHz bis 50 MHz mit hoher Frequenzauflösung aus Messungen mit nur einem Anregungssignal erfolgen. Wo vorhanden, wurden die Ergebnisse mit älteren Resultaten des vormaligen Messplatzes verglichen, mit dem die Bestimmung bis maximal 20 MHz und nur bei einigen wenigen Frequenzpunkten möglich und zudem deutlich zeitaufwendiger war. Der Bereich oberhalb von 20 MHz konnte bislang nur durch Extrapolationen erfasst werden (Abbildung). Für Membranhydrophone erhält man monoton abfallende und sich jeweils einem Grenzwert nähernde Ergebnisse und die Abweichungen zwischen älteren und aktuellen Daten bleiben unter ±10 µm. Bei den anderen Hydrophonbauformen treten weniger gleichmäßige Verläufe und zum Teil etwas größere Unterschiede auf. Die neue Charakterisierung enthält durch die höhere Frequenzauflösung nun Details, die zuvor nicht erkannt werden konnten. Insgesamt sollten die normativen Änderungen, insbesondere auch die Festlegung des zu verwendenden Winkelbereichs der Richtcharakteristikdaten, zu einer besser harmonisierten Hydrophoncharakterisierung führen und damit die verbesserte Kompensation der räumlichen Mittelung bei Ultraschallabgabemessungen an medizinischen Geräten unterstützen.
Abbildung: Gemessene Richtcharakteristik eines Membranhydrophons (PTB 42) (links) und effektiver Empfängerradius für drei verschiedene Membranhydrophone in Abhängigkeit von der Ultraschallfrequenz (rechts).
Literatur:
[1] V. Wilkens and M. Weber, Determination of effective hydrophone sizes from 1 to 50 MHz according to IEC 62127-3:2022 using short pulse excitation, Proc. 2023 IEEE Ultrason. Symp., Montreal, Canada, (2023), Paper 1077. 
https://confcats-event-sessions.s3.amazonaws.com/ius23/posters/1077.pdf
[2] G. R. Harris S. M. Howard, A. M. Hurrell, P. A. Lewin, M. E. Schafer, K. A. Wear, V. Wilkens, and B. Zeqiri, Hydrophone measurements for biomedical ultrasound applications: A review, IEEE Trans. Ultrason., Ferroelectr., Freq. Control, vol. 70, no. 2, pp. 85–100, Feb. 2023. https://ieeexplore.ieee.org/document/9913943
[3] Ultrasonics—Hydrophones—Part 3: Properties of Hydrophones for Ultrasonic Fields, International Standard IEC 62127-3, Ed. 2, 2022.
Ansprechpartner:
Volker Wilkens, FB 1.6, E-Mail: 
volker.wilkens(at)ptb.de