14.05.2007
Mittels Freifeld-Reziprozitätskalibrierung von Viertelzoll-Messmikrofonen wurde die Grundlage für die Darstellung der Schalldruckeinheit für Frequenzen bis 160 kHz geschaffen.
Der Frequenzbereich oberhalb von 40 kHz wird für die akustische Messtechnik immer bedeutsamer, da der Einsatz von Ultraschall in vielen Bereichen von Medizin und Technik und darüber hinaus im täglichen Leben mehr und mehr zunimmt. Beispiele dafür sind Therapieverfahren in der Medizin, zerstörungsfreie Werkstoffprüfung, Reinigungsverfahren, Schweißen von Metall- und Plastwerkstoffen, Längenmessungen, parametrische Lautsprecher mit hoher Richtwirkung bis hin zu Ultraschall-Zahnbürsten. Bei all diesen Anwendungen besteht das zumindest potentielle Risiko einer Belastung durch Luft-Ultraschall hohen Pegels, welcher dem Gehör schaden oder andere negative biologische Auswirkungen auf den Menschen haben kann. Sowohl für die gesicherte Bestimmung der Luft-Ultraschallemissionen und -immissionen als auch für die Festlegung von Grenzwerten und Dosis-Schadensbeziehungen müssen Luft-Ultraschallpegel mit kalibrierten, auf ein nationales Normal rückführbaren Geräten gemessen werden können.
Bisher existiert kein solcher Mess-Service in Deutschland. Aus diesem Grund wurde durch die Freifeld-Reziprozitätskalibrierung von Viertelzoll-Kondensatormikrofonen die Grundlage geschaffen, die Darstellung der Schalldruckeinheit im Frequenzbereich von 20 kHz bis 160 kHz zu realisieren.
Bei der Reziprozitätskalibrierung wird der Umstand ausgenutzt, dass Kondensatormikrofone umkehrbare reziproke Vierpole sind und damit nicht nur, wie im 'normalen' Betrieb, bei Anliegen eines bestimmten Schalldruckes eine bestimmte Ausgangsspannung generieren, sondern auch beim Einspeisen eines Wechselstromes einen Schallfluss erzeugen. Drei Mikrofone werden so gepaart, dass jedes der drei Mikrofone einmal als Sender und einmal als Empfänger fungiert. Die Quotienten aus Leerlauf-Empfangsspannung und Sendestrom werden gemessen und dienen, zusammen mit der Beschreibung der akustischen Kopplung im Freifeld zur Berechnung der Freifeld-Übertragungsfunktionen der einzelnen Mikrofone. Bei der Freifeld-Reziprozitätskalibrierung werden die Mikrofone in einer ausreichend reflexionsarmen Umgebung frontal gegenüberstehend montiert.
Es wurden umfangreiche Voruntersuchungen durchgeführt, um die Eignung vorhandener Messräume für diese Kalibrierung zu testen. Es zeigte sich, dass Reflexionen von den Raumbegrenzungen die Messungen nicht maßgeblich beeinflussen.
Durch sorgfältige Optimierung des Versuchsaufbaus, den Einsatz einer außerordentlich schmalbandigen Korrelationsanalyse und eines speziell für diese Kalibrierung entwickelten Mikrofon-Vorverstärkers konnte ein stabil arbeitender Messplatz in Betrieb genommen werden, welcher zukünftig für Freifeldkalibrierungen im Luftultraschallbereich eingesetzt werden soll.
Ansprechpartner:
Thomas Fedtke, FB 1.6, AG 1.61, Thomas.Fedtke@ptb.de