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PTB-Kalibrierservice für Luftultraschall

09.05.2016

Bisher gab es für Messungen von Schall mit Frequenzen über 20 kHz noch keine metrologische Rückführung für die Schalldruckeinheit Pascal. An der PTB wurde nun ein Verfahren zur Kalibrierung von Mikrofonen im Ultraschallbereich bis zu 100 kHz entwickelt. Damit können Bezugs- und Gebrauchsnormale für Labore aus Industrie und Forschung hergestellt werden, um eine Rückführung für Luftultraschall zu gewährleisten. Der neue Kalibrierservice ist ab sofort verfügbar.

Mit der zunehmenden Verbreitung von Ultraschalltechnik in allen Bereichen des täglichen Lebens werden auch vermehrt quantitative Messungen von Luftultraschall durchgeführt. Zum Beispiel muss die Lärmimmission an Arbeitsplätzen im Ultraschallbereich ebenso Grenzwerte einhalten wie im Hörschallbereich. Arbeitgeber und Berufsgenossenschaften messen und bewerten in diesem Zusammenhang den Schalldruckpegel auch über 20 kHz an entsprechend belasteten Arbeitsplätzen, wie z. B. Ultraschall-Schweißanlagen. Weiterhin müssen Hersteller von Mess- und Laborgeräten nach DIN EN 61010-1 durch eine Luftultraschallmessung bis 100 kHz die Ungefährlichkeit ihrer Produkte nachweisen. 

Bisher gab es jedoch für Messungen von Schall mit Frequenzen über 20 kHz noch keine metrologische Rückführung für die Schalldruckeinheit Pascal. Am dänischen Metrologieinstitut (DFM) wurde vor kurzem ein Primärverfahren entwickelt, mit dem Messmikrofone als primäres Transfernormal bis zu 150 kHz kalibriert werden können. Das Verfahren ist jedoch auf spezielle Mikrofone (Kombination aus einem WS3-¼-Zoll-Mikrofon auf ½-Zoll-Adapter ohne Schutzgitter, siehe Abbildung 1) beschränkt, die so in der Praxis keine Anwendung finden. Es bedarf eines weiteren Kalibrierschrittes, um die Einheit des Schalldrucks vom primären Transfernormal, dem speziellen Referenzmikrofon, auf beliebige Mikrofone übertragen zu können.

Ein solches Verfahren wurde nun an der PTB entwickelt. Vorlage ist das klassische Substitutionsverfahren nach DIN EN 61094-8, das an die besonderen Eigenschaften von Luftultraschall angepasst wurde. Dabei wird ein kontrolliertes Schallfeld erzeugt und nacheinander durch Referenz und der Prüfling vermessen. Bei stabilem Schallfeld ist der von beiden Mikrofonen gemessene Pegelunterschied nur auf ihre unterschiedlichen Sensitivitäten zurückzuführen. Von der bekannten Sensitivität des Referenzmikrofons ausgehend, kann dann die Sensitivität des Prüflings berechnet werden.

Die besonderen Eigenschaften des Luftultraschalls stellen besondere Anforderungen an das Verfahren. Die Wellenlänge des in der Luft geleiteten Schalls beträgt nur wenige Millimeter (3,4 mm bei 100 kHz). Kleinste Flächen und Kanten, die im Hörschall vernachlässigt werden können, verursachen im Ultraschall Reflexion und Beugung, was das Schallfeld und damit die Präzision der Kalibrierung empfindlich stört. Die Dämpfung in Luft ist ab ca. 10 kHz nicht mehr vernachlässigbar, steigt im Ultraschallbereich drastisch an und ist außerdem stark von den Umgebungsbedingungen abhängig. Das stellt hohe Anforderungen an die Schallquelle und macht eine präzise Kontrolle der Messbedingungen erforderlich. Diese besonderen Anforderungen führen zu einem, im Vergleich zu Kalibrierungen für hörbaren Schall, erhöhten Aufwand und zu Messunsicherheiten von 0,4 dB bis etwa
0,6 dB. Die tatsächliche Messunsicherheit ist dabei abhängig von der Frequenz, aber auch von der Bauart des Prüflings.

Mit dem neuen Kalibrierverfahren können nun Mess- und Gebrauchsmikrofone der Baugrößen ½-Zoll und ¼-Zoll (mit Adapter) bis zu 100 kHz auf das dänische Primärnormal zurückgeführt werden. Sie dienen in Forschung und Industrie als sekundäre Transfernormale oder werden selbst für Messungen eingesetzt. Im nächsten Schritt wird das Verfahren derart weiterentwickelt, dass auch beliebige Mikrofone, wie zum Beispiel Mikrofon-Verstärker-Kombinationen, MEMS-Mikrofone, optische Mikrofone oder Schallpegelmesser kalibriert werden können.  
Im Moment jedoch ist es mit dem neuen Verfahren erst einmal gelungen, den Luftultraschall auch in der Praxis quantitativ messbar zu machen.

 

Bild 1: Referenzmikrofon für Luftultraschall (¼-Zoll-Messmikrofon auf einem Adapter zu ½-Zoll) im Kalibrieraufbau im akustischen Freifeldraum.

Ansprechpartner:

Christoph Kling, FB 1.6, AG 1.63,Opens window for sending email christoph.kling(at)ptb.de