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Hydrophonkalibrierung in einem erweiterten Frequenzbereich

Neuartiger Messplatz erlaubt die gleichzeitige Kalibrierung von Amplitude und Phase bis 100 MHz

09.10.2017

Hydrophone werden zur Messung des Schallwechseldrucks von Ultraschallsignalen in Wasser eingesetzt. Sie werden besonders im Bereich der Medizintechnik benötigt, um die Schallfelder von diagnostischen und therapeutischen Ultraschallgeräten zu charakterisieren. Insbesondere bei Messungen, die durch gesetzliche Regelungen, wie dem Medizinproduktegesetz zum Schutze des Patienten, gefordert oder durch internationale Normen festgelegt sind, wird die Verwendung kalibrierter Hydrophone gefordert. Durch ihre Verwendung ist die Rückführbarkeit der Messung auf das SI-Einheitensystem sichergestellt. Die PTB betreibt zu diesem Zweck ein Primärnormal und führt Hydrophonkalibrierungen für einen internationalen Kundenkreis aus Herstellern von Medizinprodukten und Messgeräten, Messlaborbetreibern, Regulatoren und Forschungsinstituten durch.

In den vergangenen Jahren wurde in der PTB ein neuer Messplatz (siehe Abbildung 1) für die Primärkalibrierung von Ultraschallhydrophonen aufgebaut. Die wesentliche Komponente ist dabei ein Hochfrequenzvibrometer, das die durch eine Ultraschallwelle erzeugte Auslenkung der Wasseroberfläche misst. Aus der gemessenen Auslenkung wird der im Wasser herrschende Schallwechseldruck berechnet. Das zu kalibrierende Hydrophon wird anschließend demselben Schallfeld ausgesetzt und das Hydrophonspannungssignal gemessen. Auf diese Weise wird der Kalibrierfaktor zwischen der Hydrophonspannung und dem Schalldruck in Abhängigkeit von der Frequenz ermittelt.

Abb. 1: Messstand zur Hydrophonkalibrierung bestehend aus Vibrometer (1), Wasserbehälter (2), Ultraschallsendewandler (3) und 3-Achsen-Positioniereinheit (4). Nach der Ermittlung des Schalldrucks mit dem Vibrometer wird das Hydrophon in den Wasserbehälter eingebracht.

 

Das Ultraschallsignal wird von einem piezoelektrischen Wandler bereitgestellt. Die Anregung durch einen kurzen elektrischen Impuls und die Nutzung der nichtlinearen Schallausbreitung im Wasser erlauben die simultane Erzeugung eines Impulses mit Signalkomponenten in einem Frequenzbereich von typischerweise 1 MHz bis 100 MHz. Der frequenzabhängige Kalibrierfaktor des Hydrophons wird durch Anwendung der Fourier-Analyse gleichzeitig in Amplitude und Phase ermittelt. In Abbildung 2 werden die Ergebnisse für die Kalibrierung eines Membranhydrophons mit den Resultaten des bislang verwendeten Verfahrens verglichen. Dort werden monofrequente Sinusbursts und ein homodynes Interferometer verwendet und im Rahmen der Primärkalibrierung kann nur die Amplitude bestimmt werden. Die Bestimmung des Phasengangs erfolgte bisher mit einem sekundären Verfahren, dass sich auf den flachen Frequenzgang eines breitbandigen Referenzhydrophons bezieht.

Abb.2: Im linken Diagramm ist der Amplitudengang eines Membranhydrophons gezeigt. Der mit dem Vibrometer ermittelte Verlauf (schwarz) wurde mit den Resultaten des bisherigen Primärnormals (blau) verglichen. Die Unsicherheitsintervalle (grauer Bereich und Fehlerbalken) sind für den Erweiterungsfaktor k = 2 dargestellt. In der rechten Hälfte des Bildes ist der Phasengang des Hydrophons zu sehen, der mit den Resultaten eines sekundären Verfahrens verglichen wurde. In allen Fällen zeigt sich eine ausgezeichnete Übereinstimmung.

 

Für das neue Messverfahren wurde ein umfassendes GUM-gerechtes Unsicherheitsbudget in Matrizendarstellung für die komplexen Zahlenwerte erstellt. Neben den deutlich verkürzten Messzeiten und der dadurch ermöglichten direkten Primärkalibrierung von Kundenhydrophonen ohne zusätzliche Sekundärverfahren bietet die neue Technik eine Kalibrierdatenqualität, die international einzigartig ist. Insbesondere für die zunehmend für Hydrophonmessungen eingesetzten Signalentfaltungsverfahren und der dabei zu verwendenden Unsicherheitsbestimmung für die ermittelten Kenngrößen, können Kunden der PTB zukünftig auf eine deutlich verbesserte metrologische Basis zurückgreifen.

Literatur:

[1] WEBER, M. & WILKENS, V.: Using a heterodyne vibrometer in combination with pulse excitation for primary calibration of ultrasonic hydrophones in amplitude and phase. In: Metrologia 54 (2017), Nr. 4, pp. 432-444 Opens external link in new windowdoi: 10.1088/1681-7575/aa72ba

[2] EICHSTÄDT, S. & WILKENS, V.: GUM2DFT—a software tool for uncertainty evaluation of transient signals in the frequency domain. In: Measurement Science and Technology 27 (2016), Nr. 5, p. 055001 doi: Opens external link in new window10.1088/0957-0233/27/5/055001

[3] EICHSTÄDT, S. & WILKENS, V.: Evaluation of uncertainty for regularized deconvolution: A case study in hydrophone measurements. In: The Journal of the Acoustical Society of America 141 (2017), Nr. 6, pp. 4155-4167Opens external link in new window doi: 10.1121/1.4983827

 

Ansprechpartner:

Martin Weber, AG 1.62, Opens window for sending emailmartin.weber(at)ptb.de