Primäre Kalibrierung von Ultraschall-Hydrophonen bis 100 MHz
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Beschreibung
In der vernetzten Welt, in der wir leben, ist es immer wichtiger geworden, genau und vergleichbar zu messen. Um die Vergleichbarkeit von Messungen zu gewährleisten, wurde daher seit 1790 an einem internationalen Einheitensystem gearbeitet, aus dem schließlich das SI-System hervorgegangen ist. Alle Messungen sind dazu auf die Definition des Meters, der Sekunde, des Ampere, des Kelvin, des Mol und der Candela zu beziehen. Dies gilt auch für davon abgeleitete Größen, wie das Pascal für den Ultraschallwechseldruck in Wasser.
Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung eines Messplatzes für die Primärkalibrierung von Ultraschallhydrophonen. Hydrophone sind Geräte, die den Schalldruck in eine messbare Spannung umwandeln. Das Verhältnis zwischen der Spannung und dem Schalldruck ist die Hydrophonempfindlichkeit und dieses Verhältnis wird durch die Kalibrierung ermittelt.
Im ersten Schritt der Kalibrierung erfolgt die Bestimmung des Ultraschallwechseldruckes im Wasser durch die Messung der Auslenkung der Wasseroberfläche. Dazu wird ein Hochfrequenz-Laservibrometer eingesetzt. Über die Wellenlänge des Laserstrahls ist direkt der Bezug zu dem Meter gewährleistet.
Im zweiten Schritt der Kalibrierung wird das Hydrophon dem durch die Messung mit dem Vibrometer bekannten Schallfeld ausgesetzt und dabei seine Spannung gemessen. Aus den beiden Messungen wird die Hydrophonempfindlichkeit ermittelt. Dabei wurden auch Korrekturen für das Schallfeld berücksichtigt und das Unsicherheitsbudget wurde ermittelt.
Für die Erzeugung des Ultraschallsignals wird ein Impulsverfahren verwendet, das erstmals bei der Primärkalibrierung eingesetzt wird. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass der Frequenzbereich von 1MHz bis 100MHz durch eine einzige Messung abgedeckt wird und als Ergebnis sowohl die Amplitude als auch die Phase ermittelt wird. Dadurch ist das Übertragungsverhalten vollständig charakterisiert. Dies ist eine wesentliche Verbesserung zu den bisher für die Primärkalibrierung eingesetzten monofrequenten Bursts, die für die Kalibrierung bis 60MHz genutzt wurden und nur die Bestimmung der Amplitude ermöglichten.
Die Daten der Kalibrierung können nun, wie an einem Beispiel gezeigt wird, dazu verwendet werden, um die mit dem Hydrophon gemessenen Signale zu entfalten und so den realen Schalldruckverlauf zu rekonstruieren. Dadurch lassen sich breitbandige Hydrophonsignale auswerten.
Autor*in
Peter Johannes Martin Weber
Themen in »Primäre Kalibrierung von Ultraschall-Hydrophonen bis 100 MHz«
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