Verbesserung der lateralen Auflösung von piezoelektrischen Hydrophonen durch numerische Verfahren

Boutkedjirt, Tarek

In der Sonographie werden Ultraschallwandler mit Frequenzen bis zu 70 MHz verwendet. Zur Untersuchung der erzeugten Felder erfüllen die verfügbaren piezoelektrischen Hydrophone nicht die Anforderungen an einen 'Punktempfänger'; aufgrund der endlichen Empfangsfläche liefern sie vielmehr räumlich gemittelte Messwerte des Schalldrucks. Ziel dieser Arbeit war, ausgehend von diesen Werten, komplexe Ultraschallfelder durch Entfaltung der Apertureffekte zu rekonstruieren. Diese Aufgabe wurde als inverses Problem behandelt. Durch numerische Simulationen wurde gezeigt, dass geeignete Verfahren, wie die Wienersche Methode, die Leistungsspektrum-Ausgleichsmethode und die Maximum-a-posteriori-Methode, verwendbar sind. Diese Methoden invertieren den Apertureffekt und unterdrücken gleichzeitig das Rauschen. Die Simulationsergebnisse wurden bei 2,25 MHz experimentell überprüft, wobei Hydrophone für Referenzmessungen zur Verfügung standen. PVDF-Membran-Hydrophonen unterschiedlicher Geometrie und Abmessungen wurden hergestellt. Das Hydrophonabmessungen-Wellenlänge-Verhältnis und die Messbedingungen wurden so gewählt, dass die Ergebnisse weitgehend bei hoher Frequenzen anwendbar sind. Die für die Rekonstruktion notwendige Hydrophonapertur wurde mit verschiedenen Methoden untersucht. Die besten Ergebnisse wurden durch ihre Ableitung aus dem räumlichen Spektrum des Messsignals erzielt. Trotz unterschiedlicher Entwurfsgrundlagen waren alle getesteten Techniken bei optimierten Messbedingungen in der Lage, komplexe Schallfelder zu rekonstruieren. Für eine Querschnittsebene im Nahfeld (kritischer Fall) lag die gesamte Unsicherheit des Rekonstruktionsergebnisses (systematische und stochastische Einflüsse) innerhalb von Die Unsicherheiten dieses neu entwickelten Verfahrens zur Verbesserung der räumlichen Auflösung bei der Untersuchung von Ultraschallfeldern mittels piezoelektrischen Hydrophonen liegen im akzeptablen Bereich der Ultraschallmesspraxis.

In the field of sonography, ultrasonic transducers with frequencies up to 70 MHz are used. For the investigation of the generated fields, available piezoelectric hydrophones do not meet the 'point detector' requirements; due to the finite receiving area they rather furnish spatially averaged values of the sound pressure. The aim of this work is, starting from these values, to reconstruct complex ultrasound fields by deconvolving the aperture effect. This task is treated as an inverse problem. It is proved by numerical simulation that suitable reconstruction methods such as the Wiener method, the power spectrum equalization (PSE) method and the maximum-a-posteriori (MAP) method can be applied. The latter have in common to invert the aperture effect while reducing noise. The simulation results are checked at 2.25 MHz, at which hydrophones are available for reference measurements. PVDF membrane hydrophones of different geometry and dimensions are manufactured. The hydrophone parameters, particularly the dimensions to wavelength ratio, and the measurement conditions ensure that the results can to a large extent be applied at higher frequencies. The spatial transfer function of the manufactured hydrophones needed for the reconstruction is investigated by various methods. The best results are obtained when this function is derived from the spatial spectrum of the measured signal. Though different design bases, all tested techniques are capable of reconstructing complex sound fields under optimized measurement conditions. For a cross-sectional plane of the near field (a critical case), the relative overall uncertainty of the reconstruction result (systematic and stochastic influences) is within ± 10 The uncertainties of this newly developed method, which improves the spatial resolution in investigations of ultrasonic fields by means of piezoelectric hydrophones, lie in a range which is acceptable in ultrasound measurement practice.

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Boutkedjirt, Tarek: Verbesserung der lateralen Auflösung von piezoelektrischen Hydrophonen durch numerische Verfahren. Braunschweig . Institut für elektrische Messtechnik und Grundlagen der Elektrotechnik.

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