Primäre Kalibrierung von Ultraschall-Hydrophonen bis 100 MHz

Weber, Peter Johannes Martin ORCID

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 1 MHz bis 100 MHz 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 60 MHz 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.

Precise and comparable measurements became increasingly important in the linked world we live in. Therefore, in the year 1790 work was started on an international system of units to ensure the comparability of measurements, which finally resulted in the SI-system. All measurements are referred to the definition of the meter, the second, the ampere, the kelvin, the mol and the candela. This is also valid for derived quantities like the Pascal for the ultrasonic sound pressure in water. The presented work reports the development of a setup for the primary calibration of hydrophones for the detection of ultrasound. Hydrophones are devices, that transfer the sound pressure into an electrical voltage. The ratio between the voltage and the sound pressure is called hydrophone sensitivity and this ratio is determined during calibration. The first step of the calibration characterizes a sound pressure field in water by measuring the displacement of the water surface. A laser vibrometer is used for this task. The direct traceability to the meter is realized by the well-known wavelength of the laser. This measurement enables the precise characterization of the field of an ultrasonic transducer. In the second step, the hydrophone is exposed to the known acoustical field and the hydrophone voltage is determined. The hydrophone sensitivity is determined from the results of both steps afterwards. For this calculation corrections and the uncertainty budget are determined, which are both subjects of this work. To generate the ultrasonic field, an impulse procedure was used. It was used for the primary calibration for the first time. This procedure has the advantage, that the frequency range from 1 MHz to 100 MHz can be covered by one measurement and the hydrophone sensitivity can be evaluated in amplitude and phase. This fully characterizes the hydrophone sensitivity. It is a significant improvement compared to the former procedure of monofrequent burst excitation, which was used only up to 60 MHz and allows only the determination of the amplitude. The calibration results can now be used, as it is shown as an example in this work, for the signal deconvolution of measurements, performed with the hydrophone, to reconstruct the original sound pressure. By this method, broadband signals acquired with hydrophones with a non-flat frequency response can be evaluated.

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Weber, Peter: Primäre Kalibrierung von Ultraschall-Hydrophonen bis 100 MHz. Berlin 2019. mensch und buch.

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