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SF100 Membranhydrofon

Einführung


Ultraschall-Membranhydrofone werden überall dort eingesetzt, wo die abgegebenen Schallintensitäten von Ultraschallgeräten oder Sensoren gemessen werden müssen. Solche Messungen sind nicht nur für die Qualitätssicherung bei medizinischen Ultraschallgeräten sondern auch in der Entwicklung und Verifizierung von Ultraschallsensoren für die Industrie- und Prüftechnik von außerordentlicher Bedeutung. Insbesondere für die zunehmend von der internationalen Gesetzgebung geforderte Einhaltung sicherheitsrelevanter Grenzwerte in der Ultraschallexposimetrie für medizinische Geräte sind Membranhydrofone mit sehr großer Bandbreite und geringen Schwankungen in der Übertragungsfunktion erforderlich.

Darüber hinaus sind Membranhydrofone in der Lage, den Schalldruck eines Schallfeldes mit hoher Ortsauflösung zu messen. Durch die Abtastung entlang von Linien oder Flächen wird dabei die räumliche Verteilung des hochfrequenten Schallwechseldrucks erfasst. Aus diesen Daten können eine Reihe weiterer wichtiger Parameter eines Schallfeldes, wie Lage und Abmessungen eines Fokus, Breite des Schallbündels oder lokale Intensitätsänderungen abgeleitet werden.

Beschreibung


In Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe "Ultraschall" der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig, eines der führenden Institute im Bereich der Entwicklung und Kalibrierung von hochempfindlicher Messtechnik (www.ptb.de) wurde ein Membranhydrofon mit hervorragenden Eigenschaften entwickelt und durch die Firma GAMPT zur Marktreife gebracht. Durch seine extrem große Bandbreite von bis zu 140 MHz, der sehr flachen Übertragungsfunktion bis 40 MHz und der sehr kleinen aktiven Fläche von unter 200 µm, ist dieses Hydrofon nicht nur zur ortsauflösenden Charakterisierung von Schallfeldern geeignet, sondern wird auch als Referenz-Hydrofon bei der Kalibrierung von Ultraschallquellen eingesetzt.

Das Membranhydrofon besteht aus einem runden Kunststoffgehäuse mit einer eingebetteten Membran und aufgedampften Goldelektroden. Da der Vorverstärker bereits in das Gehäuse integriert wurde, kann das Hydrofon direkt an ein Oszilloskop angeschlossen werden. In Verbindung mit dem 3D-Schallfeldscanner (SFS-3), dem Scancontroller (SCU-5) und der Schallfeldmesswanne steht ein einfach zu handhabendes Messsystem zur vollständigen Charakterisierung von Schallquellen zur Verfügung.

Übertragungsfunktion des Membranhydrofons


Eines der wichtigsten Qualitätsmerkmale eines Membranhydrofons ist, neben Bandbreite und Ortsauflösung, eine möglichst gleichbleibende Sensitivität über einen großen Frequenzbereich. Unsere Membranhydrofone zeigen im Bereich zwischen 1 MHz und 40 MHz eine mittlere Empfindlichkeitsschwankung von unter 5 %. Die Resonanzfrequenz der Hydrofone liegt weit oberhalb von 100 MHz. Damit ist ein nutzbarer Frequenzbereich bis zu 140 MHz möglich. Darüber hinaus zeigen die Hydrofone durch den integrierten Vorverstärker ein sehr gutes Signal-Rausch-Verhältnis. Die aufgebrachten Abschirmelektroden verhindern zusätzlich das Einkoppeln unerwünschter Störsignale. Durch die spezielle Anordnung der Abschirmelektroden wird eine Signalbeeinflussung weitestgehend vermieden.

Richtcharakteristik und effektiver Radius des Hydrofons


Die Membranhydrofone zeichnen sich durch extrem kleine effektive Spots (Größe der aktiven Sensorfläche ) von unter 200 µm bei 5 MHz aus. Dadurch sind hochauflösende Schallfeldmessungen möglich, bei denen auch kleine lokale Inhomogenitäten in der Schalldruckamplitude erfasst werden können. Durch die gute Richtcharakteristik können vor allem auch fokussierte Ultraschallfelder fehlerfrei vermessen werden.

Kalibrierung


Die Membranhydrofone können je nach Kundenwunsch mit verschiedenen Kalibrierungen angeboten werden. Dabei reicht der Aufwand von einer einfachen Amplitudenkalibrierung im Frequenzbereich von 0,5-20 MHz bis zu einer vollständigen Charakterisierung der Amplitude, der Phase, der Richtcharakteristik und des effektiven Durchmessers bis zu 40 MHz.

Die Kalibrierung der Hydrofone wird in der Physikalisch Technischen Bundesanstalt in Braunschweig mit äußerster Präzision durchgeführt. Dadurch wird eine hohe gleichbleibende Qualität der Hydrofone gewährleistet.

Da unsere Membranhydrofone über eine hervorragende Stabilität verfügen, werden sie in einigen Mess- und Kalibrierlaboren als Referenzhydrofon zur sekundären Kalibrierung eingesetzt.

Messungen


Für die Messung von kurzen Ultraschallpulsen ist eine hohe Bandbreite des Hydrofons erforderlich, damit auch die vielfach höher harmonischen Signalanteile berücksichtigt werden können.

Ultraschall-Bursts mit geringer Schallintensität erfordern einen guten Signal-Rausch-Abstand des Hydrofons. Für die Beurteilung der Breite des Schallbündels fokussierter Ultraschallfelder ist eine hohe laterale Auflösung des Hydrofons erforderlich. Diese wird vor allem durch den effektiven Durchmesser der Sensorfläche bestimmt. In Verbindung mit unserem Schallfeldscanner kann die räumliche Verteilung der Schalldruckamplitude einer Schallquelle in allen 3 Raumdimensionen gemessen werden. Dies ist ein wichtiges Werkzeug bei der Entwicklung und Optimierung von Ultraschallsensoren sowohl für die medizinische Bildgebung als auch für den Einsatz in Materialprüfgeräten und Sensoren in Industrie und Technik.

Einsatz


Die Einsatzgebiete unserer Membranhydrofone erstrecken sich auf viele Bereiche aus Wissenschaft und Technik. So werden die Hydrofone an verschiedenen Universitäten und Hochschulen zur Entwicklung neuer Verfahren und Techniken der Ultraschallbildgebung und Sensorik eingesetzt. Namhafte Hersteller von Ultraschallsensoren für die medizinische Ultraschalldiagnostik verwenden unsere Hydrofone zur Überwachung von Qualitätsmerkmalen und zur Weiterentwicklung ihrer Ultraschallprodukte. Verschiedene nationale Institute für die Messung und Kalibrierung von physikalischen Größen verwenden die Membranhydrofone als Referenz für die sekundäre Kalibrierung anderer Messsysteme.

Durch die zunehmend von den Gesetzgebern geforderten Reglungen zur Deklaration und Begrenzung der von medizinischen Ultraschallgeräten abgegebenen Leistung (IEC61157) wird der Einsatz von Membranhydrofonen auch in der routinemäßigen Qualitätskontrolle und Konstanzprüfung in den medizinischen Einrichtungen eine wichtige Rolle spielen.

Da die speziellen Fragestellungen unserer Kunden oft nicht mit einem Hydrofon in der Standartbauweise lösbar sind, können auf Kundenwunsch auch besondere Vorgaben bezüglich der Bauform, Kabellängen, Steckverbinder oder der Umgebungsbedingungen berücksichtigt werden. Selbst spezielle Anforderungen an die Empfindlichkeit, die Spotgröße oder den Frequenzbereich können nach Absprache realisiert werden.

Zubehör


Das Membranhydrofon wird in einem robusten Kunststoffkoffer geliefert, so dass Beschädigungen der empfindlichen Membran und der Elektroden ausgeschlossen sind.

Für den Betrieb des Hydrofons steht eine separate Stromversorgung zur Verfügung. Die Messwertaufnahme erfolgt mit einem geeigneten Oszilloskop. Für den Anschluss an ein Oszilloskop ist ein geeigneter breitbandiger In-Line-Networktherminator (50 Ohm) erhältlich. Darüber hinaus bietet die Firma GAMPT eine Palette hochwertiger Messtechnik zur Ultraschallintensitätsmessung wie Schallfeldscanner, HITU-Hydrofon und Thermoakustische Sensoren an.

Technische Daten


Acoustic frequency range: 500 kHz to 90 MHz
Optional calibrated frequency range: 1 MHz to 40 MHz,
1 to 20 MHz,
0,5 to 5 MHz
Typical sensitivity: ≈ 8.16·10-8 V/Pa @ 5 MHz
Max. ultrasonic pressure: 10 MPa
Frequency response: ± 3 dB signal tolerance over 1-40 MHz
Effective diameter: < 250 µm
Polarity: noninverted
Output impedance: 50 Ohm
Membrane: 11 µm PVDF film
Housing dimension: 130 mm diameter
Membran area: 80 mm diameter
Distance membrane to housing: front side 6 mm,
back side: 9 mm (with screws)
Signal output: RG174 cable (50 Ohm), BNC connector
Power input: 3 pole diode connector +8..15 V / Ground / -8..15 V
Input current: ± 20 mA

Bestell-Nr.: SF100

Links & Downloads

· Prospekt "Membrane Hydrofone" (En)