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SF310 Thermoakustischer Sensor

Einführung


Die Messung der abgegebenen Schallleistung von Ultraschallgeräten und -sensoren erfolgt im allgemeinen mit Hilfe von Ultraschallhydrophonen. Derartige Messungen bilden die Grundlage für die Beurteilung der Patientensicherheit und der Qualitätssicherung medizinischer Ultraschallgeräte und sind für die Entwicklung und Produktion leistungsfähiger Ultraschallsonden unerlässlich. Insbesondere müssen die maximalen Schallintensitäten von diagnostischen Ultraschallgeräten entsprechend der Norm IEC 61157 von den Herstellern gemessen und deklariert werden. Allerdings gestalten sich Ultraschallintensitätsmessungen auf Grund der oft äußerst sensiblen Messmethoden mittels Hydrophonen sehr kostenintensiv und zeitaufwendig.

Eine einfach zu handhabende und vor allem preiswerte Alternative stellen die Thermoakustischen Sensoren der Firma GAMPT dar. Die Messung der Schallintensität beruht hier auf der Umwandlung der Schallenergie in Wärme im Inneren eines sehr kleinen akustischen Absorbers. Dessen Temperaturänderung wird hochauflösend gemessen. Durch die Auswahl verschiedener Absorber kann der Sensor an den jeweiligen Messbereich angepasst werden.

Beschreibung


Die Thermoakustische Sensoren bestehen aus einem robusten Edelstahlgehäuse in deren Innerem sich ein sehr kleiner akustischer Absorber befindet. Der Absorber ist thermisch vom Gehäuse isoliert. An seiner Stirnseite befindet sich eine kleine Schalleintrittsfläche mit 0,5 mm Durchmesser. Dadurch wird eine hohe Ortsauflösung des Sensors erreicht. Auf der Rückseite des Absorbers befindet sich ein Thermosensor mit dessen Hilfe die Erwärmung des Absorbers während der Beschallung gemessen wird.

Um den Einfluss der Umgebungstemperatur zu minimieren, ist eine Temperaturkompensation im Kopf der Sonde integriert. Mit Hilfe des Messverstärkers wird die Temperaturänderung im Sensor in einen einfachen Spannungswert umgewandelt, der z. B. mit einem Multimeter erfasst werden kann.

Vorteile der Thermoakustischen Sensoren


Die kompakte und robuste Bauweise des Sensors, die einfache und schnelle Handhabung, und die verschiedenen Empfindlichkeitsbereiche prädestinieren den Thermoakustischen Sensor insbesondere für den Einsatz in der Qualitätssicherung und Konstanzprüfung von Ultraschallgeräten in der medizinischen Diagnostik und Therapie bis hin zum Einsatz zur Vermessung von HITU-Geräten (High Intensity Terapeutic Ultrasound).

Moderne Ultraschallgeräte, wie sie beispielsweise in der bildgebenden Diagnostik eingesetzt werden, verwenden meist sehr komplexe Pulssequenzen zur Ansteuerung der Ultraschallsensoren. Die Synchronisation der Intensitätsmessung ist damit oft ein technische schwieriges bisweilen sogar unlösbares Problem. Beim Thermoakustischen Sensor hingegen ist eine Synchronisation nicht erforderlich, da die zeitliche Mittelung über alle Schallereignisse bereits im Sensor erfolgt. Der Sensor liefert also stets die lokale zeitlich gemittelte Schallintensität der betreffenden Messstelle.

Durch die Variation der akustischen Absorber im Inneren der Sensoren kann die Empfindlichkeit des Sensors an die Messaufgaben angepasst werden.

Derzeit stehen 3 Empfindlichkeitsbereiche zur Verfügung. Die empfindlichsten Sensoren (0,5-1nbsp;W/cm²) sind für Ultraschallgeräte mit sehr geringen Schallintensitäten wie sie z. B. in der medizinischen Diagnostik oder in der zerstörungsfreien Prüfung (ZfP, NDT) eingesetzt werden, geeignet. Die mittlere Empfindlichkeitsstufe (1-10 W/cm²) wurde für den Einsatz bei Ultraschalltherapiegeräten entwickelt. Die niedrigste Empfindlichkeitsstufe reicht weit in den Messbereich der HITU-Sensoren (< 100 W/cm²) hinein und wird nach oben eher durch das Auftreten von Kavitationen und der mechanischen Stabilität der Sensorhalterungen begrenzt.

Der Thermoakustische Sensor ist jederzeit sofort einsatzbereit. Die Verwendung von deionisiertem Wasser als Messmedium ist nicht erforderlich. Damit ist vor allem eine Konstanzprüfung von Ultraschallgeräten vor Ort und mit geringem Zeitaufwand möglich.

Kalibrierung


Die Kalibrierung der Thermoakustischen Sensoren erfolgt für ausgewählte Frequenzen mit Hilfe eines Referenz-Membranhydrofons der Firma GAMPT. Die Referenzhydrophone haben den gleichen effektiven Durchmesser wie die Thermoakustischen Sensoren und ermöglichen damit einen direkten Vergleich der Messwerte. Sie werden in der Physikalisch Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig über einen weiten Frequenzbereich kalibriert und können dann als Referenzmesssystem für sekundäre Kalibrierungen verwendet werden.

Messungen


Die Thermoakustischen Sensoren werden analog zu den Messungen mit Membran- oder Spitzenhydrophonen eingesetzt. So können die lokalen Intensitäten einer Schallquelle als Einzelwerte, Linienscans oder Feldverteilungen bestimmt werden.

Da Thermosensoren eine gewisse Ansprechzeit haben, muss an jedem Messpunkt das Erreichen des Gleichgewichtswertes abgewartet werden. Die Thermoakustischen Sensoren der Firma GAMPT zeichnen sich durch sehr kurze Ansprechzeiten unterhalb von 30 s aus. Damit bleiben die Messzeiten auch bei größeren Datenfelder durchaus im vertretbaren Bereichen.

Für ortsauflösende Messungen ist die Schalleintrittsfläche mit 0,5 mm Durchmesser hinreichend klein um die Intensitätsverteilung von Ultraschallsonden zu charakterisieren.

Messungen horizontal und vertikal zur Schallausbreitungsrichtung zeigen die Hauptschallkeule mit ihren Nebenmaxima und die Modulationen der Intensität entlang der Ausbreitungsachse bis zum Ende der Nahfeldlänge des Schallwandlers.

Für die Messungen sind vor allem die kleinen Abmessungen des Sensors von Vorteil, so dass keine großdimensionierten Wasserbecken erforderlich sind.

Für das komplette Abrastern eines Schallfeldes empfiehlt es sich unseren Schallfeldscanner SFS-3 zu verwenden. Damit lassen sich die verschiedenen Dimensionen des Scannbereichs, die Ortsauflösung und die für die Verwendung des Thermoakustischen Sensors spezifischen Parameter wie die Anstiegszeit sehr einfach realisieren.

Einsatz


Die Thermoakustischen Sensoren werden vor allem für Messungen verwendet, bei denen die Schalldruckamplituden nicht analysiert werden müssen. Vor allem, wenn aus technischen Gründen eine Triggerung auf das Messsignal nicht möglich ist, oder die Schallabgabe als mittlere Intensitäten gemessen werden sollen, liefern die Thermoakustischen Sensoren hervorragende Ergebnisse. Darüber hinaus ist der Einsatz der Sensoren überaus schnell, einfach und kostengünstig. So können Messungen zur Qualitätssicherung und Konstanzprüfung von Ultraschallquellen auch in Einrichtungen durchgeführt werden, die nicht über technische Ausrüstung von Ultraschallprüflaboren verfügen, wie z. B. Kliniken, physiotherapeutische Praxen oder Ingenieurtechnische Büros der zerstörungsfreien Prüfung.

Zubehör


Die Thermoakustischen Sensoren können als einzelne Ultraschallaufnehmer zum Anschluss an eine Referenzspannungsquelle und ein Digitalvoltmeter verwendet werden. Für die Bestimmung von Intensitätsverteilungen einer Ultraschallquelle steht der Schallfeldscanner der Firma GAMPT mit einer Steuereinheit mit der entsprechenden Software, einer passenden Messwanne und falls erforderlich einer Absorbermatte zur Verfügung.

Technische Daten


Acoustic frequency range: 100 kHz to 20 MHz
Optional calibrated frequency range: 0.1 MHz to 20 MHz
Measurement range: 0.01-0.1 W/cm²,
0.1-10 W/cm²,
<10 W/cm²
Max. ultrasonic pressure: > 100 MPa
Aktive area: ≈ 0,2 mm²
Spatial resolution: 500 µm
Output impedance: 10 kOhm
Reference voltage: +5V DC
Connector: 5 pole diode connector, output / reference voltage / GND
Housing dimension: 8 mm diameter,
16 mm length
Measurement amplifier: 80 mm × 107 mm × 140 mm
Signal outputs: ± 10V DC,
USB,
AFC for PC audio line in
Power input: 100-240 V AC / 50-60 Hz
Power consumtion: < 20 W 

Bestell-Nr.: SF310

Links & Downloads

· Prospekt
"Thermo-Acoustic Sensor" (En)