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PHY
Artikel-Nr. VK-PHY20

PHY20 Bestimmung der Fokuszone

Charakterisierung der Schallfelder zweier Ultraschallsonden unterschiedlicher Frequenz durch Abtastung mit einem Hydrophon (Nahfeldlänge, Fokuszone, axiales Auflösungsvermögen)

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Gegenstand des Versuchs

Im Versuch werden zwei Ultraschallsonden unterschiedlicher Frequenz durch eine Abtastung ihrer Schallfelder mit einem Hydrofon in Bezug auf ihre Nahfeldlänge, die Fokuszone und das axiale Auflösungsvermögen charakterisiert.

Keywords: Schallgeschwindigkeit, Wellenlänge, Huygenssches Prinzip, Interferenz, Nahfeld, Fernfeld, Nahfeldlänge, Fokuszone, axiales Auflösungsvermögen, Hydrofon

Theoretische und praktische Aspekte zum Versuch

Ultraschallsonden zeigen in Abhängigkeit von ihrer Frequenz ein unterschiedliches axiales und laterales Auflösungsvermögen. Während das axiale Auflösungsvermögen durch die Frequenz der Ultraschallsonden limitiert wird, sind die laterale Auflösung sowie der Ort der Fokuszone durch die Geometrie der Schallfelder vorgegeben. Infolge von Interferenzen gemäß dem Huygensschen Prinzip entsteht an einer runden Ultraschallsonde ein Schallfeld, das in zwei Bereiche einteilbar ist: das Nahfeld, das komplizierte Verhältnisse mit starken Amplitudenmodulationen aufweist, und das Fernfeld, das sich als Schallbündel mit abfallender Amplitude darstellt. Die Nahfeldlänge ist als das letzte Maximum der Schalldruckamplitude auf der akustischen Achse definiert. Im Versuch werden für zwei Ultraschallsonden (1 MHz und 2 MHz) die Schalldruckamplituden entlang der Schallausbreitungsachse mit einem Hydrofon gemessen. Aus den Messkurven werden die Fokuszonen der Sonden bestimmt und mit den theoretisch aus den Radien der Wandlerkeramiken und der Wellenlängen der Ultraschallfrequenzen berechenbaren Werten für die Nahfeldlänge verglichen.

Ergebnis

Die berechneten Nahfeldlängen bei einer gemessenen Schallgeschwindigkeit in Wasser von 1477,64 m/s (18,5 °C) betragen 43,3 mm (1 MHz) und 86,6 mm (2 MHz). Die aus den Messkurven ermittelten Werte für die Maxima der Signalamplituden betragen ca. 30 mm (1 MHz) und 100 mm (2 MHz). Exaktere Ergebnisse sind auf Grund des relativ einfachen Versuchsaufbaus kaum zu erwarten. Allerdings zeigen die Messungen, dass die Fokuszone der 2-MHz-Sonde deutlich weiter von der Sonde entfernt liegt. Zur Abschätzung des Fokusbereiches einer Sonde sind die Messungen also durchaus ausreichend.

Amplitude-Abstand-Diagramm

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