| Welche Meßwerte brauchen Sie? Wie und wo mißt man diese Werte? Wie können Sie die Schalleistungswerte beeinflussen? Welche nützlichen Zusatzinformationen gewinnen Sie? |
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Die Grenzwerte der IEC 1157 für Akustische Größen
Nach IEC 1157 wird ein Hersteller zu der umfangreichen und aufwendigen Deklaration aller physikalischen Schallfeldgrößen verpflichtet, wenn eine Geräte-Schallkopfkombination in nur einem Betriebsmodus einen der folgenden Grenzwerte überschreitet:
Neg. Spitzenschalldruck: p- 1 MPa
Räumlich maximale, zeitlich gemittelte, abgeleitete Intensität: Ispta 100mW/cm²
Ausgangsintensität des Bündels: Iob 20 mW/cm²
Weiterhin steht zu vermuten, daß im Zuge der Normenmodifikation eine zusätzliche Größe von Interesse sein wird: die zeitlich gemittelte Gesamtleistung des Schallfeldes:
P ges 10 J/min
Der innere Zusammenhang dieser Parameter
Mit Messungen in einem Schallfeldmeßplatz (z.B.: Hydrophon-gestützt) lassen sich die o.g. deklarationswichtigen Parameter bestimmen. Sie können dabei aus dem zeitabhängigen Hydrophonsignal, das dem Druckamplitudenverlauf proportional ist, abgeleitet werden.
Bei der Berechung der Werte wird den Definitionen in den Normen [IEC1157] und [IEC1102] gefolgt.
Der zeitabhängige Schalldruck ist dann
Aus dem ortsabhängigen Schalldruckverlauf lassen sich als Extremwerte direkt der positive Spitzenschalldruck
,
der negative Spitzenschalldruck
und die maximale Schalldruckschwankung rechnerisch ermitteln:
.
Die örtliche Intensität I(t) einer Schallwelle ist dem Produkt von Druckverlauf p(t) und Schallschnelle v(t) (das ist die schallabhängige Geschwindigkeit der Materie) proportional. Für näherungsweise ebene Wellen (insbesondere im Fernfeld des Schwingers) ist wiederum die Schallschnelle dem Druckverlauf proportional, so daß sich daraus eine quadratische Beziehung für die Intensität ergibt.
Der zeitliche Spitzenwert der Intensität für einen einzelnen Puls kann also bei bekannter Dichte und Schallgeschwindigkeit c des Wassers aus dem maximalen Hydrophonsignal ermittelt werden nach:
.
Durch Einsetzen eines zeitlich integrierten Drucksignals und Aufsummierung über die Zahl der Pulse pro Sekunde (PRR/FR) erhält man dann auch die von der Norm geforderten zeitlich gemittelten, abgeleiteten Intensitätswerte, die Ispta:
Durch Integration des Quadrats des Schalldrucks über z.B. die Pulslänge erhält man die Energiedichte pro Puls, das ist das zeitabhängige Integral des quadrierten Schalldrucks (in der engl. Literatur oft als "Pulse Squared Integral" PSI" bezeichnet, laut
Norm die Größe pi gemäß IEC 1157, Zif. 3.35 bzw. IEC 1102, Zif. 3.33): 
Die Pulsdauer wird nach den Vorgaben der IEC-Norm aus den 10% und 90% Zeitpunkten von E(t) bestimmt
.
Die Integration über der lokalen Intensitätswerte über die gesamte Schallbündelfläche ergibt dann die vom Schallkopf abgegebene Gesamtleistung Pges im Schallfeld.
Um den Deklarationswert "Intensität des Ausgangsbündels" Iob zu erhalten, muß nach der Norm das Maximum der zeitlich gemittelten Gesamtleistung Pges auf die akustische Austrittsfläche Ab direkt an der Austrittsfläche des Wandlers bezogen werden. Diese Austrittsfläche Ab wird wiederum mit einem Hydrophon-Flächenscan direkt vor dem Schallkopf bestimmt.
Es gilt dann:
Iob = Pges/Ab.
Welche Konsequenzen hat das für die
Messungen, welche Meßdaten werden im einzelnen gebraucht?
1.) Aus dem Schallfeld:
- die kompletten Drucktransienten der Pulse.
- die Bündelfläche Ab im Fokus.
- die Fläche A des Ausgangsbündels direkt
vor dem Wandler.
- die Schallspitzendruckwerte (neg. und pos.).
2.) Über das Prüflingsgerät:
- die Maximalwerte der Puls Repetitionsrate (PRR) und ggfs. die PRR, bei der die Ispta das Maximum erreicht.
- Aus diesen Meßdaten, basierend auf den Drucktransienten p(t), können dann wie oben beschrieben das Maximum der zeitlich gemittelten Gesamtleistung Pges, die Ausgangsintensität des Bündels Iob, der max. Neg. Spitzenschalldruck p_ und die Ispta errechnet werden.
Wo mißt man diese Werte?
In Europa gibt es mehrere Institutionen, die über die geeigneten Meßeinrichtungen verfügen. Dazu gehören große, meist auf verschiedenen Gebieten tätige Institute wie die PTB in Braunschweig, die TNO in Holland, das NPL in UK, aber auch wenige kleinere spezialisierte Institutionen wie die TIMUG e.V. und das FhG-IBMT in St.Ingbert.
Zu den Adressen und genaueren Einzelinformationen verweisen wir auf den Adressenteil in unseren "Gelben TIMUG-Ultraschallseiten" (können bei der TIMUG bestellt werden).
Wie mißt man diese Werte?
Es lassen sich zwei prinzipielle Wege unterscheiden:
a) Messung mit räumlich und zeitlich integrierenden Verfahren, dazu zählen z.B. die Schallstrahlungskraftwaage und thermoakustische Verfahren.
b) punktförmige, feinrasterbare Hochfrequenzmessungen des zeitlichen Verlaufes der Schalldruckamplituden mit Hydrophonen.
Worin unterscheiden sich die beiden Wege?
Die Methoden unter a) lassen eine schnelle genaue Bestimmung der Gesamtleistung Pges des vom Wandler abgegebenen Schalls jeweils über das gesamte Abstrahlungsvolumen zu. Intensitätswerte können damit nur dann abgeschätzt werden, wenn auf anderem Wege die aktive Schallwandlerfläche A und die Bündelbreiten z.B. im Fokus bestimmt worden sind.
Druckamplituden, also auch der "Neg. Spitzenschalldruck p_" können damit nicht bestimmt werden.
Die integrierenden Meßverfahren sind zur Ermittlung aller notwendigen Parameter nicht ausreichend.
Beim Verfahren unter b) kommen sog. Hydrophone zum Einsatz.
In einem wählbaren Volumen vor dem zu prüfenden Wandler werden zahlreiche Punktmessungen durchgeführt, die später rechnerisch zum Schallfeldprofil (Richtcharakteristik) zusammengesetzt und ausgewertet werden. Hierbei wird Punkt für Punkt die maximale Information aus dem Schallfeld gewonnen, und es können alle o.g. Meßwerte daraus gewonnen werden, insbesondere auch die für die Intensitätsangaben notwendigen Bündelflächen im Fokus und die aktive Wandlerfläche A.
Die Schallfeldmessung mit Hydrophonen umfaßt also bezüglich des Informationsgehaltes auch die Aussagen, die mit den integrierenden Verfahren gewonnen werden können.
Sie beansprucht zwar mehr Zeit, was aber durch die weitgehende Automatisierung des Meßlaufs teilweise ausgeglichen werden kann.
Die Hydrophon-Schallfeldmessung ist u.E. die Methode der Wahl. Um Ihnen das Verfahren etwas vertrauter zu machen, möchten wir hier nachfolgend das Vorgehen in einzelnen Punkten ausführlicher schildern.
Triggerung und prinzipieller Ablauf einer Messung im Schallfeldmeßplatz
Nach der Justierung von Hydrophon und Schallkopf auf einer Achse im Wasserbecken wird das Hydrophon auf einem kartesischen Raster von Meßpunkt zu Meßpunkt gefahren und jede einzelne Drucktransiente abgespeichert.
Mit Hilfe der Schallgeschwindigkeit in Wasser kann aus dem Abstand zwischen Schallkopf und Hydrophon die Laufzeit errechnet werden, um die verzögert der Schall am Hydrophon eintrifft. Man spricht daher auch von der Verzögerungszeit.
Um die Drucksignale p(t) am Hydrophon zum richtigen Zeitpunkt digitalisieren zu können, muß die Meßelektronik den Zeitpunkt kennen, zu dem der Schallpuls das Hydrophon erreicht. Dazu muß zusätzlich zur "Verzögerungszeit" der Startzeitpunkt am Schallkopf bekannt sein. Wenn am Prüflingsgerät keine Ausführung für den Sendepulstrigger vorhanden ist, muß im Meßlabor über Induktionsschleifen am Sendekabel oder einen Hilfssensor ein Ersatzsendetrigger künstlich gewonnen werden.
Die Ausstattung mit einem Sendetriggerausgang erleichtert die Prüfung im Schallfeldmeßplatz erheblich.
Dieser Trigger wird dann als Startzeitpunktgeber für den Schallpuls an der Schallkopffläche verwendet.
Die Position des Hydrophons nach der Justierung wird in der Regel als Mittelpunkt des Meßrasters gewählt. Die vorgewählte Anzahl von Messungen wird digitalisiert, gemittelt und im PC abgespeichert. Aus diesen Signalen werden rechnerisch entsprechend den Vorgaben der Normen die Parameter wie Druckmaximum, Energie, Mittenfrequenz und Bandbreite extrahiert.
Eine etwas komplexere Vorgehensweise ist bei moderneren Array-Schallköpfen erforderlich, insbesondere, wenn diese mit einem Digital-Beamformer ausgestattet sind.
Pulsrepetitionsraten moderner Ultraschalldiagnostikgeräte
Die Pulsrepetitionsrate PRR ist die Anzahl der abgegebenen Schallpulse pro Sekunde.
Die Kenntnis der PRR/FR ist zur Bestimmung der zeitlich gemittelten Intensitäten und Leistungen notwendig.
Zur Angabe der von den Normen geforderten Maximalwerte und der Abschätzung der maximal möglichen Temperaturerhöhungen ist es notwendig, die maximale PRR (bei Mehrelementewandlern die Wiederholrate des Gesamtbildaufbaues FR) zu bestimmen und mit dieser die Messungen durchzuführen.
Oft ist die PRR nicht konstant, sondern hängt von einer Vielzahl von Betriebseinstellungen ab.
Ein Beispiel: bei automatischen Meßsystemen, wie sie z.B. zur Biometrie verwendet werden, wird die PRR oft selbsttätig vom Rechner in Abhängigkeit von den Eigenschaften der empfangenen Echos variiert.
Wenn diese Eigenschaften nicht dokumentiert sind, muß sie das Prüflabor, um die Messungen normgemäß durchführen zu können, erst in aufwendigen Voruntersuchungen ergründen. Die bei den Messungen festgestellten Zusammenhänge sind zum Teil unerwartet und meist nicht ohne weiteres zu erahnen.
Daher muß im wesentlichen empirisch bzw. experimentell an der individuellen Geräte-Schallkopfkombination ermittelt werden, welche Bedingungen die maximal mögliche PRR bedeuten. Weil außerdem der Abstand zwischen den Pulsen oft nicht konstant ist, empfiehlt sich die Messung mit digitalen Zählern. Da manche Geräte auch noch das Schaltverhältnis variieren, z.B. Pulspakete mit kurzem Abstand und längeren Pausen dazwischen abgeben, ist das Abzählen der Periode auf dem Oszilloskop nicht ausreichend.
Um den Aufwand zur Ermittlung der Betriebsmoden mit den maximalen PRR vor den eigentlichen Messungen möglichst gering zu halten, ist es unbedingt wünschenswert, von dem Hersteller möglichst vollständige Informationen über die Abhängigkeit der PRR/FR von den verschiedenen Betriebsmoden zur Verfügung gestellt zu bekommen.
Der "negative Spitzenschalldruck" oder maximaler Unterdruckwert p_
Deklarationsgrenzwert nach IEC1157: 1000 [kPa].
Der einzelne p_ Wert kann direkt aus einer aufgenommenen Drucktransiente entnommen werden: als der größte Unterdruckwert des gesamten einzelnen Pulses. Den maximalen Unterdruckwert im gesamten Schallfeld zu finden, erfordert jedoch einen sehr feingerastereten, zeitaufwendigen Scan eines größeren Volumens. Dies ist besonders deshalb wichtig, da nicht notwendigerweise davon ausgegangen werden kann, daß der Ort des maximalen p_-Wertes mit dem Ort der maximalen Intensität (i.e. im Fokus) zusammen fällt.
Der p_-Wert ist im Rahmen der Geräteentwicklung- und modifikation vor allem über die elektrische Anregungsspannung für den Wandler beeinflussbar.
Die räumlich maximale, zeitlich gemittelte
abgeleitete Intensität Ist pa.
Grenzwert: 100 mW/cm²
Zum physikalischen Zusammenhang der Istpa als solcher sei hier nochmal auf die oben genannten Fakten verwiesen:
Zur Berechnung wird neben dem zeitlichen Druckverlauf (genauer: das zeitliche Integral über den quadrierten Druckverlauf während der Dauer des Pulses) auch die Pulsrepetionsrate PRR bzw. im Falle eines Array-Wandlers die Wiederholungsrate des Gesamtbildaufbaus FR (Frame Rate) für die Ansteuerung des gesamten Arrays verwendet.
Die PRR- und FR-Werte müssen mittels elektronischer Zähler vor den Hydrophonmessungen festgestellt und als Berechnungsvorgaben in die Datenmaske des Meßlaufs mit eingegeben werden. Im Falle eines Statischen Dopplers ist statt der FR die Pulsrepititionsrate (PRR) zu verwenden, weil hier natürlich jeder Schallpuls auf den gleichen Ort im Raum trifft.
Es sei nochmal angemerkt, daß die ermittelten Intensitätswerte prinzipiell einer gewissen Unsicherheit unterliegen, die meßphysikalisch begründet ist: Zum einen haben piezoelektrische Hydrophone zusammen mit der angeschlossenen Verstärkerelektronik eine begrenzte andbreite; hierdurch können aufgesteilte Transientenflanken unterschätzt werden, was sich auch auf den PSI-Wert auswirkt. Zum anderen die endliche Hydrophonfläche - und sei sie auch wie beim UltrasoundBeamCalibrator (NPL) nur 0,25mm² - eine räumliche Integration der Drücke, was bei hohen (räumlichen) Druckgradienten , also kleinen Strahldurchmessern und starker Fokussierung ebenfalls zu einer Druck- rsp. Intensitätsunterschätzung führen kann. Diese Unsicherheiten werden jedoch normgemäß zu Gunsten des Prüflings gewertet und sind letzlich derart, daß die tatsächlich angegebenen Werte jeweils eine recht sichere untere Grenze darstellen.
Veränderung der PRR bzw. FR. Änderung der elektr. Anregungsspannung. Wahl stärker absorbierender Vorlaufstrecken.
Die Intensität des Ausgangsbündels Iob und die Gesamtleistung Pges
Deklarationsgrenzwert nach IEC1157:
Iob 20 [mW/cm2], Pges 20 [J/min].
(Umrechung 20 J/min = 333 mW)
Der Pges-Grenzwert könnte nach dem derzeitigen Stand der Diskussion demnächst bei < 10J/min liegen.
Die Iob ist definiert als der Quotient aus Gesamtleistung zu Bündelsaustrittsfläche; letztere wiederum ist als die Fläche definiert, bei der die Intensität des Schallfeldes um 6dB relativ zum Maximalwert abgefallen ist,und zwar direkt vor dem Schallkopf gemessen (vgl. IEC 1157).
Diese -6[dB]-Fläche (aktive Schallbündelaustrittsfläche) läßt sich mit einer Messung im Schallfeldmeßplatz relativ einfach mit einem automatischen Flächenscan direkt vor dem Schallkopf bestimmen.
Zur Iob-Bestimmung ist das Ermitteln der Gesamtleistung Pges notwendig, die auch mit zeitlich und räumlich integrierenden Verfahren bestimmt werden kann.
Da aber Hydrophonmessungen im Schallfeldmeßplatz einerseits wegen der notwendigen Bündelflächenbestimmung und der zusätzlichen, in der Qualitätssicherung und im Wettbewerb nutzbaren Zusatzaussagen ohnehin die Methode der Wahl ist, bietet sich dabei die integrierte Pges-Bestimmung als sinnvoll an:
Hat man einen xy-Scan (i.e. Fläche senkrecht zur Ausbreitungsrichtung) der Schallfeldintensität vorliegen, so ergibt eine einfache Integration der Einzelintensitäten über die Meßfläche die Gesamtleistung. Solche xy-Scans sind zwar mit Zeitaufwand verbunden, aber sie können automatisiert durchgeführt werden.
Ist das Bündelprofil rotationssymmetrisch zur Schallausbreitungsrichtung, so ist dies meßtechnisch eine recht genaue Vorgehensweise.
Auf folgende Einschränkungen muß aber hingewiesen werden:
Zunächst kann man a priori nicht von einem rotationssymmetrischen Schallfeldquerschnitt ausgehen, insbesondere nicht bei dynamisch fokussierenden Schallköpfen. Da nämlich die dynamische Fokussierung gemeinhin nur in einer Dimension ausgeführt wird, weist das Schallfeld oft einen starken "Astigmatismus" auf. Hinweise auf dieses geben all diejenigen x-Scans, welche bei demselben Puls im Nahfeld ähnlich hohe Intensitäten aber viel breitere Feldquerschnitte zeigen als im Fokus: Dazu trägt auch die Schallabsorption in Wasser bei, die sich bei Druckaufteilung im Fokus aufgrund ihrer quadratischen Abhängigkeit von der Frequenz besonders bemerkbar macht (s. R.Preston: Output Measurements For Medical Ultrasound;p.26).
Außerdem sei erwähnt, daß gerade im Fokus Phased-Array-Systeme zumindest theoretisch [vgl. Ultrasonic Imaging, Vol. 2, 1980, p 338-369] nicht zu unterschätzende Nebenkeulen (Aufreten von Doppel- und Geisterbildern) aufweisen. Um dies in die Berechnung und Bewertung mit einzubeziehen, sind besonders großflächige Scans von Nöten.
Relative Größenänderung der Austrittsflächen durch Einbau oder Veränderung der Vorlaufstrecken.