Der höherfrequente Schall, der dem menschlichen Gehörsinn nicht mehr zugänglich ist, wird gemeinhin als „Ultraschall“ bezeichnet. Dieser umfasst üblicherweise das akustische Spektrum ab 20 kHz bis etwa 1 GHz. Darüber hinaus spricht man auch von Hyperschall.
Mit optischer Messtechnik lässt sich Ultraschall jedoch sichtbar machen. Laser-Doppler-Vibrometer (LDV) von Polytec ermöglichen genau das.
Um das Wirkprinzip hinter dieser „audio-visuellen Transduktion“ nachzuvollziehen, ist es notwendig, das Funktionsprinzip der LDV zu verstehen. Es handelt sich hierbei um ein sogenanntes heterodynes Laser-Interferometer, welches in Abb. 1 beispielhaft mit einer Helium-Neon-Laserquelle (633 nm Wellenlänge, rot) skizziert ist.
Dabei wird ein Laserstrahl mithilfe eines Beamsplitters in einen Mess- und Referenzstrahl aufgeteilt. Die Frequenz des Referenzstrahls wird beim Durchtritt durch einen akustooptischen Modulator (AOM, auch Bragg-Zelle genannt) um einen genau definierten Wert erhöht.
Die Frequenzverschiebung beträgt nur etwa 40 MHz und ist daher in Anbetracht der Grundfrequenz des Lasers (z.B. 474 THz für rote Helium-Neon-Laser) nur minimal. Dennoch wird zur besseren Visualisierung der Referenzstrahl in der Abbildung gelb dargestellt.
Der Messstrahl hingegen tritt durch eine Linse aus dem LDV-Messkopf aus und das vom Messobjekt reflektierte Signal (grün) wird wieder eingefangen und über zwei weitere als Spiegel fungierende Beamsplitter zusammen mit dem Referenzstrahl auf eine Photodiode geleitet. Das dort resultierende Interferenzmuster zweier nur minimal verschieden frequenter Wellen erzeugt eine Schwebung mit einer langsam oszillierenden Amplitude. Dieses als Helligkeitsschwankung wahrnehmbare Signal kann die Photodiode relativ einfach auflösen. Im statischen Fall, bei dem sich das Messobjekt in Ruhe befindet, entspricht die gemessene Frequenz dann genau der Hälfte des von der Bragg-Zelle eingeführten Frequenzunterschieds (20 MHz).
In der konventionellen Betriebsweise des Vibrometers (s. Abb. 2) wird der Messstrahl an einem bewegten Objekt reflektiert und daher gemäß dem optischen Doppler-Effekt in seiner Frequenz verändert – je schneller sich der Reflektor in Richtung Linse bewegt, desto größer wird die Frequenz des reflektierten Strahls. Dadurch verringert sich der Frequenzunterschied zum Referenzstrahl und die Helligkeitsschwankung an der Photodiode wird langsamer. Umgekehrt bewirkt ein sich von der Linse entfernender Reflektor einen schnelleren Helligkeitswechsel. Schließlich äußert sich bei einem oszillierenden Reflektor dessen Frequenz in einem stetigen Wechsel aus langsamer und schneller werdender Schwebung. Daraus lässt sich auf die Stärke der mechanischen Schwingung bzw. der Reflektor-Vibration schließen.
Abb. 2 | Laser-Doppler-Vibrometer: Konventionelle Betriebsweise (links) und Refrakto-Vibrometrie (rechts)
In der zur Visualisierung von Ultraschall verwendeten Betriebsweise des Vibrometers verbleibt der Reflektor hingegen in Ruhe. Jedoch durchläuft den lufterfüllten Raum zwischen Linse und Reflektor eine kontinuierliche Schallwelle. Die Lichtgeschwindigkeit ist im Allgemeinen dichteabhängig. Da Schall mit periodischen Dichteschwankungen einhergeht, benötigt der Messstrahl für den geometrisch konstanten Abstand zwischen Linse und Reflektor eine vom Schalldruck abhängige Laufzeit. Da sowohl Mess- als auch Referenzstrahl dieselbe zeitliche Basis aufweisen (d. h. zueinander kohärent sind), bewirkt die Laufzeitveränderung eine periodische Phasenverschiebung, die mathematisch denselben Effekt auf das Schwebungssignal hat wie in der konventionellen Betriebsweise. Daher spricht man hier auch von einem „virtuellen Dopplereffekt“, da das LDV trotz unbewegtem Reflektor eine Schwingung aus dem Signal interpretiert.
Aufgrund des Zusammenhangs zwischen Dichte und Brechungsindex sowie der scheinbaren Vibration des Reflektors durch den sich darüber ausbreitenden Schall, bezeichnet man diese Betriebsweise des Interferometers als „Refrakto-Vibrometrie“. Nutzt man nun ein Scanning-LDV, dann kann man hiermit schließlich ganze Schallfelder visualisieren.
In den Laboren der OTH Regensburg untersuchten Forschende die Abstrahlcharakteristik kapazitiver Ultraschallwandler (CMUTs) mithilfe eines Polytec Scanning-Vibrometers.
CMUTs als mikromechanische Bauteile werden seit vielen Jahren insbesondere für den medizinischen Einsatz in der Ultraschall-Bildgebung erforscht. Darüber hinaus halten sie zunehmend auch Einzug in andere diagnostische und therapeutische sowie nicht-medizinische Anwendungen. Die OTH Regensburg fokussiert sich hier primär auf deren Gebrauch im Bereich des luftgebundenen Ultraschalls, beispielsweise als Sensorelement für einen Durchflussmesser.
Aufgrund ihrer inhärent geringen Anfälligkeit für durch Körperschall induzierten Crosstalk eignen sich CMUTs besonders für die dichte Integration mehrerer Elemente auf einem einzelnen Mikrochip. Eine solche Array-Struktur aus unabhängig adressierbaren Sendern ermöglicht somit das sogenannte akustische Beamforming – also die elektronisch gesteuerte Manipulation der Abstrahlrichtung des Schalls. Zahlreiche Anwendungen profitieren dadurch maßgeblich von einer erhöhten Sensitivität der CMUTs oder werden überhaupt erst umsetzbar.
Zur Verifikation der Leistungsfähigkeit ist es notwendig, eine hochauflösende Darstellung des Schallfelds eines CMUTs mit verschiedenen Beamforming-Winkeln aufzunehmen. Hierzu wurden mehrere Wandler mit Frequenzen im Bereich zwischen 200 und 400 kHz bezüglich ihrer Abstrahlcharakteristik evaluiert. Mithilfe der Refrakto-Vibrometrie konnten komplette Schallfelder wesentlich schneller abgetastet werden als über eine mechanisch verfahrbare Mikrofon-Sonde. Dabei stellt insbesondere das Intensitätsverhältnis von Haupt- zu Nebenkeulen eine wichtige Kennzahl für die Beamforming-Güte dar.
Ein exemplarischer CMUT (a) mit einer Mittenfrequenz von 266 kHz (entspricht einer Wellenlänge in Luft unter Normbedingungen von 1,29 mm) wurde hierfür wie in Abb. 3 unter einem LDV-Messkopf (b) an einer Justage-Vorrichtung (c) mit ruhendem Reflektor (d) fixiert.
Nach Anregung des CMUTs durchläuft der auf einen Punkt fokussierte Messstrahl zweimal das Schallfeld. Die schallinduzierte lokale Druckschwankung verändert die Laufzeit des Laserstrahls nur minimal. Dies reicht aber aus, um eine interferometrische Veränderung im Messkopf festzustellen. Nach Einrichtung der Messung erfasst das Polytec Scanning-Vibrometer das zweidimensionale Schallfeld vollautomatisch.
Eine Auswahl der Ergebnisse ist in Abb. 4 dargestellt. Die Schallfelder stellen jeweils eine Art „Snapshot“ der Druckverteilung zu einem bestimmten Zeitpunkt dar.
In der ersten Aufnahme (a) wurde ein einzelnes CMUT-Element angeregt. Aufgrund dessen Größenordnung, die kleiner als die Wellenlänge des Schalls ist, sieht man die typische Abstrahlcharakteristik eines Punktstrahlers. Die Aufnahmen (b)-(d) zeigen hingegen den Betrieb des vollständigen Ultraschallwandler-Arrays mit verschiedenen anvisierten Beamsteering-Winkeln. Dabei lassen sich sehr deutlich die jeweiligen Hauptkeulen in entsprechender Wunschrichtung sowie zugehörige Gitter- und Nebenkeulen identifizieren.
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass Refrakto-Vibrometrie eine sehr präzise und vor allem schnelle Methode zur Charakterisierung von Ultraschallwandlern darstellt, insbesondere für kleine Schallfelder (< 5 x 5 cm²) und für Wellenlängen größer als die Spotgröße des Lasers im Fokus. Perspektivisch eröffnet die Methode damit auch Möglichkeiten für eine automatisierte akustische Prüfung in der Serienproduktion von Ultraschallwandlern.
