DE3802024A1 - Sondenhydrophon - Google Patents

Description

Sondenhydrophone dienen der Untersuchung und Charakterisierung von Wasserschallsignalen, z.B. Ultraschallimpulsen oder auch Stoßwellen nach ihrem raumzeitlichen Verlauf. Bekannt sind ins­ besondere piezoelektrische Sondenhydrophone unter Verwendung von kristallinen, keramischen oder polymeren Piezoelektrika, wobei das empfindliche Element Flächen- oder auch Kugelschalenform besitzt und sich am Ende einer in der Regel koaxialen elektri­ schen Zuleitung befindet. Eine Beschreibung der neueren Entwick­ lungen auf diesem Gebiet findet sich in der Zeitschrift Acustica 54, S. 23, 1983.

Das Ziel bei der Entwicklung von Sondenhydrophonen ist eine mög­ lichst fehler- bzw. rückwirkungsfreie und empfindliche Wieder­ gabe der akustischen Signale mit höchster räumlicher und zeit­ licher Auflösung. Hinzu kommt bei Stoßwellenuntersuchungen die Forderung nach hoher Lebensdauer im Druckbereich von 1 kbar, wie z.B. im Fokus von medizinischen Stoßwellengeräten sowie auch die Forderung nach einem möglichst großen Abstand zwischen der eigentlich empfindlichen Sondenspitze und dem anzuschließenden elektronischen Meßgerät, wie z.B. einem Verstärker. Letztere Forderung ergibt sich aus medizinischer Sicht bei der Bestimmung von Stoßwellendrücken im menschlichen Körper.

Bei den derzeit verfügbaren piezoelektrischen Sondenhydrophonen wird eine Bandbreite von 10 MHz bei einer Empfindlichkeit von ca. 1 mV/bar erreicht, wie in der Zeitschrift Acustica 54, S. 23, 1983 und 64, S. 85, 1987 beschrieben. Demgegenüber besitzen z.B. Stoßwellensignale Bandbreiten bis zu 1 GHz vergl. Acustica 14, S. 187, 1964.

Bei der Bandbreite von 10 MHz beträgt der effektive Sondendurch­ messer etwa 0,1 mm. Da die Sondenspitze aus mehreren Schichten (Innenelektrode, Piezoelektrische Schicht, Außenelektrode) aufge­ baut ist, stößt eine weitere Reduktion der Sondenabmessungen (zur Erhöhung der Bandbreite) auf erhebliche Schwierigkeiten. Außerdem nimmt die Sondenempfindlichkeit mit der Sondenoberfläche ab. Eben­ so würde eine große Zuleitungslänge wegen der damit verbundenen Kabelkapazität einen weiteren Empfindlichkeitsverlust bewirken. Wegen des genannten Schichtaufbaus dieser Sonden ist ihre Haltbar­ keit bei Stoßwellenuntersuchungen begrenzt. Im Druckbereich von 1 kbar und voll ausgebildeter Stoßfront liegt die Lebensdauer häu­ fig unter hundert Stoßwellenexpositionen.

Ziel der Erfindung ist es daher, ein Sondenhydrophon mit möglichst einfachem Aufbau zu realisieren, dessen wirksame Dimensionen bei entsprechender Bandbreitensteigerung ohne Empfindlichkeitsverlust mit Durchmessern von weniger als 0,1 mm gewählt werden kann, das bei Stoßwellenexposition im 1 kbar-Bereich hohe Standzeiten besitzt und dessen Zuleitungslänge ohne Empfindlichkeitsverlust frei vorge­ geben werden kann. Ebenso soll das Sondenhydrophon leicht kali­ brierbar sein und hohe Reproduzierbarkeit besitzen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Als Drucksonde wird statt eines piezoelektrischen Sondenhydrophons ein Lichtleiter in Form einer Glas- oder Polymerfaser in das akusti­ sche Wellenfeld eingeführt und die zeitliche Variation der Licht­ reflexion an der Grenzfläche des Endes des Lichtleiters gegenüber der Flüssigkeit während der zeitlichen Druckänderung als Hydrophon­ signal verwendet. Die Lichtreflexion an der Lichtleiterendfläche ist über den Brechungsindex - Dichte-Zusammenhang mit der Druck­ amplitude in der Flüssigkeit verknüpft. Bei Druckanstieg wird die Dichte und damit der Brechungsindex in der Flüssigkeit erhöht. Ein solcher Zusammenhang besteht grundsätzlich auch für das Licht­ leitermaterial, wobei jedoch wegen der geringeren Kompressibilität des festen Lichtleitermaterials gegenüber der Flüssigkeit die druckbedingte Brechungsindexänderung der Flüssigkeit überwiegt. Die Änderung der Lichtreflexion wird hierbei über den zeitlichen Intensitätsverlauf des reflektierten Lichtes bei bekannter Ein­ strahlung photoelektrisch registriert.

Weitere Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Da die Lichtreflexion nur an der Endfläche des Lichtleiters, d.h. z.B. einer Glas- oder Kunststoffaser durch die Flüssigkeit beein­ flußt wird, ist die effektive Sondendicke auf die Lichtwellenlänge und der Sondendurchmesser auf die optische Faserdicke begrenzt.

Das Meßverfahren kann auch bei trüben Flüssigkeiten angewendet werden, wenn die unmittelbare Sondenumgebung durch eine optisch einwandfreie z.B. in einem Ballon befindliche Flüssigkeit gebil­ det wird. Diese kann auch durch einen geeigneten optischen, stö­ rungsfreien, gummielastischen oder festen Körper wie z.B. aus Plexiglas oder Polyurethan ersetzt werden. Hierdurch wird es mög­ lich die Sonde auch im medizinischen Bereich z.B. für Stoßwellen­ messungen im Körperinneren per Katheter oder in Verbindung mit endoskopischen Methoden einzusetzen.

Zur Optimierung der Sondenempfindlichkeit und Linearität der An­ zeige ist es günstig den Brechungsindex der Flüssigkeit oder des Körpers hoher optischer Qualität oder auch den Brechungsindex des Lichtleiters jeweils auszuwählen.

Ferner kann durch geeignete Wahl der Lichtfrequenz z.B. auf der Flanke eines molekularen Schwingungsübergangs oder auch eines elek­ tronischen Übergangs eine besonders starke Druckabhängigkeit des Brechungsindexes durch Druckverschiebung des entsprechenden opti­ schen Übergangs zu erheblichen Empfindlichkeitssteigerungen füh­ ren. Im sichtbaren und ultravioletten Spektralbereich können hier­ bei der Flüssigkeit zugesetzte Farbstoffmoleküle günstige Eigen­ schaften besitzen. Entsprechende Möglichkeiten bestehen auch für eine Dotierung des Lichtwellenleiters (Glasfaser oder Kunststoff) mit Atomen oder Molekülen, die eine starke Druckabhängigkeit des Brechungsindexes und damit der Lichtreflexion aufweisen.

Auch der Grenzwinkel der Totalreflexion wird durch die druckindu­ zierte Brechungsindexänderung beeinflußt. Bei optischem Strahlen­ gang im Lichtleiter mit Bevorzugung des Totalreflexionsgrenzwinkels kann dieser Einfluß auf die gesamte reflektierte Lichtintensität überwiegen.

Die Art der am Lichtleiterende für die Reflexion wesentlichen Fläche kann auf verschiedene Weise gewählt werden. Einmal ist eine ebene polierte Endfläche geeignet. Ebene Flächen guter optischer Qualität können jedoch auch leicht durch Anritzen und Brechen hergestellt werden. Ebenso erhält man durch eine Halbkugel- oder Kugelform des Lichtleiterendes, z.B. durch An­ schmelzen, ideale Oberflächeneigenschaften, wobei für alle Licht­ winkel des Wellenleiters ein senkrechter Grenzflächeneinfall er­ reicht werden kann und damit auch eine für Eichzwecke wichtige einfache rechnerische Behandlung ermöglicht wird.

Eine möglichst einfache, leistungsfähige, optische Meßanordnung zur Erfassung des Reflexionssignals und dessen Umsetzung in ein Drucksignal besteht aus einem Dauerstrich-Laser hoher Leistung (bis zu 1 Watt), einer Einkopplung der Laserenergie über einen optischen Koppler und einem Fotodetektor zur Messung der reflek­ tierten Lichtintensität mit nachfolgendem Verstärker. Um Ampli­ tudenschwankungen des primären Laserlichts berücksichtigen zu können, wird ein direkt ausgekoppelter Lasersignalanteil mit dem Sondensignal, z.B. durch Subtraktion, verglichen. Dieser Lasersignalanteil kann außerdem zur Konstantregelung der Laser­ intensität herangezogen werden.

Insgesamt zeichnet sich die Erfindung gegenüber dem Stand der Technik durch folgende Vorteile aus:

Als optische Wellenleiter können gängige Glasfastertypen oder Polymerfasern verwendet werden. Die allein empfindliche Sonden­ fläche kann durch Brechen oder Politur hergestellt werden. Die effektiven Sondendimensionen können kleiner als 0,1 mm gewählt werden. Das empfindliche Volumen wird durch den Faserdurchmesser und die halbe Lichtwellenlänge gebildet. Bei senkrechter Druck­ welleninzidenz in Wasser entspricht dies einer maximalen Bandbreite von 30 GHz. Durchmesser und Länge des Lichtleiters besitzen keinen direkten Einfluß auf die Empfindlichkeit. Daher sind geringe Durch­ messer zur Erzielung großer Bandbreite auch bei seitlicher Inzi­ denz, d.h. einer idealen Kugelcharakteristik sowie große Längen, z.B. für medizinische Anwendungen, im Gegensatz zu piezoelektri­ schen Sondenhydrophonen unproblematisch. Die Empfindlichkeit wird demgegenüber durch das Photonenrauschen begrenzt, das je nach Eingangslichtleistung jedoch genügend stark reduziert werden kann. Der Einfluß von sonstigen Rauschanteilen der Eingangs­ lichtquelle kann entweder durch Vergleichsmethoden oder durch Regelung herabgesetzt werden. Elektrische Störungen, z.B. durch Funkenentladung bei der Stoßwellenerzeugung, werden wegen der idealen Isolation der Glasfaser optimal abgeschirmt. Ebenso ist gerade für Stoßwellenmessungen die Lebensdauer des Glasfaser­ hydrophons wegen des wesentlich einfacheren Aufbaus gegenüber piezoelektrischen Hydrophonen erheblich höher. Auch kann bei eventueller Beschädigung des Glasfaserendes leicht eine neue Glasfaser-Reflexionsfläche hergestellt werden. Insgesamt besitzt das optische Reflexions-Sondenhydrophon somit eine Reihe von wichtigen Vorteilen gegenüber bekannten piezoelektrischen Son­ denhydrophonen.

Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeich­ nungen 1 bis 3 dargestellt und nachfolgend erläutert.

Fig. 1 zeigt die in die Flüssigkeit 2 eintauchende Glasfaser 1 mit der reflektierenden Endfläche 3. Das eintretende Licht 4 wird im Lichtleiter bis zur Grenzfläche 3 geführt, dort z.T. reflek­ tiert 5 und z.T. in die Flüssigkeit durchgelassen 6. Unter dem Einfluß einer Druckwelle 7 wird die Flüssigkeit 2 vor der Grenz­ fläche 3 verdichtet, so daß die kurzzeitige Erhöhung des Brechungs­ indexes in der Flüssigkeit zu einer Absenkung der Intensität des reflektierten Lichtes 5 führt. Das reflektierte Licht 5 wird von einem Fotodetektor 10 (Fig. 3) in ein elektrisches Signal 11 umge­ wandelt und mittels Oszilloskop 12 registriert. Fig. 3a, b, c zeigt unterschiedliche Ausführungsformen des Lichtleiterendes 3 in der Flüssigkeit 2. Bei Fig. 3a umschließt ein Ballon 21, der mit einer optisch hochwertigen Flüssigkeit 22 gefüllt ist, das Lichtleiterende 3. Diese Ausführungsform empfiehlt sich bei licht­ undurchlässigem oder trübem akustischem Medium 2. In diesem Fall ist alternativ die Ausführungsform in Fig 3 b zu wählen, bei der ein optisch klarer z.B. gummielastischer Körper oder ein anderer Kunststoffkörper 23 das Lichtleiterende 3 umgibt. In Fig. 3c be­ sitzt das Ende 24 des Lichtleiters 1 Kugelform. Hierdurch über­ wiegt an der reflektierenden Fläche der senkrechte Lichteinfall. Auf der Seite der Lichtsignalerzeugung und Verarbeitung wird im Optokoppler 20 das Licht 14 des Lichtgenerators 13 (Laser) in das einfallende Licht des Meßzweigs 4 und einen Lichtanteil im Vergleichszweig 15 aufgeteilt. Die Signalerzeugung aus dem Meß­ licht 4 bis zur Darstellung auf dem Oszilloskop 12 wurde bereits beschrieben. Demgegenüber wird das Vergleichslicht 15 über eine Fotozelle 16 in ein elektrisches Vergleichssignal 17 und nach Ver­ stärkung über Verstärker 18 als Steuer und Regelsignal 19 zur Laserrauschreduktion benutzt. Das Vergleichssignal 19 wird am Oszillographen 12 vom Meßsignal 11 bei gleicher Ruhepegelein­ stellung subtrahiert. Gleichzeitig erfolgt eine Konstantregelung des Lasersignals 14 mit Hilfe des Vergleichssignals 19 als Regel­ größe.

Claims (14)

1. Sondenhydrophon zur Messung von Druckamplituden in flüssigen Medien (2) dadurch gekennzeichnet, daß ein Lichtleiter in Form eines optischen Wellenleiters (1) sich mit einem Ende in dem flüssigen Medium befindet und daß die Änderung der Lichtre­ flexion an der Grenzfläche (3) dieses Lichtleiterendes gegen­ über dem flüssigen Medium als Meßgröße zur Erfassung der Druck­ amplitude dient und daß hierzu eine optische Reflexionsanord­ nung mit hoher zeitlicher Auflösung eingesetzt wird.

2. Sondenhydrophon nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das sich in der Flüssigkeit befindende Lichtleiterende (3) von einem mit einer Flüssigkeit hoher optischer Qualität (22) gefüllten Ballon (21) umgeben ist.

3. Sondenhydrophon nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das sich in der Flüssigkeit befindende Lichtleiterende (3) von einem Körper (23) aus einem z.B. gummielastischen festen Medium hoher optischer Qualität umgeben ist.

4. Sondenhydrophon nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungsindex der Flüssigkeit oder des Körpers mit hoher optischer Qualität wählbar ist.

5. Sondenhydrophon nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungsindex des Lichtleiters (1) je nach dem umge­ benden flüssigen Medium oder Körper wählbar ist.

6. Sondenhydrophon nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtfrequenz auf einen Molekülübergang oder eine Mole­ külrelaxation der umgebenden Flüssigkeit oder des Körpers oder des Lichtleiters abgestimmt ist.

7. Sondenhydrophon nach Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Lichtes in einem weiten Bereich (UV bis Ferninfrarot) wählbar ist.

8. Sondenhydrophon nach Anspruch 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, daß die druckabhängige Änderung des Grenzwinkels der Totalre­ flexion für die Signalerzeugung ausgenutzt wird.

9. Sondenhydrophon nach Anspruch 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß das Ende (3) des Lichtleiters (1) poliert ist.

10. Sondenhydrophon nach Anspruch 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß das Ende (3) des Lichtleiters (1) eine ebene Bruch- oder Spaltfläche ist.

11. Sondenhydrophon nach Anspruch 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß das Ende des Lichtleiters (1) kugelförmig (24) ist.

12. Sondenhydrophon nach Anspruch 1 bis 11 dadurch gekennzeichnet, daß zur Einkopplung des einfallenden Lichtes der Lichtquelle (13) und zur Erfassung des reflektierten Lichtes ein optischer Koppler (1), (14), (15) vorgesehen ist, an dessen Ende ein Photodetektor mit nachfolgendem Verstärker zur Lichtsignal­ erfassung angeordnet ist.

13. Sondenhydrophon nach Anspruch 1 bis 12 dadurch gekennzeichnet, daß von der für die Meßanordnung erforderlichen Lichtquelle (13) ein Teil des Lichtes direkt abgezweigt (15) und einem Photode­ tektor (16) mit Verstärker (18) zugeführt ist und, daß dieses abgeleitete Signal mit dem Signal des reflektierten Lichts ver­ glichen wird.

14. Sondenhydrophon nach Anspruch 1 bis 13 dadurch gekennzeichnet, daß ein nach Anspruch 13 abgezweigtes Signal zusätzlich zur Konstantregelung der Lichtintensität der erforderlichen Licht­ quelle (13) eingesetzt ist.