Abbildungen mit Ultraschallwellen werden vielfach verwendet, am bekanntesten sind die Sonografie in der Medizin und die Prüfung von Werkstücken auf Fehler und Einschlüsse. Eine einfache Anordnung zur Demonstration des Prinzips kann der findige Bastler selbst bauen. Die Auflösung der Abbildung hängt von der Wellenlänge des Schalls ab, je kleiner die Wellenlänge desto feinere Details können erkannt werden. Allerdings kann sich Schall hoher Frequenz und kleiner Wellenlänge in Luft nur schwer ausbreiten deshalb muss die ganze Anordnung in ein Wasserbad versenkt werden. In Wasser ist die Dämpfung der Schallwellen um Größenordnungen kleiner als in Luft.
Zur Erzeugung und Detektion des Ultraschalls braucht man einen Transducer. Dieses Bauteil erzeugt aus elektrischen Signalen Ultraschallwellen und generiert wiederum elektrische Signale aus Ultraschall, Transducer sind somit sowohl Ultraschalllautsprecher wie auch Ultraschallmikrofone. Die meisten Transducer sind aus piezokeramischen Material welches elektrische Spannungen in Druckschwankungen umsetzt. Auch die üblichen Piezo Beeper bestehen aus Piezokeramik so liegt es nahe die Bauteile für ihre Eignung zu untersuchen. Kleine Piepser gibt's bei Conrad (Artikel-Nr.: 690635 - 62) für nur 33 Cent, sie bestehen aus einer dünnen Messingplatte mit aufgeklebter Keramikscheibe. Zum Test werden zwei Beeper mit UHU Plus auf die gegenüberliegenden Seiten eines Plexiglas oder Metallblocks geklebt.
Die Piezo Beeper auf einem Plexiglasblock
Der Sendepiezo wird mit Sinuspaketen aus einem steuerbaren Generator getrieben. Die Signale am Empfangspiezo können mit einem Oszillografen verfolgt werden.
Die Messung des Schallsignals
Mit dem Sinusgenerator kann nun der Frequenzgang auf genommen werden. Es zeigt sich das die Piezos eine stark ausgeprägte Resonanz bei 8 MHz und eine etwas schwächere bei 21 MHz haben, weitere Resonanzstellen wurden bis zu einer Frequenz von 50 MHz nicht gefunden. Die Wellenlänge bei 8 MHz in Wasser beträgt 0,19 mm, bei 21 MHz nur noch 0,073 mm, sodass man mit einer hohen Auflösung rechnen kann.
Für das eigentliche Ultraschallmikroskop soll aber der reflektierte Schall gemessen werden, Sendepuls und Empfangssignal liegen am selben Transducer. Da das Empfangssignal mindestens tausendmal kleiner ist als das Sendesignal müssen Vorkehrungen getroffen werden dass die Empfängerschaltung durch das hohe Sendesignal nicht gestört wird. Ein so genannter Diplexer ist die passende Schaltung, die durch Dioden verhindert dass zu große Signale am Empfängereingang anliegen. Das kleine Empfangsignal liegt unter der Schwellspannung der Dioden und kann ungehindert passieren. Nach einer Verstärkerkette wird das Empfangssignal gleichgerichtet und gespeichert. Als Verstärker wurden die etwas veralteten Breitbandmodule OM 200 von Philips verwendet die aber für diesen Zweck nicht ideal sind. Besser wäre ein abgestimmter Verstärker, z.B. ein umgebauter ZF-Verstärker. Der Analogspeicher wird nur für die kurze Zeit aktiviert in der das Empfangssignal zu erwarten ist, so werden Störungen ausgefiltert. Als Speicher dient ein "Sample and Hold" Baustein AD 585 von Analog Device. Getriggert wird der S/H Baustein vom verzögerten Sendegateimpuls. Verzögert wird der Puls mit einem Monoflopbaustein 74 LS 123. Der erste Monoflop hat eine Verzögerungszeit die der Laufzeit des Schallimpulses entspricht, der zweite bestimmt die Samplezeit.
Schaltung des Signalverarbeitung
Um mit dem Piezotransducer ein scharfes Bild zu bekommen muss der Ultraschallstrahl gebündelt werden. Das geschieht mit einer Linse aus Plexiglas. Da die Schallgeschwindigkeit in Plexiglas höher ist als im umgebenden Wasser sind die Verhältnisse genau umgekehrt wie in der Lichtoptik. Deshalb fokussiert eine konkave Linse den Strahl, eine konvexe, in der Lichtoptik eine Sammellinse, würde den Strahl aufweiten. Die Linse wird mit einem Kugelfräser aus Plexiglas gefertigt. Auf die Rückseite wird der Piezo geklebt. Da der ganze Kopf im Wasser versenkt werden muss, wird der Piezo mit einer dichten Haube abgedeckt.
Der Transducer mit Linse
Wer die benötigten Werkzeuge zum Bau der Linse nicht hat kann auch einen anderen Weg versuchen. Epoxidharz eignet sich auch als Linsenmaterial. Als Form verwendet man eine passende Kugel die mit einer Trennschicht aus Wachs überzogen wird. Mit dem Wachs wird auch ein Ring befestigt der als Form dient. Dieser Ring wird mit Kleber ( z.B Stabilit von Henkel) ausgegossen und der Piezo aufgelegt. In der Klebermasse dürfen keine Luftblasen zurückbleiben. Nach dem Härten des Klebers kann die Kugel entfernt werden. Auf die Rückseite wird wieder eine Haube aufgeklebt. Die Rückseite des Piezos sollte nicht vergossen werden, das Luftpolster in der Haube ist hier wichtig, da sonst Schall nach hinten abgestrahlt wird und für den Abbildungsprozess verloren geht.
Der Transducer mit Epoxidlinse
Die Brennweite der Linse hängt vom Verhältnis der Schallgeschwindigkeiten im umgebenden Mediums und im Linsenmaterial sowie vom Krümmungsradius ab. Bei Wasser und Plexiglas beträgt die Brennweite etwa das Doppelte des Krümmungsradius. Hat man mit einem Kugelfräser von 15 mm Durchmesser gearbeitet befindet sich der Brennpunkt etwa 7,5 mm vor der Linse, an dieser Stelle muss sich der abzubildende Gegenstand befinden. Für Hin- und Rücklauf über diese Strecke (insgesamt 30 mm) benötigt der Puls im Wasser 20 µs, plus einige Mikrosekunden für den Weg durch die Linse. Auf diese Zeit muss der verzögernde Monoflop eingestellt werden. Am Besten kontrolliert man die Verhältnisse mit dem Oszi und justiert die Verzögerungszeit auf den benötigten Wert.
Signal am Ausgang des Gleichrichters
Um ein Bild aufzunehmen wird der Transducerkopf über den im Wasserbad liegenden Gegenstand gerastert. Der Verfasser verwendete einen selbstgebauten XY-Tisch zur -Rasterung. Die Beschreibung des Scanners und der Ansteuerung folgt im nächsten Artikel.
Literatur: Experimente mit selbstgebauten Lasern
