Fortschritte der Akustik DAGA' 88 ElEKTROSTATISCHES SONDENHYDROPHON MIT EINFACHER ABSOLUTEICHUNG W. Lawrenz. J. Staudenraus. W. Eisenmenger 1. Physika1isches Institut der Universitat Stuttgart 463 Abso1utmessungen der Schnelle oder des Druckes in F1ussigkeitsscha11fe1dern. wie sie z.B. bei Sto8we11en auftreten. ver1angen akustische Sonden gro8er Bandbreite. hoher lebensdauer bei Sto8drucken bis in den 1 kbar Bereich. akustische RUckwir- kungsfreiheit. d.h. f1achen Frequenzgang. und sichere Eichbarkeit durch einfache Primarma8stabe. Oiese Forderungen konnen mit Hi1fe einer e1ektrostatischen Sonde zur Messung der Schnelle an einer die Schallwelle reflektierenden Flussigkeits- oberf1ache erftil1t werden. Die elektrostatische Sonde ist hierbei eine Alterna- tive zur interferometrischen Bestimmung /1/ der Aus1enkung der F1Ussigkeitsober- flache bei der Ultraschallreflexion. MeBanordnung und Eichprinzip Eine vom Generator kommende Druckwelle (vergl. Abb. 1) wird an der durch eine einseitig Al-bedampfte. 7 ~ dicke Hostaphanfolie bedeck ten Wasseroberflache re- flektiert. Oiese Folie ist als Gegenelektrode tiber einen geerdeten Abschirmbe- cher gespannt. Als Sonde dient ein Cu-BlechstUck von 3 mm Ourchmesser am unteren Ende eines Kunststoffrohrs (Trinkhalm). das an einem dynamischen Lautsprecher- Dynomlsches System Uo Vorsponnung --r-- I C· I 'Streukopozltot Abschlnnung -- Cs Sanden _ - .~ - metoUlSlerte Folie -"., rJ:A"H elektromognellscher StoOweliengenerotor Abb. 1: MeBprinzip des eichbaren elektrostatischen Hydrophons 464 system befestigt ist. Der Sondenabstand zur Folie wlrd mit einer Mikrometer- schraube eingestellt. Die Sonde ist Uber einen dUnnen Kupferdraht von 70 ~m 0 (Herabsetzung der Streukapazitat) mit einem Verstarker geringer Eingangskapazi- tat (ca 1 pF. hochohmiger Eingangswiderstand ca. 1 G~) und einer Bandbreite von 5 MHz verbunden. Uber die Vorwiderstande Rl = 10 K~ und R2 = 10 M~ 1iegt die Sondenvorspannung Uo von 45 Volt an Sonde und Koppe1kondensator Ck• Be; den Mes- sungen des Schnellesignals wird allein der Vorwiderstand Rl mit einer Sondenzeit- konstante Rl • (C s + C') = 10-7s und einer geschatzten maxima1en Gesamtkapazi- tat von 10 pF (Cs = Sondenkapazitat; C' = Streukapazitat) benutzt. Die obere Grenzfrequenz fUr Schnellemessungen entspricht dem Kehrwert der Sondenzeitkon- stante. Zur Eichung wird der Widerstand R2 von 10 M~ zugeschaltet. Hierdurch steigt die Schnelleempfindlichkeit urn den Faktor 1000 bei gleichzeitiger Erhohung der Son- denzeitkonstante auf 10-4s • Die Sonde wird nun bei unverandertem mittleren Son- denabstand mit Hilfe des dynamischen Lautsprechersystems zu Sinusschwingungen (140 Hz) mit innerhalb des MeBbereichs freier Amplitude angeregt und das entspre- chende Sondensignal bestimmt. 1m linearen Bereich des Sondensignals ist die Laut- sprecheramplitude hierbei noch so klein (starke Abschwachung des NF-Generatorsig- nals). daB eine mikroskopische Bestimmung der Sondenamplitude ausscheidet. An- schlieBend kann jedoch der mittlere Sondenabstand vergroBert und die Lautspre- cheramplitude so weit gesteigert werden. daB eine direkte mikroskopische Ampli- tudenbestimmung (Schattenbreite "X", vergl. Abb. 1. im Okularmikrometer) moglich ist. Aus der ~nderung der Abschwachereinstellung ergibt sich hiernach die Sonden- amplitude bei der Eichung. und unter Berucksichtigung der Frequenz die entspre- chende "Eichschnelle". Be; den verschiedenen Schritten erfolgte jeweils eine Linearitatskontrolle. Zur PrUfung der Reproduzierbarkeit wird der Eichvorgang in umgekehrter Reihenfolge auch vor der Hessung durchgefUhrt. Sondenempfindlichkeit und linearitat konnen durch Veranderung des mittleren Son- denabstands (Mikrometerschraube) eingestellt werden. Wegen des starken Einflusses von Gebaudeschwingungen auf die Empfindlichkeit wurde eine einfache ErschUtterungsisolierung der Gesamtanordnung durch lagerung auf einem luftgefUllten Zweiradschlauch gewahlt. MeBbeispiele: Abb. 2a zeigt als MeBbeispiel zwei Vergleichssignale zwischen elektrostatischer Sonde und einem selbstgefertigten Nadelhydrophon nach Platte /2/ im Fokus eines selbstfokussierenden elektromagnetischen StoBwellengenerators /3/ (Entladespan- · .- - • - +--------+-----+- • · I ': .. . t-< 5115 Elektrostatisches Sondenhydrofon I !' , , .. - -- - . .•. I .. . --- ---. : PVDF Nadelhydrofon P max = 75 bar :!:15 % Abb. 2a: StoBwellensignal im Fokus bei 10 kY Entladespannung, C = 1 ~F 465 nung 10 kY, Kapazitat l~ Fl. Zur Messung mit dem Nadelhydrophon wurde das MeB- gefaB mit Wasser aufgefUllt. Die Signalformen stimmen sowohl hinsichtlich der Anstiegszeit als auch hinsichtlich des weiteren Druckverlaufs recht gut Uberein. Der angegebene Druck entspricht einer Eichung des Nadelhydrophons mit Hilfe der akustischen Sprungantwort einer piezoelektrischen Platte /4/. Bei der Eichung der elektrostatischen Sonde wurden innerhalb von ~ 20% gleiche Druckwerte erhal- ten. Diese Schwankungen der Druckwerte beruhen auf tieffrequenten Abstandsande- rungen zwischen Sonde und Folie verursacht durch restliche Gebaudeschwingungs- einflUsse sowie durch Fehler bei der mikroskopischen Amplitudenablesung. Abb. 2b zeigt unter sonst gleichen Bedingungen das elektrostatische Sondensignal und das Nade1hydrophonsigna1 bei der Entladespannung von 12 kY und entsprechend hoherem Foka1druck. Beide Signa1e geben die nun erhohte Frontstei1heit (Ausbl1- .-.. 5115 Elektrostahsches Sondenhydrofon .......... 5IJs PVDF Nadelhydrofon P max = 150 bar:!: 15 % Abb. 2b: StoBwe11ensigna1 im Fokus bei 12 kY Ent1adespannung, C = 1 ~F 466 dung der StoBwelle bei zunehmendem Druck) sowie die sonstige Signal form in guter Ubereinstimmung wieder, wobei das Nadelhydrophon etwas schwachere Oszillationen zeigt. Bei der Entladespannung von 14 kV gibt Abb. 2c fUr beide Hydrophone eine voll ausgebildete StoBfront wieder. Das elektrostatische Sondenhydrophon zeigt jedoch nun ein nach Eintreffen der StoBwelle linear ansteigendes Untergrundsignal, das vermutlich auf Kavitation unmittelbar unterhalb der F1Ussigkeitsoberflache durch Druckumkehr nach der Reflexion zurUckzufUhren ist. t--< 51lS Elektrostatlsches Sondenhydrofon ~ 5115 PVDF Nadelhydrofon P max =270 bar:!: 15 % Abb. 2c: StoBwellensignal im Fokus bei 14 kV Entladespannung, C = l~F SchluBbemerkungen Das elektrostatische Sondenhydrophon eignet sich zur Absolutmessung von breit- bandigen StoBwellensignalen in FIUssigkeiten im Druckbereich von 100 bar. Es kann verhaltnismaBig einfach geeicht werden. Verbesserungen sind bei der Bestim- mung der Sondenamplitude, z.B. durch Interferometrie moglich. AuBerdem ist eine wirksame tieffrequente Erschtitterungsisolierung erforderlich. Literatur: /1/ Reibold, R .• Fortschritte der Akustik, DAGA 87. DPG GmbH. pp. 79-92 /2/ Platte, M., Acustica, Vol 54, 23 (1983) /3/ Staudenraus, J. et al., Fortschr.d.Akustik, DAGA 87, DPG GmbH. pp. 445 /4/ Eisenmenger, W .• Acustica. Vol 12 (1962). p. 165