Analyse des Fetal-Dopplers 2 MHz für Sonar-Experimente

Fetal-Doppler Zerlegung und Modifikation: Von Dauerstrich zu Impuls-Sonar

Ein Fetal-Doppler ist ein Gerät zum Abhören des fetalen Herzschlags mit einer Frequenz von 2–3 MHz. Die tatsächliche Betriebsfrequenz, gemessen an einem zerlegten Gerät, beträgt 2 MHz, obwohl die Anzeige 3 MHz anzeigt. Das Prinzip basiert auf dem Doppler-Effekt: Das sendende piezoelektrische Element erzeugt kontinuierlich ein Ultraschallsignal, und das empfangende Element nimmt das von bewegten Oberflächen wie Herzwänden reflektierte Signal auf.

Das Signal wird verstärkt, mit einer Referenz phasenvergleichen (unter Verwendung einer Quadraturamplitudenmodulations-Methode) und über Chips wie den LM324 in ein niederfrequentes Audiosignal umgewandelt. Ein Mikrocontroller (mit gelöschten Markierungen) zählt die Pulsfrequenz und zeigt sie an, während er auch Ton an einen Lautsprecher ausgibt.

Die Sensor-Schaltung umfasst zwei piezoelektrische Elemente: einen Sender mit einem Generator auf einem Keramikresonator (AB42-Chip) und einen Empfänger mit einem Vorverstärker. Ein Tiefpassfilter schneidet Rauschen aus.

Zerlegung und Schaltplan

Die Platine enthält einen Mikrocontroller, einen Leistungstreiber, einen Audioverstärker und eine Anzeige. Der Sensor hält Sende- und Empfangs-Piezoelemente, die über die Induktivität L1 verbunden sind. Der Schaltplan des Sendeteils:

[AB42-Generator] --> [Puffer] --> L1 --> Piezo TX
Piezo RX --> Verstärker --> Tiefpassfilter

Die tatsächliche 2-MHz-Frequenz wurde mit einem Oszilloskop bestätigt. Im Dauerstrichmodus reicht die geringe Leistung für die akustische Detektion von Pulsationen in Gewebe bis zu 10–15 cm Entfernung aus.

Modifikation für Impulsmodus

Das Ziel ist die Umwandlung in ein Sonar zur Registrierung von Reflexionen. Ein Puffer SN74AHC1G125D wurde in den L1-Bruch gelötet, um die Übertragung zu steuern. Die Steuerung erfolgt von einem Oszilloskop-Generator: Impulsbursts von 5 µs Dauer (10 Perioden bei 2 MHz) mit einer Wiederholungsperiode von 2–3 ms.

Entfernungsberechnung: Eine Periode ~0,7 mm (Schallgeschwindigkeit ~1400 m/s in Gewebe/Wasser). Die Schaltung bleibt unoptimiert: ohne Dämpfer und mit Resonanzkreisen, was Artefakte verursacht.

Verbindung:

• Verstärkerausgang zum Oszilloskop für den Empfang.
• Puffer gesteuert durch ein Logiksignal.

Impulsform auf TX: Rechteckige Bursts mit ausreichender Amplitude, um das Piezoelement anzuregen.

Experimente im Impulsmodus

Tests an Wasserbehältern (guter akustischer Leiter):

• Vertikale Signaleinspeisung in ein Glas: Reflexionszeit vom Boden stimmt mit der Berechnung überein (Tiefe ~10 cm).
• Laterale Einspeisung durch eine Beckenwand mit Gel: klare Reflexionen von einer sich bewegenden Hand unter Wasser.
• Das Richtdiagramm des Sensors ist schmal; das Signal wird entlang des Ausbreitungswegs registriert.

Anwendung am Körper ergab keine Reflexionen: geringe Leistung, ungeeignete Impulshülle, Dämpfung in Gewebe- und Fettschichten. Das Oszilloskop ist für schwache Signale nicht optimal.

Wichtige Punkte:

• Die tatsächliche Frequenz beträgt 2 MHz, nicht 3 MHz wie angezeigt.
• Der Dauerstrichmodus eignet sich nur für die Doppler-Verschiebung, nicht für Echolotung.
• Die Impulsmodifikation liefert grobe Reflexionen in Wasser, ist aber für Gewebe ohne Leistungsverstärkung unbrauchbar.
• Das batteriebetriebene Gerät ist nicht für einen vollwertigen Ultraschallscanner geeignet.
• Mögliche Anwendungen: Demonstrator, Aquarium-Fischfinder, Spielzeug-Sonar.

Mögliche Anwendungen und Grenzen

Der modifizierte Doppler demonstriert grundlegende Sonar-Prinzipien, ist aber durch Leistung und Schaltungsdesign begrenzt.

• Demonstrator: zum Unterrichten von Ultraschall-Echolotung.
• Spielzeug-Sonar: für Modelle in einer Badewanne.
• Aquarium-Fischfinder: zum Erkennen von Objekten in kleinen Volumen.

Ein vollwertiger Ultraschallscanner erfordert eine andere Architektur: Hochleistungs-Impulsgeneratoren, gedämpfte Wandler, TGC-Verstärker und hochauflösende A/D-Wandler.

— Editorial Team