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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung von Ultraschalluntersuchungen unter Verwendung von zwei Schwingersystemen, wobei mit dem einen Schwingersystem ein in das zu untersuchende Objekt einzuleitendes Schallbündel gesendet und mit dem andern System empfangen wird, wobei Schwingersysteme mit verschieden geformten Schallfeldern verwendet und auf Deckung der Hauptachsen dieser Schallfelder im untersuchten Bereich ausgerichtet werden.
Mit einem bekannten Verfahren der gegenständlichen Art soll ein sogenannter Tiefenausgleich erzielt werden. Man verwendet zu diesem Zweck einen ringförmig ausgebildeten, zwecks Fokussierung konkav gewölbten Schwinger mit verhältnismässig grosser abstrahlender Fläche und einen kleinen im Zentrum des Ringes sitzenden Schwinger für das andere System. Der kleine Schwinger soll dabei eine Empfindlichkeitskeule aufweisen, deren Mantelerzeugende vom Aussenrad dieses Schwingers schwach divergiert, wogegen das Schallfeld des äusseren, grösseren Schwingers zunächst zu einer Stelle höchster Empfindlichkeit konvergierende Mantelerzeugende aufweist und erst etwa ab dem Endbereich der Empfindlichkeitskeule des inneren Schwingers divergiert.
Es soll erreicht werden, dass die vom äusseren Sender abgegebene Schallenergie im Untersuchungsbereich mit zunehmendem Abstand vom Schwinger stärker konzentriert wird, so dass die laufzeitabhängige Schallschwächung weitgehend ausgeglichen wird. Der als Empfänger geschaltete innere Schwinger kann nur aus seiner Empfindlichkeitskeule stammende Echosignal empfangen.
Andere bekannte Verfahren, bei denen mit gesonderten, als Sender und Empfänger dienenden Schwingersystemen gearbeitet wird, dienen der Untersuchung von Körpern im Durchschallungsverfahren, wobei man mit dem einen System den Schall einleitet und mit dem andern System an der gegenüberliegenden Seite des Objektes empfängt. Ein weiteres bekanntes Verfahren für die Materialprüfung arbeitet mit zwei symmetrisch zu einer Mittelebene nebeneinander angeordneten Schwingersystemen, wobei wieder mit dem einen System gesendet und mit dem andern empfangen wird. Bei einem weiteren bekannten Untersuchungsgerät wird wieder ein scheibenförmiger Mittelschwinger und ein diesen konzentrisch umschliessender Ringschwinger verwendet, wobei der eine Schwinger zum Senden und der andere zum Empfangen dient.
Hier soll die Aufgabe gelöst werden, eine direkte Überleitung des von dem einen Schwinger abgestrahlten Sendeimpulses dadurch zu vermeiden, dass der Empfangsteil des Gerätes mit einem ausschliesslich dem Empfang dienenden Schwinger verbunden ist. Man kann dadurch die sogenannte tote Zone des Sehallkopfes verkürzen, da ein sowohl zum Senden als zum Empfangen verwendeter Schwinger nach Beendigung des ihn erregenden Sendeimpulses noch etwas nachschwingt und daher für den Echoempfang ungeeignet ist. Dieses Nachschwingen tritt bei einem ausschliesslich für den Empfang bestimmten Schwinger nicht auf.
Das gegenständliche Verfahren befasst sich mit andern Problemstellungen und dient der Lösung anderer Aufgaben. Es ist an und für sich bei Ultraschalluntersuchungen erwünscht bzw. notwendig, dass das vom Schallkopf abgestrahlte Schallbündel zur Erzielung eines guten seitlichen Auflösungsvermögens und einer genauen Ortung von Reflexionsstellen einen möglichst geringen Querschnitt aufweist, wie dies ja auch bei dem als Empfänger dienenden Schwinger des eingangs behandelten, bekannten Verfahrens der Fall ist. Bei allen einschlägigigen Verfahren nimmt man als Schallbündel nur die sogenannte Hauptkeule an, also jenes Bündel, das senkrecht zur Schwingeroberfläche abgestrahlt wird. Aus ökonomischen Gründen werden vorwiegend kolbenartige Schwinger verwendet, die eine ausreichende Schalleistung ergeben.
Hier tritt aber im Schallbündel eine bisher unberücksichtigt geblieben Störungsquelle auf. Neben der senkrecht zur Schwingeroberfläche abgestrahlten Hauptkeule werden noch Nebenkeulen unter einem bestimmten Winkel zur Hauptkeule abgestrahlt, die mehr oder weniger scharf von der Hauptkeule und voneinander getrennt sind. Ihre maximale Amplitude wird umso ldeiner, je grösser ihr Abstrahlungswinkel gegenüber der Hauptkeule ist. Der Einfachheit halber wird im folgenden Zusammenhang von der Hauptkeule als Keule 0. Ordnung und von den Nebenkeulen als den Keulen 1., 2., usw. Ordnung gesprochen. Bei der Prüfung machen sich die Nebenkeulen dann besonders störend bemerkbar, wenn ihr Maximalwert einen bestimmten Bruchteil des Maximums der Hauptkeule übersteigt.
Das Maximum der Nebenkeulen sinkt mit zunehmender Ordnung ab, so dass sich in der Praxis besonders die Keulen 1. Ordnung und fallweise auch die Keulen 2. Ordnung störend bemerkbar machen. Die Nebenkeulen entstehen durch Interferenzen der von den einzelnen Punkten eines Schwingersystems ausgehenden Elementarwellen. Zu erwähnen ist noch, dass für ein bestimmtes Schwingersystem Abstrahlkeule und Empfindlichkeitskeule und dementsprechend auch die Nebenkeulen identisch sind.
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Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens, mit dessen Hilfe es möglich wird, die störenden Auswirkungen von Nebenkeulen weitgehend und gezielt zu unterdrücken.
Bei einem Verfahren der eingangs genannten Art wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, dass Schwingersysteme verwendet und auf Deckung der Hauptkeulen der Schallabstrahlung eingestellt werden, bei denen zumindest die ersten Nebenkeulen (z. B. die Nebenkeulen 1. bis 3. Ordnung) so verlaufen, dass die Maxima der Nebenkeulen des einen Systems annähernd an Stellen liegen, wo die Nebenkeulen des andern Systems ein Minimum aufweisen.
Nach einer bevorzugten Ausführung wird ein Schwingersystem verwendet, bei dem die erste Nebenkeule des einen Systems in der Mitte zwischen Hauptkeule und Nebenkeule des andern Systems verläuft.
Zur Erleichterung des Verständnisses der Erfindung wird gleich auf die Zeichnungen eingegangen, in denen in Fig. 1 zwei Schwingersysteme mit zugehörigen Kurvenscharen eingezeichnet wurden, welche die Ortskurven gleicher Phasenunterschiede der Schallwellen im Abstrahlungsbereich darstellen und in Fig. 2 die Strahlungs-bzw. Empfindlichkeitscharakteristika der beiden Systeme veranschaulicht sind.
Wie bereits dargelegt wurde, entstehen die Nebenkeulen durch Interferenzen der von den einzelnen Punkten eines Schallkopfes ausgehenden Elementarwellen. In Fig. l sind die Verhältnisse an einem sehr einfachen Beispiel näher erläutert. Als Ausgangspunkt dient zunächst ein aus zwei Schwingern--A und A'--bestehendes Sehwingersystem, bei dem die beiden Schwinger einen bestimmten Abstand voneinander besitzen, wobei dieser Abstand und die Abmessungen der Schwinger klein gegenüber den im Schallfeld betrachteten Abständen sind. Das beschriebene System--A, A'--kann aus zwei Schwingerelementen eines Multielementschwingers bestehen, die nicht unmittelbar benachbart sind. Es wird ferner vorausgesetzt, dass beide Schwinger gleiche Frequenz besitzen und gleichzeitig gleichphasig erregt werden.
In der Achse - des Systems treffen die von den Systemen--A, A'-ausgehenden Wellen immer gleichphasig ein, da die Weglänge von jedem Schwinger zu jedem Punkt auf der Achse--Ao--immer gleich ist. Die Wellen werden sich somit in der Achse-Ao-immer gegenseitig verstärken. Für Punkte ausserhalb der Achse liegen die Verhältnisse anders. Hier ist die Weglänge zu den beiden Schwingern nicht gleich, und es treten daher im betrachteten Punkt Phasendifferenzen auf. Beträgt diese Phasendifferenz ein ungeradzahliges Vielfaches einer halben Wellenlänge, dann werden sich im genannten Punkt die Wellen gegenseitig maximal abschwächen oder sogar völlig auslöschen. Ist der Unterschied in den Weglängen zu einem bestimmten Punkt jedoch ein ganzzahliges Vielfaches einer ganzen Wellenlänge, so kommt es zu einer maximalen gegenseitigen Verstärkung.
Betrachtet man den Querschnitt eines Schallbündels in einer bestimmten Entfernung vom Sehwingersystem, so findet man, dass die Stellen maximaler Abschwächung und maximaler Verstärkung abwechseln, wobei zwischen aufeinanderfolgenden Maxima und Minima ein kontinuierlicher Übergang vorhanden ist.
Eine mathematische Untersuchung der Zusammenhänge zeigt, dass die Ortskurven gleicher Phasenunterschiede im besprochenen Beispiel Hyperbeln sind, deren Verlauf vom Abstand der beiden Schwinger und von der auftretenden Wellenlänge abhängt. Die in Fig. l eingezeichneten Linien-Ao, Ai, A, stellen die Orte dar, in denen der Phasenunterschied ein ganzzahliges Vielfaches einer Wellenlänge beträgt, d. h. die genannten Linien geben die Lage der Maximalwerte an. Zwischen diesen benachbarten Linien liegen die nicht gezeichneten Minima. Die Hyperbeln sind im dargestellten Bereich so wenig gekrümmt, dass sie als gerade Linien gezeichnet werden konnten. Erst in unmittelbarer Nähe der Schwinger-A, A'-tritt eine merkbare Krümmung auf.
Der genannte Bereich wurde der besseren Übersichtlichkeit halber wegen des sich ergebenden geringen Linienabstandes nicht weiter dargestellt.
Durch Veränderung des Abstandes der beiden Schwinger kann man bei sonst gleichbleibenden
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der Schwinger so gewählt ist, dass die ihnen zugeordnete Ortskurve für das Maximum 1. Ordnung (Kurve Bi) möglichst genau in der Mitte zwischen den Kurven-Ao und Al--verläuft, die Achse --Bo-aber mit der Achse-Ao-zusammenfällt. Durch Berechnung kann bewiesen werden, dass die genannte Forderung ab einem bestimmten Abstand vom Schwingersystem mit hinreichender Genauigkeit erfüllt werden kann. Durch die Wahl der Lage einer Kurve ist dann bereits die Lage der andern Kurven festgelegt. Die jeweilige Ordnungszahl bei den Kurven gibt an, um welches Maximum es sich handelt.
Die Kurven --B2-- usw. liegen nicht mehr und nicht immer genau in der Mitte zwischen zwei benachbarten
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Maxima der zum System A'-gehörigen Kurven. Es besteht auch die Möglichkeit, nicht die Lage der Kurve --B1--, sondern die Lage einer Kurve einer Nebenkeule höherer Ordnung vorzuschreiben. Durch die Bestimmung der Lage einer Kurve wird die Lage der übrigen Kurven festgelegt. Für das Verständnis der Erfindung muss beachtet werden, dass dann, wenn ein Schwingersystem oder ein Schwinger zum Senden oder Empfangen Verwendung findet, in beiden Fällen die gleiche Richtcharakteristik auftritt.
Ferner ist bei einem System aus Sender und Empfänger, wobei jeder Teil für sich aus einem System mehrerer Schwinger bestehen kann, die Empfindlichkeit gleich dem Produkt aus den Richtwerten der einzelnen Systeme am betrachteten Ort. Wird also das gleiche System zum Senden und Empfangen verwendet, so ist die Gesamtempfindlichkeit proportional dem Quadrat der durch die Strahlungscharakteristik für den betrachteten Ort gegebenen Riehtzahl. Bei verschiedenen Systemen für Senden und Empfangen ist die Gesamtempfindlichkeit gleich dem Produkt der Richtzahlen des Empfangssystems und des Sendesystems. Bei symmetrischer Anordnung von Sende- und Empfangssystem fallen die Maxima 0. Ordnung immer in der für beide Systeme gemeinsamen Achse zusammen.
Erfindungsgemäss verwendet man einen Schallkopf mit getrennten Systemen zum Senden und Empfangen und wählt dabei die Abmessungen der einzelnen Systeme so aus, dass bezüglich der Nebenkeulen die Maxima des einen Systems möglichst an Stellen verlaufen, an denen das andere System Minima aufweist. Dadurch bleiben die Produkte der Richtwerte der beiden Systeme an diesen Stellen klein, wogegen sie in der Achse, wo immer beide Maximalwerte zusammenfallen, grosse Beträge erreichen. Somit werden die Nebenkeulen gegenüber der Hauptkeule unterdrückt. Wie erwähnt wurde, lassen sich die gestellten Bedingungen nicht bzw. nicht immer über den gesamten Bereich der Abstrahlung, sondern meist nur über einen bestimmten Teilbereich realisieren.
Im Normalfall wird man diesen Teilbereich an jene Stelle legen, wo die stärksten Nebenkeulen auftreten und damit diese Nebenkeulen unterdrücken, wogegen die nicht störenden Nebenkeulen höherer Ordnung unbeachtet bleiben können. Für Sonderfälle ist es auch denkbar, die stärkste Unterdrückung an die Stelle der Nebenkeulen höherer Ordnung zu legen, doch wird dann die Unterdrückung der Nebenkeulen niedriger Ordnung nicht den maximal möglichen Wert erreichen.
In Fig. 2 wurde die quantitative Auswirkung der besprochenen Massnahme veranschaulicht. In der linken Hälfte der Fig. 2 zeigen die Kurven --1 und 2-- die Strahlungscharakteristik zweier Systeme in Abhängigkeit vom Abstand x der Achse. In beiden Kurven zeigen sich neben der Hauptkeule mehrere Nebenkeulen. Die rechte Seite des Diagrammes nach Fig. 2 zeigt jeweils die Gesamtempfindlichkeit des Systems, wobei die Kurve --3-- die Verhältnisse angibt, die entstehen, wenn das die Charakteristik nach Kurve --1-- aufweisende System zum Senden und Empfangen verwendet wird. Die Kurve --4-- zeigt analog die Verhältnisse bei alleiniger Verwendung des zweiten Systems mit der Charakteristik nach Kurve --2-- zum Senden und Empfangen. In beiden Fällen sind noch beträchtliche Nebenkeulen vorhanden.
Verwendet man dagegen ein System zum Senden und das andere System zum Empfangen, so erhält man die durch die schraffierte Fläche --5-- angedeutete Empfindlichkeit. Man sieht, dass in der Hauptkeule die Empfindlichkeit erhalten bleibt, in den Nebenkeulen aber eine beträchtliche Reduktion der Empfindlichkeit, also eine Unterdrückung der Nebenkeulen stattfindet. Da es auf das Produkt der Kennzahlen ankommt und beide Faktoren gleichberechtigt sind, spielt es keine Rolle, welches der beiden Systeme zum Senden und welches zum Empfangen verwendet wird. Wie dargelegt wurde, können die dargestellten Kurven durch Änderung der Abmessungen des einen oder andern Systems geändert werden.
Das Ausführungsbeispiel wurde besonders einfach gewählt, ist in der Praxis aber voll realisierbar.
Die prinzipiellen Zusammenhänge ändern sich nicht, wenn die Verhältnisse auf kompliziertere Systeme übertragen werden. Prinzipiell werden dabei in einem Schallkopf zwei als Sender und Empfänger dienende Schwingersysteme untergebracht, die eine unterschiedliche Verteilung der Nebenkeulen ihrer Schallabstrahlung bzw. Empfindlichkeit aufweisen, deren Hauptabstrahlungskeulen bzw. -achsen sich decken bzw. aber zumindest weitgehend koaxial verlaufen. Wenn jedes System aus mehreren Einzelschwingern besteht, dann werden diese innerhalb jedes Systems symmetrisch zu einer für beide Systeme gemeinsamen Hauptachse angeordnet. Unter symmetrisch ist hier rotationssymmetrisch zur Achse zu verstehen. In Fortführung dieses Gedankens gelangt man schliesslich zu ringförmigen Schwingern, die in bestimmten Abständen koaxial ineinandergeschachtelt sind.
Die beschriebenen Massnahmen sind deshalb besonders wirkungsvoll und günstig, weil zu ihrer Durchführung keine aufwendigen Änderungen in der Elektronik bestehender Geräte notwendig sind. Das Verfahren kann mit jedem herkömmlichen Ultraschallgerät durchgeführt werden, an das der Schallkopf
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angepasst wird, wobei das Gerät lediglich für den getrennten Betrieb von Sender und Empfänger geeignet sein muss, was ohnehin bei den meisten bekannten Geräten der Fall ist. Selbst dann, wenn eine solche Betriebsweise nicht vorgesehen ist, kann sie durch einfaches Auftrennen der Leitung zwischen Sender und Empfänger möglich gemacht werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Durchführung von Ultraschalluntersuchungen unter Verwendung von zwei Schwingersystemen, wobei mit dem einen Schwingersystem ein in das zu untersuchende Objekt einzuleitendes Schallbündel gesendet und mit dem andern System empfangen wird, wobei Schwingersysteme mit verschieden geformten Schallfeldern verwendet und auf Deckung der Hauptachsen dieser Schallfelder im untersuchten Bereich ausgerichtet werden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass Schwingersysteme verwendet und auf Deckung der Hauptkeulen der Schallabstrahlung eingestellt werden, bei denen zumindest die ersten Nebenkeulen (z. B. die Nebenkeulen 1. bis 3. Ordnung) so verlaufen, dass die Maxima der Nebenkeulen des einen Systems annähernd an Stellen liegen, wo die Nebenkeulen des andern Systems ein Minimum aufweisen.