Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Konzentration von Ultraschall in einem langestreckten Raumbereich.
Ultraschallverfahren gewinnen in Technik und Medizin ständig an Bedeutung, so z. B. in der Materialprüfung oder in der medizinischen Diagnostik. Ein bekanntes Verfahren ist das Echolotverfahren, bei dem von einem Schallkopf ein Ultraschallimpuls ausgesendet und der an einem Hindernis reflektierte Impuls von einem anderen oder von demselben Schallkopf empfangen wird. Aus der Zeit, die verstreicht, bis das Echo empfangen wird, kann die Distanz zwischen Sender/ Empfänger und dem reflektierenden Objekt bestimmt werden.
Die Genauigkeit eines Echolotverfahrens wird wesentlich von dem erzielbaren longitudinalen, d. h. in der Ausbreitungsrichtung der Ultraschallwellen bestehenden, und dem lateralen, d. h. dem zur Ausbreitungsrichtung senkrechten Auflösungsvermögen bestimmt. Die Voraussetzung für ein gutes laterales Auflösungsvermögen ist ein kleiner Durchmesser des Schallstrahlenbündels im Bereich des zu beobachtenden Objekts. Die beste bisher bekannte Methode besteht darin, einen Ultraschallstrahl mit einem System grosser Öffnung zu fokussieren. Die laterale Auflösung kann dann in der Grössenordnung einer Wellenlänge liegen, also bei 2 MHz etwa. 0,75 mm betragen. Diese gute laterale Auflösung wird jedoch nur über eine sehr geringe Tiefe, d. h. ebenfalls ungefähr 1 Wellenlänge erreicht.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, diesen Nachteil zu beseitigen und eine gute Bündelung des Schallfeldes über eine grosse Tiefe zu erreichen.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass ein im wesentlichen konvergentes Ultraschallfeld mit ringförmigem Querschnitt erzeugt wird. Ein solches Schallfeld wird vorzugsweise mit einem ringförmigen Sendewandler erzeugt, wobei der Empfangswandler zweckmässigerweise ebenfalls ringförmig ist und gegebenenfalls der Sendewandler auch zum Empfang eingesetzt wird.
Es ist günstig, wenn die Ultraschallwandlereinrichtung, die den Sendewandler enthält, eine grosse Apertur von beispielsweise mehr als 60 hat. Dabei ist unter Apertur das Verhältnis des mittleren Ringdurchmessers zum mittleren Abstand des Raumbereichs vom Ring zu verstehen, in dem der Ultraschall konzentriert wird.
Im folgenden ist anhand der beiliegenden Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert.
Die einzige Figur zeigt einen ringförmigen Ultraschallwandler mit konischer Abstrahlungsfläche im Schnitt. Dieser Wandler besitzt ein ringförmiges Gehäuse mit einem im wesentlichen U-förmigen Querschnitt, wobei die Symmetrieachse der Querschnittsfläche gegen die Ringachse geneigt ist und diese in einem bestimmten Abstand, beispielsweise 12 cm, schneidet. Die offene Seite des U-förmigen Querschnitts ist diesem Schnittpunkt und damit der Ringachse zugewandt. In der ringförmigen Vertiefung des Gehäuses befindet sich ein ringförmiger Dämpfungsblock 4 aus Epoxyharz/Wolfram, der durch Korkplatten 2 akustisch vom Gehäuse isoliert ist.
Auf der der offenen Seite des Gehäuses zugewandten Oberfläche des Dämpfungsblocks 4 sind mehrere, im vorliegenden Falle 4, zusammen einen Ring bildende flache Segmente 3 aus einem piezoelektrischen Material angebracht, die mit einer zur Anpassung an Wasser dienenden Schicht 5 aus Epoxyharz abgedeckt sind. Die Schicht 5 dient gleichzeitig zum mechanischen Schutz des aus den Segmenten 3 gebildeten piezoelektrischen Schwingers. Zu jedem der Segmente führt von der Rückseite durch geeignete Bohrungen im Gehäuse 1 und im Dämpfungsblock 4 eine elektrische Zuleitung 6.
Die vom piezoelektrischen Schwinger ausgesendeten Ultraschallwellen bilden ein ringförmiges Bündel, das in einer bestimmten Entfernung vom Ultraschallwandler in einem langgestreckten Raumbereich, durch den die Ringachse hindurch geht konzentriert wird. Die Länge des Raumbereichs bestimmt die Tiefe, über die eine gute laterale Auflösung erreicht wird. Die Länge des Raumbereichs und sein Abstand vom Ultraschallwandler muss daher so gewählt werden, dass das zu beobachtende Objekt über die ganze Tiefe ausgeleuchtet wird. Der Abstand des Raumbereichs vom Ultraschallwandler bestimmt sich im wesentlichen durch die Neigung des piezoelektrischen Schwingers 3 gegen die Ringachse. Die Länge des Raumbereichs wird vor allem durch die Breite des ringförmigen piezoelektrischen Schwingers bestimmt.
PATENTANSPRUCH 1
Verfahren zur Konzentration von Ultraschall in einem langgestreckten Raumbereich, dadurch gekennzeichnet, dass ein im wesentlichen konvergentes Ultraschallfeld mit ringförmigem Querschnitt erzeugt wird.
The invention relates to a method and a device for concentrating ultrasound in an elongated spatial area.
Ultrasound methods are becoming increasingly important in technology and medicine. B. in materials testing or in medical diagnostics. A well-known method is the echo sounding method, in which an ultrasonic pulse is emitted by one transducer and the pulse reflected by an obstacle is received by another transducer or by the same transducer. The distance between the transmitter / receiver and the reflecting object can be determined from the time that elapses until the echo is received.
The accuracy of an echo sounding method is essentially dependent on the longitudinal, i.e. H. existing in the direction of propagation of the ultrasonic waves, and the lateral, d. H. the resolving power perpendicular to the direction of propagation. The prerequisite for a good lateral resolution is a small diameter of the sound beam in the area of the object to be observed. The best method known so far is to focus an ultrasonic beam with a large aperture system. The lateral resolution can then be of the order of magnitude of a wavelength, i.e. around 2 MHz. 0.75 mm. However, this good lateral resolution is only achieved over a very small depth, i.e. H. also reached about 1 wavelength.
The aim of the present invention is to eliminate this disadvantage and to achieve good focusing of the sound field over a great depth.
According to the invention, this is achieved in that an essentially convergent ultrasonic field with an annular cross section is generated. Such a sound field is preferably generated with a ring-shaped transmitting transducer, the receiving transducer expediently also being ring-shaped and, if necessary, the transmitting transducer also being used for reception.
It is advantageous if the ultrasound transducer device containing the transmission transducer has a large aperture of, for example, more than 60. The aperture here is to be understood as the ratio of the mean ring diameter to the mean distance of the spatial area from the ring in which the ultrasound is concentrated.
An exemplary embodiment of the invention is explained below with reference to the accompanying drawing.
The single figure shows an annular ultrasonic transducer with a conical radiating surface in section. This transducer has an annular housing with an essentially U-shaped cross-section, the axis of symmetry of the cross-sectional area being inclined to the ring axis and intersecting it at a certain distance, for example 12 cm. The open side of the U-shaped cross section faces this point of intersection and thus the ring axis. In the annular recess of the housing there is an annular damping block 4 made of epoxy resin / tungsten, which is acoustically isolated from the housing by cork plates 2.
On the surface of the damping block 4 facing the open side of the housing, several, in the present case 4, flat segments 3 made of a piezoelectric material which together form a ring and are covered with a layer 5 made of epoxy resin for adaptation to water. The layer 5 simultaneously serves to mechanically protect the piezoelectric oscillator formed from the segments 3. An electrical lead 6 leads to each of the segments from the rear through suitable bores in the housing 1 and in the damping block 4.
The ultrasonic waves emitted by the piezoelectric oscillator form an annular bundle that is concentrated at a certain distance from the ultrasonic transducer in an elongated spatial area through which the ring axis passes. The length of the spatial area determines the depth over which a good lateral resolution is achieved. The length of the spatial area and its distance from the ultrasonic transducer must therefore be chosen so that the object to be observed is illuminated over the entire depth. The distance between the spatial area and the ultrasonic transducer is essentially determined by the inclination of the piezoelectric oscillator 3 relative to the ring axis. The length of the spatial area is primarily determined by the width of the ring-shaped piezoelectric oscillator.
PATENT CLAIM 1
Method for the concentration of ultrasound in an elongated spatial area, characterized in that an essentially convergent ultrasound field with an annular cross section is generated.