DE102008010582B3

DE102008010582B3 - Anordnung und Verfahren zur Bestimmung der Kombination von Krümmungsradien und Abständen an akustischen Grenzflächen in Messobjekten mittels Ultraschall

Info

Publication number: DE102008010582B3
Application number: DE102008010582A
Authority: DE
Inventors: Elfgard Kühnicke; Hans-Georg Trier
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2008-02-16
Filing date: 2008-02-16
Publication date: 2009-08-27
Anticipated expiration: 2028-02-17
Also published as: EP2090229A1; ATE531320T1; EP2090229B1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung (1) und ein Verfahren zur Bestimmung der Kombination von Krümmungsradien (r) und Abständen (a) an akustischen Grenzflächen (12, 51, 52) in Messobjekten (4) mittels Ultraschall, wobei die Anordnung besteht aus einem Pulsgenerator (2), einer Sende-Empfangs-Weiche (20), einem Ultraschallwandler (3) mit n>2 (mit n EN) Elementen zum Senden und Empfangen von Schallwellen, n>2 Verstärkungseinheiten (6), einer Aufnahmeeinheit (7), einer nachgeordneten Auswerteeinheit (9) und einer Ergebnis-Anzeigeeinheit (10), die der Auswerteeinheit (9) nachgeordnet ist. Die Lösung besteht darin, dass der Ultraschallwandler (3) derart ausgebildet ist, dass er an das Messobjekt (4), an die Messanordnung (5) und einen Abstand (a) zur Grenzfläche (12, 51, 52) angepasst ist und entstehende Fokusse (Fi mit i=0, 1, 2,... m) schrittweise entlang der Axialen (40) des Ultraschallwandlers (3) auf einzelne Orte in Fokusabständen (fi) verschiebt und vor, auf und hinter der reflektierenden Grenzfläche (12, 51, 52) platziert, wobei eine Simulationseinheit (8) vorgesehen ist, die Kalibrierungskurven in Form von Schalldruckverteilungskurven als Funktion der Fokusabstände (fi) simuliert und an die Auswerteeinheit (9) angeschlossen ist, die die Lage der Schnittpunkte (S) zwischen den Schalldruckverteilungskurven der Einzelelemente (E1, E2, E3, E4, E5, E6) oder zusammengefasster Elemente bestimmt und mit den Kalibrierungskurven vergleicht und die zwei Scharen von ...

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Bestimmung der Kombination von Krümmungsradien und Abständen an akustischen Grenzflächen in Messobjekten mittels Ultraschall, wobei die Anordnung aus einem Pulsgenerator, der n > 2 mit n
gegeneinander zeitverzögerte Anregungssignale erzeugt, einer Sende-Empfangs-Weiche, einem Ultraschallwandler mit n > 2 mit n
Elementen zum Senden und Empfangen von Schallwellen, der die Signale vom Pulsgenerator über die Sende-Empfangs-Weiche erhält und dessen Elemente zeitverzögert angeregt werden und der von jedem Element aus eine zeitverzögerte Schallwelle in das Messobjekt zur Grenzfläche sendet und nach Umschaltung auf Empfang durch Schalter in der Sende-Empfangs-Weiche die von der Grenzfläche reflektierten Schallwellen separat an jedem Element empfängt, wobei zumindest durch den Ultraschallwandler und durch die Einschallrichtung zum Messobjekt eine Messanordnung vorgegeben ist, n > 2 Verstärkungseinheiten, die die empfangenen Signale vom Ultraschallwandler über die Sende-Empfangs-Weiche erhalten, einer Aufnahmeeinheit, die mindestens einen Analog-Digital-Wandler zur Analog-Digital-Wandlung der von der Sende-Empfangs-Weiche über die Verstärkungseinheiten weitergeleiteten Signale erhält, einer der Aufnahmeeinheit nachgeordneten Auswerteeinheit und einer Ergebnis-Anzeigeeinheit, die der Auswerteeinheit nachgeordnet ist, besteht.
Solche Anordnungen sind in der Druckschrift Volker Deutsch, Michael Platte, Manfred Vogt: Ultraschallprüfung, Springer Verlag Berlin Heidelberg New York 1997, S.28/29 zur Fokussierung, S.55 zum Pulsgenerator, sowie in den Internatsdressen http://focus.ti.com/docs/solution/folders/print/346.html, http://www.maxim-ic.com/solutions/ultrasound/index.mvp, sowie http://www.analog.com/en/app/0,3174, 1001%255F1167,00.html beschrieben.
Die Erfindung kann in folgenden Anwendungsbereichen eingesetzt werden:
In der Human- und Tiermedizin allgemein, soweit gekrümmte Grenzflächen an Gelenkflächen, Knochen, Organen und Hohlorganen, Blutgefäßen, Zysten und Aussackungen, umschriebenen Raumforderungen, Tumoren, und Formänderungen bei Bioimplantaten, z. B. durch Verformung infolge Muskelanspannung und durch Langzeit-Beanspruchung, vorhanden sind.
In der Augenheilkunde, wobei Messungen am Auge, insbesondere an den Grenzflächen von Homhaut, Linse, Glaskörper und Augenwand und von Bioimplantaten im Auge, z. B. Kunstlinsen, Grenzflächen von Gas- und Öl-Injektion, sowie von Implantaten mit eindellender Wirkung auf die Augenwand erfolgen. Insbesondere kann die Erfindung für Messungen am Augenhintergrund/und an der Linsenrückfläche eingesetzt werden, was zur Klärung des Akkommodationsvorgangs und zur Weiterentwicklung starrer und akkommodationsfähiger Linsenimplantate in der Augenchirurgie beiträgt. Alle Anwendungen in der Medizin können eine genauere Diagnose, Behandlung und Kontrolle von Erkrankungen und operativen Eingriffen ermöglichen.
Bei der zerstörungsfreien Material-Prüfung kann eine Verbesserung der Bestimmung der Fehlergröße durch Berücksichtigung der Krümmung sowie eine Verbesserung der Auflösung an gekrümmten Grenzflächen erreicht werden.
In der Verfahrenstechnik kann die Erfindung zur Kontrolle von gekrümmten Grenz flächen in Werkstoffen, Behältern und Rohren und in der Produktion eingesetzt werden.
Messobjekte können aus geschichteten Medien mit unterschiedlichem Konfigurationszustand bestehen und können sowohl Werkstoffe als auch biologische Gewebe aller Art sein. Im Einzelnen kann es sich um geschichtete Festkörper, ohne oder mit – auch gasgefüllten – Einschlüssen und Hohlräumen, welche wiederum typisch angelegt oder auch Artefakte bzw. Fehlbildungen sind; oder um eine geschichtete Struktur aus fluiden und/oder festen Medien, oder um eine bewegte Flüssigkeit mit sich verändernden Blasen handeln. In diese Gruppen fallen auch tierische oder menschliche Organe, z. B. das Auge. Wenn Artefakt und umgebendes Material bzw. zwei aneinandergrenzende Schichten unterschiedliche akustische Impedanzen besitzen, wird an den Grenzflächen zwischen den Materialien die Ultraschallwelle reflektiert oder gestreut, auch als akustisch wirksame Grenzfläche bezeichnet. Je nach Art des Messobjektes werden unterschiedliche Messanordnungen verwendet, die durch unterschiedliche Schallwandler, die Einschallrichtung und die Länge einer eventuell eingesetzten Wasservorlaufstrecke gekennzeichnet sind.
In den Anwendungsbereichen der Erfindung ist insbesondere von wissenschaftlichem oder technischem Interesse, gleichzeitig und ohne Veränderung der Messanordnung eine Kombination von geometrischen Kenngrößen, nämlich die Krümmungsradien der Grenzflächen in den Messobjekten und der Abstand der Grenzflächen von einer Bezugsebene des Schaltwandlers zu erhalten.
Die herkömmlichen Methoden der Krümmungsradiusbestimmung setzen im Falle der optischen Verfahren ausreichend lichtdurchlässige Medien und im Falle von mechanischen oder gemischten optisch-mechanischen Verfahren die direkte Zugänglichkeit der Grenzfläche voraus.
Bei herkömmlichen Ultraschallverfahren werden A-mode-Verfahren und B-mode-Verfahren unterschieden:
Das A-mode-Verfahren ist ein Impuls-Echo-Verfahren mit einem Einzel-Element-Schallwandler, bei dem die Auswertung entweder am Hochfrequenz(HF)-Signal hinsichtlich Laufzeit, Phasen und Amplituden-Informationen oder nach einer AM-Demodulation unter Verzicht auf die Phasen erfolgt.
Das Verfahren ist ein eindimensional ausgerichtetes Verfahren, dessen Sendeinformationen konstant sind.
Bei A-mode-Verfahren dient die herkömmliche Auswertung der Ultraschall-Laufzeit zwischen einem Signalgeber und einem Signalempfänger und einer im Übertragungsweg befindlichen Grenzfläche eines Objektes zur Bestimmung des Abstandes der Grenzfläche vom Schallwandler.
Die Auswertung der Amplitude und Phasen des reflektierten Ultraschall-Signals im A-mode-Verfahren dient zur Beurteilung der Höhe der durch Impedanzunterschiede und/oder Materialfeinstruktur bedingten Rückstreuung und ermöglicht Aussagen über Ort und Art des Einschlusses/Fehlers, der Delamination, der Art des angrenzenden Materials/Gewebes. Sie ist aber bei Unkenntnis gekrümmter Grenzflächen mit hohen Fehlern behaftet. Allgemein gilt, dass über die Krümmung keine direkten Informationen gewonnen werden können. Die Krümmung kann nur aus der Amplitude durch sukzessive Ortung von diversen Richtungen abgeschätzt werden. Dabei ist nur eine grobe Schätzung möglich, so dass bei gekrümmten Grenzflächen in Messobjekten meistens Fehlinterpretationen auftreten können.
Z. B. wird in der Druckschrift: Volker Deutsch, Michael Platte, Manfred Vogt: Ultraschallprüfung, Springer Verlag Berlin Heidelberg New York 1997, S.133ff für Messungen in der ZfP geschrieben: „Die Form des Fehlerechos lässt weitere Rückschlüsse vor allem auf die Oberflächengestalt der aufgefundenen Inhomogenitäten zu." Er führt aus, dass sich mit Hilfe der Echodynamik bei einer Schallkopfbewegung Fehlerformen unterscheiden lassen. Es wird weiterhin auf fehlerhafte Messungen, falsche Abstandsbestimmung und Fehlinterpretationen mit der Aussage hingewiesen, dass „... Fehler mit unterschiedlichen Tiefen oder zum Teil schräg reflektieren den Oberflächenanteilen auch ein entsprechend „zerrissenes", verbreitertes und in der Amplitude reduziertes Echo ..." hervorrufen.
Das B-mode-Verfahren stellt grundsätzlich eine Aneinanderreihung von A-mode-Zeilen dar, typisch jedoch in Helligkeits- statt Amplitudenmodulation, und ist ein Abtastverfahren, das manuell oder automatisch mit einem Einzelelement-Schallwandler oder einem Multielement-Schallwandler durchgeführt wird. Die Sendeinformationen am Einzelelement-Schallwandler sind konstant, während bei einem Linien-Array eine variable elektronische Schwenkung und/oder Fokussierung des Ultraschallbündels vorgesehen sein kann. Durch die Nutzung der topografischen Informationen der B-mode-Zeilen als Empfangsgrößen wird ein Teil der Oberflächenkontur sichtbar.
Die Kontur einer Grenzfläche lässt sich daher anhand ihrer Reflexion und Rückstreuung grob, jedoch nur in einer Schnittebene pro Abtastvorgang abschätzen. Um die Grenzfläche grob räumlich dreidimensional zu beurteilen, sind mit dem B-mode-Verfahren sukzessiv zahlreiche Schnittbilder in anderen Gradlagen – in Meridianen – nötig. Durch die jeweils erforderliche Neujustierung ist die Konsistenz solcher Daten aber beschränkt. Es treten dabei Justierfehler auf, die auf das sukzessive Einstellen mehrerer Ebenen mit nicht koinzidenten Achsen zurückzuführen sind. Dieser Nachteil entfällt zwar bei Einsatz von Schallwandlern mit zweidimensionaler Matrix von Elementen, so genannten 3D-Schallköpfen.
Die Druckschrift Hertz, C. H.: Pulse-echo techniques, Quality of linear and sector scan images and the compound scan. Handbock of clinical ultrasound. Ed: de Vlieger et al., John Wiley & Sons, New York 1978, Page 35–36 beschreibt die typischen Abbildungsfehler bei der B-mode Abtastung einer Kugel und eines Zylinders. Die groben Artefakte von Linear- und Sektorabtastung mit einem Einzel-Wandler verringern sich zwar durch eine Compound-Abtastung, d. h. wenn die Grenzfläche aus mehreren Richtungen und Winkeln geortet wird und die Ergebnisse überlagert werden, jedoch verbleiben Artefakte in Form von "Rosetten" anstatt der wahren kreisförmigen Querschnitte. Elektromechanische Schallköpfe sind meistens auf Sektorab tastung festgelegt und daher für die Abbildung konvexer Krümmungen ungeeignet wie in der Druckschrift Thijssen, J. M.; A new B-scan system for ophthalmic diagnosis. Ophthalmic Research 2, 285–294, 1971 beschrieben ist.
Ähnliche Beschränkungen gelten grundsätzlich auch für Multielement-Wandler. Über die Bauform dieser Wandler, bei denen die Wandlerelemente auf ebenen, konvexen oder konkaven Trägern angeordnet sind, kann nur die Abbildung bestimmter passender Krümmungen optimiert werden. Die Konturdarstellung wird durch Nebenkeulen und Speckle beeinträchtigt. Die für die örtliche Auflösung wichtige effektive Bündelbreite kann zwar in der Schnittebene variiert, d. h. auf eine untersuchte Ebene eingestellt werden, jedoch bei einzeiligen Ausführungen nicht in der azimutalen Richtung, sodass die abgebildete Kontur in jedem Meridian Mittelungsfehler aufweist, wie in der Druckschrift Kleves, P.-M.: Physik und Technik der Ultraschalldiagnoseverfahren, Moderne Bildgebung, Ed. Ewen, K., Thieme, Stuttgart, New York 1998, Page 197–221 beschrieben ist.
Probleme beider Verfahren bestehen darin, dass sie keine exakte Bestimmung des Krümmungsradius von Grenzflächen erlauben, da die Genauigkeit der Ortsdefinition durch mehrere Faktoren, u. a. Bündelbreite, laterale und azimutale Empfängerauflösung, Nebenkeulen und Artefakte, begrenzt wird.
Sowohl beim A- als auch beim B-mode-Verfahren wird, wenn die Grenzflächengröße in der Größenordnung der Bündelbreite ist, die Krümmung nicht sichtbar.
Beide Verfahren haben auch allgemein das Problem, dass krümmungsbedingte Signalformänderungen und Änderungen der Signalhöhe zu Fehlern bei der Bestimmung des Ortes und der Größe der Ortskrümmung der Grenzfläche und zu falschen Aussagen bei der Bewertung des Grenzübergangs führen können, z. B. können bei konkav gekrümmten Grenzflächen ähnliche Signalformen wie bei einer Delamination oder einem Hohlraum entstehen.
Es ist eine Einrichtung zur Bestimmung des Krümmungsradius und zur Lokalisierung von Objekten mit Mehrfachschallsensoren in der Druckschrift B. Barshan et al. Radius of curvature estimation and localization of targets using multiple sonar sensors, J. Acoust. Soc. Am., vol. 105, No. 4, April 1999, Seiten 2318 bis 2331 beschrieben, wobei von einem Pulsgenerator ausgehend ein nachgeordneter Sender Signale auf ein Messobjekt übermittelt, dessen reflektiertes Signal von einem Empfänger des Ultraschallwandlers aufgenommen und einer computergestützten Auswerteeinheit zugeführt wird.
Dazu gehört eine Sensoreinrichtung für eine 3D-Ultraschallwandleranordnung. Die Anordnung enthält fünf Ultraschallwandler, die in größeren Abständen zueinander und zum Messobjekt angeordnet sind. Die Ermittlung des Abstandes und des Krümmungsradius eines reflektierenden Objektes in einer Flüssigkeit oder in einem Gas wird mit Hilfe eines Triangulationsverfahrens aus den Laufzeiten der reflektierten Ultraschallsignale an den verschiedenen Wandlern bestimmt. Die Wandleranordnung ist z. B. für den Einsatz als Navigationssystem für einen auf dem Meeresgrund fahrenden Roboter entwickelt worden. Die Genauigkeit des Verfahrens hängt von den Laufzeitunterschieden der an den verschiedenen Wandlern ankommenden Welle und damit vom Abstand des reflektierenden Objektes, vom Abstand der Ultraschallwandler und von der Winkelorientierung des Objektes bezüglich der Wandleranordnung ab.
In der DS1 wird beschrieben, dass die Genauigkeit der Messungen durch eine Optimierung des Abstandes zwischen den Wandlern entsprechend dem vorliegenden Abstand des Objektes und durch eine zusätzliche Rotation der Ultraschallwandleranordnung erhöht wird.
Ein Problem besteht darin, dass die Ultrschallwandleranordnung für Untersuchung von mehrschichtigen Messobjekten nicht geeignet ist. Sie ist nur in einer Flüssigkeit anwendbar, aber nicht für geschichtete Festkörper und medizinische Gewebe, bestehend aus mehreren Gewebsarten, z. B. beim Auge, geeignet. Für eine Anwendung in der Verfahrenstechnik bei fluiden Medien ist die Wandleranordnung auch nur bedingt geeignet, da sie in der Flüssigkeit positioniert werden muss und damit ein Eingriff in den Prozess erfolgt. Außerdem stellt der für kleine Distanzen notwendige Abstand zwischen den Wandlern ein weiteres Problem dar, da durch die große Raumforderung eine Ankopplung an kleine Objekte nicht möglich ist.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung und ein Verfahren zur Bestimmung der Kombination von Krümmungsradien und Abständen an akustischen Grenzflächen in Messobjekten mittels Ultraschall anzugeben, die derart geeignet ausgebildet sind, dass der Krümmungsradius mit hoher Genauigkeit bestimmt und damit nachfolgend als Basis-Parameter für die angegebenen Anwendungsgebiete eingesetzt werden kann.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 13 gelöst.
Die Anordnung zur Bestimmung der Kombination von Krümmungsradien und Abständen an akustischen Grenzflächen in Messobjekten mittels Ultraschall besteht aus
einem Pulsgenerator, der n > 2 mit
gegeneinander zeitverzögerte Anregungssignale erzeugt,
einer Sende-Empfangs-Weiche,
einem Ultraschallwandler mit n > 2 mit n
Elementen zum Senden und Empfangen von Schallwellen, der die elektrischen Signale vom Pulsgenerator über die Sende-Empfangs-Weiche erhält und dessen Elemente zeitverzögert angeregt werden und der von jedem Element aus eine zeitverzögerte Schallwelle in das Messobjekt zur Grenzfläche sendet und nach Umschaltung auf Empfang durch Schalter in der Sende-Empfangs-Weiche die von der Grenzfläche reflektierten Schallwellen separat an jedem Element empfängt, wobei zumindest durch den Ultraschallwandler und durch die Einschallrichtung zum Messobjekt eine Messanordnung vorgegeben ist,
n > 2 Verstärkungseinheiten, die die empfangenen Signale vom Ultraschallwandler über die Sende-Empfangs-Weiche erhalten,
einer Aufnahmeeinheit, die mindestens einen Analog-Digital-Wandler zur Analog-Digital-Wandlung der von der Sende-Empfangs-Weiche über die Verstärkungseinheiten weitergeleiteten Signale erhält,
einer der Aufnahmeeinheit nachgeordneten Auswerteeinheit und
einer Ergebnis-Anzeigeeinheit, die der Auswerteeinheit nachgeordnet ist,
wobei gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 1
der Ultraschallwandler derart ausgebildet ist, dass er an das Messobjekt, an die Messanordnung und an einen Abstand a_l zur Grenzfläche bezüglich der Nennfrequenz, Elementgröße und Elementform angepasst ist und er die je nach einem gewählten Zeitverzögerungsregime aus der Überlagerung der Schallwellenzüge der Einzelelemente entstehenden Fokusse F_i schrittweise entlang der Axialen des Ultraschallwandlers auf einzelne Orte in Fokusabständen f_i verschiebt und vor, auf und hinter der reflektierenden Grenzfläche platziert,
eine Simulationseinheit vorgesehen ist, mit deren Hilfe das reflektierte Schallfeld auf dem Ultraschallwandler für unterschiedliche Krümmungsradien r_l der Grenzfläche und für unterschiedliche Abstände a_l zwischen Ultraschallwandler und Grenzfläche in Abhängigkeit des vorgesehenen Ultraschallwandlers, der Messanordnung und des Messobjektes für die verschiedenen Fokusse F_i simuliert wird, wobei für jeden Abstand a_l und für verschiedene Krümmungsradien r_j jeweils eine Schar von Kalibrierungskurven in Form von Schalldruckverteilungskurven als Funktion der Fokusabstände f_i und die Signalform geliefert wird, wobei die Simulationseinheit an die Auswerteeinheit angeschlossen ist,
die Aufnahmeeinheit neben dem aus der Laufzeit bestimmten Abstand a_l zwischen der Grenzfläche und dem Ultraschallwandler für alle verschiedenen Fokusse F_i die reflektierte Schallwelle auf den einzelnen Elementen Ek bestimmt, woraus für jedes Element Ek und/oder zusammengefasste Elemente der zeitliche Verlauf des Schalldruckes und daraus die Schalldruck-Amplitude auf jedem Element Ek sowie die Schalldruckverteilungsanteile auf den einzelnen Elementen Ek für jeden Fokus F_i sowie Signalformänderungen ermittelt werden, wobei die Schalldruckverteilungskurven als Funktion der Fokusabstände f_i erstellt werden, und
die durch Messung ermittelten Schalldruckverteilungskurven mit der Schar der Kalibrierungskurven für den ermittelten Abstand a_l zwischen Grenzfläche und Ultraschallwandler verglichen werden, wobei die Auswerteeinheit die Lage der Schnittpunkte zwischen den Schalldruckverteilungskurven der Einzelelemente oder zusammengefasster Elemente bestimmt und mit den Kalibrierungskurven vergleicht und die zwei Scharen von Kalibrierungskurven auswählt, bei denen die Schnittpunkte der Kurven der gleichen Elemente oberhalb und unterhalb der Schnittpunkte in den gemessenen Schalldruckverteilungskurven liegen und durch Interpolation aus der Schnittpunktlage den Krümmungsradius r bestimmt, und wobei der bestimmte Krümmungsradius r in der Ergebnis-Anzeigeeinheit angegeben wird.
Der für die Bestimmung zutreffende Ultraschallwandler wird mit Hilfe der Simulationseinheit in Abhängigkeit der Messanordnung, des Messobjektes, der Entfernung der zu untersuchenden Grenzfläche und der möglichen Krümmungsradien der Grenzfläche ausgewählt.
Die einzelnen Elemente des Ultraschallwandlers können eine ringförmige Struktur besitzen, deren Form, Größe und zueinander bezogenen Abstände derart festgelegt sind, dass eine schrittweise Fokussierung in ausreichenden Fokusabständen f_i vor, auf und hinter der Grenzfläche möglich ist.
Der Ultraschallwandler kann in Abhängigkeit des Abstandes a_l zwischen zu untersuchender Grenzfläche und Ultraschallwandler und der daraus resultierenden Fokusabstände f_i entweder eben sein oder auf einer Kalotte platzierte Elemente aufweisen.
Der Ultraschallwandler als Sender kann zur besseren Fokussierung als Einzelelemente Ringe gleicher Fläche besitzen.
Für den Ultraschallwandler als Empfänger werden die Ringgrößen oder die durch Summation über einzelne nebeneinander liegende Elemente entstehenden Ring größen derart festgelegt, dass die registrierten Schalldruckunterschiede zwischen den einzelnen Ringen möglichst groß sind.
Die Parameter des Ultraschallwandlers für seine Funktionen als Sender und Empfänger werden mit Hilfe der Ergebnisse, die die Simulationseinheit entsprechend des Messobjektes und der Messanordnung liefert, angepasst und nachfolgend wird der Ultraschallwandler derart ausgewählt oder gefertigt, dass im Sendebetrieb die Fokussierung möglich ist und im Empfangsbetrieb die Schalldruckverteilungen registrierbar sind.
Im Ultraschallwandler kann mindestens ein ringförmiges Element segmentartig unterteilt sein, um eine Schräglage der Grenzfläche für eine nachfolgende Justierung zu erkennen, um sphärische, torische und zylindrische Krümmungen der Grenzflächen zu unterscheiden sowie bei genügend großen Signalen eine Bestimmung von zwei Krümmungsradien der Hauptachsen zu erreichen.
Der Ultraschallwandler kann sowohl mit einem üblichen breitbandigen Signal als auch mit einem schmalbandigen Signal zur Bestimmung der Schalldruckverteilung zwischen den einzelnen Elementen, d. h. mit harmonischen Wellenzügen bestimmter Länge oder mit kurzen Impulsen betreibbar sein.
Die Simulationseinheit kann Kalibrierungskurven in Abhängigkeit vom Krümmungsradius r_j der Grenzfläche, vom Abstand a_l zwischen dem Ultraschallwandler und der Grenzfläche, von der Elementegeometrie des Ultraschallwandlers und von Impedanzunterschieden des Messobjektes bereitstellen.
Die Aufnahmeeinheit kann die Schalldruckanteile auf den Einzelelementen Ek im Vergleich zum Gesamtschalldruck für den ganzen Schallwandler als Funktion des Fokusabstandes f_i bestimmen, wobei gleichzeitig eine Bestimmung des zeitlichen Verlaufs des Schalldrucks für jedes Einzelelement Ek im jeweiligen Fokus F_i, eine Normierung auf den Schalldruck der zusammengefassten Elemente des Ultra schallwandlers im jeweiligen Fokusabstand f_i und eine Aufnahme der Schalldruckverteilungskurven des Spitzenschalldrucks oder des Pulsintegrals des quadrierten Schalldrucks als Funktion des Fokusabstandes f_i erfolgen können, worauf die Auswerteeinheit die Lage der Schnittpunkte in den Schalldruckvertei-lungskurven der Einzelelemente oder zusammengefasster Elemente bestimmt und mit den Kalibrierungskurven vergleicht und die zwei Kalibrierungskurven auswählt, bei denen die Schnittpunkte der gleichen Elemente Ek oberhalb und unterhalb der Schnittpunkte in den gemessenen Schalldruckverteilungskurven liegen und durch Interpolation aus der Schnittpunktlage den Krümmungsradius r bestimmt.
Die Aufnahmeeinheit nimmt außerdem den zeitlichen Verlauf des Signals für jedes Element Ek auf, so dass außerdem die Signalformänderung inklusive der Phasenänderungen des Signals ausgewertet werden können.
Das Verfahren zur Bestimmung der Kombination von Krümmungsradien und Abständen an akustischen Grenzflächen in Messobjekten mittels Ultraschall wird mit der vorgenannten erfindungsgemäßen Anordnung durchgeführt,
wobei der Kennzeichenteil des Patentanspruchs 13 folgende Schritte aufweist,

– Simulation des reflektierten Schallfeldes auf dem Empfänger für unterschiedliche Krümmungsradien r_j der Grenzfläche in Abhängigkeit des vorgesehenen Ultraschallwandlers, der Messanordnung, des Messobjektes, der Impedanzunterschiede an der Grenzfläche und des Abstandes a_l zwischen Ultraschallwandler und Grenzfläche für die verschiedenen Fokusabstände f_i mit Hilfe einer Simulationseinheit und Erzeugung jeweils einer Schar von Kalibrierungskurven für verschiedene Krümmungsradien r_j und mögliche Abstände a_l in Form von Schalldruckverteilungskurven und der Signalformen jeweils als Funktion des Fokusabstandes f_i,
– Ermittlung des Abstandes a zwischen Ultraschallwandler und Grenzfläche aus der Laufzeit des Ultraschallsignals durch die Auswerteeinheit und Auswahl der Kalibrierungskurven,
– schrittweise Verschiebung der Fokusse F_i entlang der Axialen des Ultraschallwandlers auf einzelne Orte in Fokusabständen f_i vor, auf und hinter der zu untersuchenden Grenzfläche durch zeitverzögerte Überlagerung der Wellenzüge der Einzelelemente Ek und Messung der für den jeweiligen Fokusabstand f_i reflektierten Schallwelle auf den einzelnen Elementen Ek durch die Aufnahmeeinheit, woraus die Schalldruckamplitude für jedes Element Ek und für zusammengefasste Elemente, die Schalldruckverteilungsanteile auf die einzelnen Elemente Ek für jeden Fokusabstand f_i sowie Signalformänderungen ermittelt werden, wobei die Schalldruckverteilungskurven als Funktion der Fokusabstände f_i erstellt werden, und
– Vergleich der durch Messung ermittelten Schalldruckverteilungskurven mit der Schar der Kalibrierungskurven für den ermittelten Abstand a und Bestimmung des Krümmungsradius r der Grenzfläche, wobei die Auswerteeinheit die Lage der Schnittpunkte zwischen den Schalldruckverteilungskurven der Einzelelemente oder zusammengefasster Elemente bestimmt und mit den Kalibrierungskurven vergleicht und den zwei Scharen von Kalibrierungskurven zuordnet, bei denen die Schnittpunkte der Kurven der gleichen Elemente oberhalb und unterhalb der Schnittpunkte in den gemessenen Schalldruckverteilungskurven liegen und durch Interpolation aus der Schnittpunktlage den Krümmungsradius r bestimmt, und
– Ausgabe des bestimmten Krümmungsradius r in der Ergebnis-Anzeigeeinheit.

Die Auswahl des Ultraschallwandlers erfolgt mit Hilfe der Simulationseinheit entsprechend den Parametern der Messobjekte vor Beginn des Verfahrens zur Krümmungsradiusbestimmung.
Der Ultraschallwandler kann sowohl mit einem üblichen breitbandigen Signal als auch mit einem schmalbandigen Signal zur Bestimmung der Schalldruckverteilung auf den einzelnen Elementen Ek betrieben werden.
Von der Simulationseinheit werden Kalibnierungskurven in Abhängigkeit von den unterschiedlichen Krümmungsradien r_j, die voraussichtlich auftreten, von dem Ab stand a_l zwischen dem Ultraschallwandler und der zu untersuchenden Grenzfläche, von der Elementegeometrie des Ultraschallwandlers, vom Messobjekt, von der Messanordnung und von auftretenden Impedanzunterschieden im Messobjekt als Funktion des Fokusabstandes f_i bereitgestellt. Unter Berücksichtigung der oben genannten Details bei der Simulation hängen die Kalibrierungskurven nur noch vom Abstand a_l, dem Krümmungsradius r_j und dem Fokusabstand f_i ab.
In der Aufnahmeeinheit werden die Schalldruckanteile auf den Einzelelementen Ek im Vergleich zum Gesamtschalldruck für den ganzen Ultraschallwandler als Funktion des Fokusabstandes f_i bestimmt, wobei eine Normierung auf den Schalldruck der zusammengefassten Elemente des Ultraschallwandlers im jeweiligen Fokusabstand f_i und eine Aufnahme der Schalldruckverteilungskurven erfolgen, wobei durch Bestimmung der Verschiebung der Schnittpunkte der Schalldruckverteilungskurven der Einzelelemente Ek oder der zusammengefassten Elemente durch Vergleich mit den Kalibrierungskurven der Krümmungsradius r bestimmt wird.
Die Aufnahmeeinheit nimmt außerdem den zeitlichen Verlauf des Signals für jedes Element Ek auf, so dass außerdem die Signalformänderung inklusive der Phasenänderungen des Signals ausgewertet werden können.
Die Bestimmung von Krümmungsradien und der Form der Grenzfläche und deren Abstand soll aus dem Ultraschall-Echosignal bei Grenzflächen durchführbar sein, wobei Sender/Empfänger und Grenzfläche zueinander konstant justiert, d. h. in Ruheposition bleiben, und wobei die reflektierende Grenzfläche sphärisch, torisch und/oder zylindrisch gekrümmt sein kann.
Die Bestimmung der Messparameter – des Abstandes a_l und die Aufnahme der Schalldruckverteilungskurven – erfolgt innerhalb einer derart kurzen Zeit, dass das Verfahren auch bei dynamischen Vorgängen, d. h. bei Bewegung der Grenzfläche möglich ist.
Wird das neue Verfahren zur Bestimmung der Krümmungsradien zusätzlich beim A- und B-Mode-Verfahren angewendet, so lassen sich die Aussagen dieser Verfahren verbessern.
Das Verfahren wird zur Untersuchung und Bestimmung von Grenzflächen zwischen fluiden Medien, für Grenzflächen zwischen verschiedenen Gewebsarten, Grenzflächen zwischen Festkörpern (nichtschubspannungsfrei), zwischen Festkörper und Flüssigkeit sowie für Grenzflächen eines flüssigen oder festen Mediums zu Luft oder anderen Gasen oder Vakuum (Blasen) eingesetzt. Die zu untersuchende Grenzfläche kann mit mehreren Schichten unterschiedlicher Medien bedeckt und auch einer lichtoptischen Untersuchung unzugänglich sein. Somit ist das Verfahren z. B. zur nichtinvasiven Bestimmung von Krümmungsradien am Augenhintergrund – mit Durchschallung der vorgeschalteten Medien von Hornhaut, Kammerwasser, Linse und Glaskörper – oder zur Krümmungsradiusmessung von Einschlüssen und Lunkern in Festkörpern nach einem Wasservorlauf einsetzbar.
Mit der Erfindung wird an Grenzflächen innerhalb von Messobjekten die Kombination von Krümmungsradius r und Abstand a der Grenzfläche vom Ultraschallwandler mit Hilfe von Ultraschall mit den angegebenen erfindungsgemäßen Kreisring-Ultraschallwandlern gleichzeitig und, ohne eine Änderung der Position des Ultraschallwandlers, bestimmt. Es liegt kein abtastendes Verfahren vor. Die Krümmungsradiusinformation wird durch Variation der gesendeten Wellenfront und durch Diskretisierung des Schallfeldes am Empfänger des Ultraschallwandlers durch folgende Vorgänge gewonnen:
Nach einer Eingangs-Justierung des Ultraschallwandlers zur Grenzfläche werden durch schrittweise Fokussierung die Fokusse F_i vor, auf und hinter der Grenzfläche platziert und der Schalldruck am Empfänger des Ultraschallwandlers auf den Einzelelementen Ek und den zusammengefassten Elementen des Ultraschallwandlers sowie die Schalldruckverteilung bestimmt.
Es erfolgt eine Auswertung der Schalldruckverteilung an den einzelnen Fokussen F_i. Der Vergleich des Schalldrucks der Einzelelemente Ek mit dem Schalldruck der zusammengefassten Elemente des Ultraschallwandler an den verschiedenen Fokussen F_i liefert für jedes Element Ek eine Schalldruckverteilungskurve in Abhängigkeit der Fokusabstände f_i. Für jeden Krümmungsradius r_i ergibt sich eine Kurvenschar mit anderen Kurvenverläufen für die Einzelelemente Ek. Aus der Lage der Schnittpunkte der Kurven, an denen zwei Elemente Ek einen gleichen Empfangs-Schalldruck besitzen, und aus dem gleichzeitig gemessenen Grenzflächenabstand a wird der Krümmungsradius r der Grenzfläche ermittelt.
Zusätzlich ist die Auswertung der durch die gekrümmte Grenzfläche hervorgehobenen Formänderung des Signals, der Phasenverschiebungen und der Laufzeit möglich.
Die Vorauswahl eines Kreisring-Ultraschallwandlers erfolgt entsprechend folgenden Gesichtspunkten:

A. Mit ringförmigen Elementen Ek lässt sich ein Punktfokus erzielen, wohingegen linienförmige Elemente einen Linienfokus, der in einer Richtung nicht fokussierbar ist, erzeugen. Um einen Punktfokus zu erzeugen, und aus Symmetriegründen beim Vorliegen von sphärischen oder torischen Grenzflächen, werden ringförmige Elemente Ek eingesetzt. Die ringförmigen Elemente Ek erweisen sich auch beim Empfang als vorteilhaft, da bei den reflektierten Schallwellen die registrierten Schalldruckunterschiede auf den verschiedenen Elementen Ek, wenn sie als Ringe ausgelegt sind, besonders groß sind. Das verbessert die Genauigkeit der Krümmungsradiusbestimmung.
B. Zur Bestimmung der räumlichen Lage der Grenzfläche, zur Justierung und zur Erfassung einer torischen Krümmung können einzelne Elemente des Ultraschallwandlers in radialer Richtung zusätzlich segmentartig unterteilt sein.
C. Für die Wahl der Elementzahl und der Elementgröße ergibt sich Folgendes: Der Fokussierungsbereich eines Ultraschallwandlers hängt von seiner Gesamtgröße, seiner Mittenfrequenz und der Breite der Einzelelemente Ek ab. Damit die notwendige Elementeanzahl nicht zu groß wird und die Fokussierung trotzdem in der Umgebung der Grenzfläche erfolgen kann, werden deshalb für verschiedene Anwendungen in Abhängigkeit des Abstandes a_l der Grenzfläche vom Ultraschallwandler unterschiedliche Ultraschallwandler eingesetzt. Die Verwendung von Elementen Ek gleicher Fläche erweist sich als zweckmäßig für eine bessere Fokussierung. Außerdem lässt sich durch den Einsatz eines gekrümmten Sender/Empfängerschallwandlers oder durch Anpassung der Ringabstände im Schallwandlerbereich die notwendige Anzahl der Ringelemente reduzieren. Im Empfangsbereich sind meistens weniger Elemente als im Sendebereich zur Krümmungsradiusbestimmung erforderlich. Durch die zusätzlich vorhandenen Elemente Ek lässt sich durch eine Mittelung aber die Genauigkeit der Krümmungsradienbestimmung erhöhen.

Bei konstant bleibender Krümmung lassen sich die Empfangselemente nacheinander bei Wiederholung des Sendesignals auswerten und somit ist nur ein Analog-Digital-Wandler erforderlich. Für schnellere Auswertungen und bei dynamischen Vorgängen sind alle Elemente Ek einzeln auszuwerten, wobei pro Element Ek ein Analog-Digital-Wandler erforderlich ist.
Bei dynamischen Vorgängen, bei denen Bewegung und/oder Formveränderung vorliegen, wie z. B. Krümmungsmessung und Abstandsmessung an sich bewegenden, wachsenden und sich in der Form verändernden Blasen oder der Formänderung von biologischen Organen, etwa durch kreislaufbedingte Pulsation der Herzwand oder durch den Akkommodationsvorgang am Auge, erfolgt eine Messung des aktuellen Abstandes a_l sowie eine fortlaufende Registrierung in Echtzeit aller Empfangssignale auf allen Einzelelementen zur Bestimmung des Krümmungsradius. Damit ist auch eine Bestimmung der Dynamik der Krümmung möglich.
Das beschriebene Verfahren liefert die Krümmungsradien von Grenzflächen mit großer Genauigkeit weitgehend unabhängig von vorgelagerten Blenden oder vorlie genden Kappen anstelle von Vollkörpern. Teilweise lässt sich mittels des gleichen Ultraschallwandlers bei anderer Betriebsweise zusätzlich die Blendengröße bzw. Kappenhöhe ermitteln.
Mit der Erfindung ist es möglich, den Krümmungsradius r mit einer Genauigkeit von unter 5% zu bestimmen.
Die angegebenen Anwendungsgebiete werden nachfolgend detailliert angegeben:

– Durch die Bestimmung krümmungsbedingter Signalformänderungen und Änderungen der Signalhöhe ist bei der zerstörungsfreien Prüfung und in der Ultraschalldiagnostik eine Verbesserung der Bestimmung von Ort und Größe der Grenzfläche – zum Beispiel Materialfehler, Artefakte, Organgrenzen, umschriebene krankhafte Gewebsveränderungen – möglich.
– Da sowohl gekrümmte Grenzflächen als auch Phasenübergänge Signalformänderungen – Signalhöhe, Phase, Länge, Größenverhältnisse der einzelnen Peaks – hervorrufen, führt die Bestimmung der Krümmungsradien zu genaueren Aussagen über den Phasenübergang an der akustisch reflektierenden Grenzfläche. So lassen sich gekrümmte Einschlüsse von Hohlräumen oder Delaminationen unterscheiden.
– Außerdem kann nicht nur zwischen Einschluss und Hohlraum unterschieden werden, sondern es sind auch Aussagen über das Material des Einschlusses möglich. Da die registrierte Signalform vom Sendesignal, vom Abstand zwischen Sender/Empfänger und der Grenzfläche sowie vom Krümmungsradius und dem Impedanzsprung abhängt, können nach der Bestimmung des Krümmungsradius aus der Schalldruckverteilung und aus der Signalform am Empfänger auch Informationen über den Impedanzunterschied erhalten werden. Solche Informationen können auch zur Gewebecharakterisierung/-differenzierung genutzt werden.

Weiterbildungen und spezielle Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Unteransprüchen beschrieben.
Die Erfindung wird anhand mehrerer Ausführungsbeispiele mittels mehrerer Zeichnungen erläutert:
Es zeigen:
1 schematische Darstellungen der erfindungsgemäßen Anordnung zur Bestimmung der Kombination von Krümmungsradien und Abständen an akustischen Grenzflächen in einem Messobjekt mit einem flüssigen und einem soliden Medium mittels eines Ultraschallwandlers mit sechs Schallwandlerelementen, wobei
1a die Anordnung mit ihren wesentlichen Bestandteilen und
1b eine vergrößerte Darstellung der Anordnung im Bereich Messobjekt und Ultraschallwandler
zeigen,
2 eine schematische Darstellung eines Kreisring-Ultraschallwandlers mit sechs ringförmigen Elementen, wobei ein Element zusätzlich in Segmente unterteilt ist, in Draufsicht auf die Schallfläche,
3 schematische Darstellungen von geometrischen Betrachtungen der Reflexion an Grenzflächen, wobei
3a eine ebene Grenzfläche,
3b eine konvex gekrümmte Grenzfläche bei gleicher Fokussierung wie in 3a und
3c eine konvex gekrümmte Grenzfläche bei einer Fokussierung im Krümmungsmittelpunkt
zeigen,
4 Darstellungen der Schalldruckverteilung auf dem empfangenden Ultraschallwandler, wobei
4a eine ebene Grenzfläche nach 3a,
4b eine konvex gekrümmte Grenzfläche nach 3b und
4c eine Schallleistungsskala
darstellen,
5 Darstellungen der Schalldruckverteilung auf der Gesamtfläche des Ultraschallwandlers in einem Abstand von a = 10 mm zwischen der Grenzfläche und dem Empfänger bei unterschiedlichen Fokussierungen und unterschiedlichen Krümmungsradien r₁ = 8 mm und r₂ = 10 mm der Grenzflächen, wobei
5a eine Fokussierung auf einen Fokusabstand f₀ von 10 mm,
5b eine Fokussierung auf einen Fokusabstand f₁ von 15 mm und
5c eine Fokussierung auf einen Fokusabstand f₂ von 20 mm, zeigen, wobei eine Normierung des Schalldrucks an jedem Fokusabstand f₀, f₁, f₂ auf den Schalldruck der zusammengefassten Elemente des Ultraschallwandlers vorhanden ist,
6 eine Darstellung der ermittelten Schalldruckverteilung mit Kurven V = V(f_i) auf dem Empfänger zur Schnittpunktermittlung des von einer konvexen Kugelgrenzfläche mit einem ersten Krümmungsradius r₁ = 8 mm reflektierten Signals auf sechs Elementen E1 bis E6 bei einer schrittweisen Fokussierung bei einem Abstand a = 10 mm nach 5, wobei eine Normierung an jedem Fokusabstand f_i auf den Schalldruck der zusammengefassten Elemente des Ultraschallwandlers vorhanden ist,
7 eine Darstellung der ermittelten Schalldruckverteilung mit Kurven V = (f_i) auf dem Empfänger zur Schnittpunktermittlung des von einer konvexen Kugelgrenzfläche mit einem zweiten Krümmungsradius r₂ = 10 mm reflektierten Signals auf sechs Elementen E1 bis E6 bei einer schrittweisen Fokussierung bei einem Abstand von a = 10 mm nach 5, wobei eine Normierung an jedem Fokusabstand f_i auf den Schalldruck der zusammengefassten Elemente des Ultraschallwandlers vorhanden ist, und
8 eine Darstellung der ermittelten Schalldruckverteilung mit Kurven V = V(f_i) auf dem Empfänger zur Schnittpunktermittlung des von einer konvexen Kugelgrenzfläche mit einem Krümmungsradius r = 9 mm reflektierten Signals auf sechs Elementen E1 bis E6 bei einer schrittweisen Fokussierung bei einem Abstand von a = 10 mm nach 5, wobei eine Normierung an jedem Fokusabstand f_i auf den Schalldruck der zusammengefassten Elemente des Ultraschallwandlers vorhanden ist.
Im Folgenden werden die 1, 1a und 1b gemeinsam betrachtet.
In 1 ist eine Anordnung 1 zur Bestimmung der Kombination von Krümmungsradius r und Abstand a der akustischen Grenzfläche 12 zwischen einem ersten Medium 51 und einem zweiten Medium 52 des Messobjektes 4 mittels Ultraschall mit Hilfe eines Ultraschallwandlers 3 mit sechs Schallwandler-Elementen E1, E2, E3, E4, E5, E6 dargestellt.
Die Anordnung 1 besteht aus
einem Pulsgenerator 2, der sechs gegeneinander zeitverzögerte Anregungssignale 13 erzeugt,
einer Sende-Empfangs-Weiche 20,
dem Ultraschallwandler 3 mit den sechs Elementen E1, E2, E3, E4, E5, E6, der die Signale 13 vom Pulsgenerator 2 über die Sende-Empfangs-Weiche 20 erhält und dessen Elemente E1, E2, E3, E4, E5, E6 zeitverzögert angeregt werden und der von jedem Element E1, E2, E3, E4, E5, E6 aus eine zeitverzögerte Welle 311, 321, 331, 341, 351, 361 in das Messobjekt 4 in diesem Beispiel ins Wasser als erstes Medium 41 sendet und nach Umschaltung auf Empfang durch Schalter 21,22,23,24,25,26 in der Sende-Empfangs-Weiche 20 die von der Grenzfläche 12 reflektierten Ultraschallwellen separat an jedem Element E1, E2, E3, E4, E5, E6 empfängt, wobei zumindest durch den Ultraschallwandler 3 und durch die Einschallrichtung zum Messobjekt 4 eine Messanordnung 5 vorgegeben ist,
sechs Verstärkungseinheiten 6, die die empfangenen Signale vom Ultraschallwandler 3 über die Sende-Empfangs-Weiche 20 erhalten, und
einer Aufnahmeeinheit 7, die mindestens einen Analog-Digital-Wandler zur Analog-Digital-Wandlung der von der Sende-Empfangs-Weiche 20 weitergeleiteten Signale enthält,
einer der Aufnahmeeinheit 7 nachgeordneten Auswerteeinheit 9 und
einer Ergebnis-Anzeigeeinheit 10, die der Auswerteeinheit 9 nachgeordnet ist.
Erfindungsgemäß ist der Ultraschallwandler 3 derart ausgebildet, dass er an das Messobjekt 4, an die Messanordnung 5 und an den Abstand a zur Grenzfläche 12 bezüglich der Nennfrequenz, Elementgröße und Elementform angepasst ist und die je nach dem gewählten Zeitverzögerungsregime aus der Überlagerung der Wellenzüge 311, 321, 331, 341, 351, 361 der Einzelelemente E1, E2, E3, E4, E5, E6 entstehenden Fokusse F_i mit i = 0, 1, 2 schrittweise entlang der Axialen 40 des Ultraschallwandlers 3 auf einzelne Orte in Fokusabständen f_i wie z. B. f₀, f₁, f₂ in 5 verschiebt sowie auf und hinter der reflektierenden Grenzfläche 12 platziert,
ist eine Simulationseinheit 8 vorgesehen, mit deren Hilfe das reflektierte Schallfeld auf dem Ultraschallwandler 3 für unterschiedliche Krümmungsradien r der Grenzfläche 12 in Abhängigkeit des vorgesehenen Ultraschallwandler 3, der Impedanzwerte im Messobjekt 4 und des Abstandes a zwischen Ultraschallwandler 3 und Grenzfläche 12 für ca. 20 bis 40 verschiedene Fokusabstände f_i u. a. für f₀, f₁, f₂ simuliert wird, für den Abstand a eine Schar von Kalibrierungskurven für verschiedene Krümmungsradien r in Form von Schalldruckverteilungskurven und die Signalform jeweils als Funktion der Fokusabstände f_i geliefert wird, wobei die Simulationseinheit 8 an die Auswerteeinheit 9 angeschlossen ist,
wobei die Aufnahmeeinheit 7 neben dem aus der Laufzeit bestimmten Abstand a der Grenzfläche 12 vom Ultraschallwandler 3 für den jeweiligen Fokusabstand f_i z. B. f₀, f₁, f₂ das reflektierte Signal auf den einzelnen Elementen E1, E2, E3, E4, E5, E6 bestimmt, woraus der zeitliche Verlauf des Schalldrucks und daraus die Schalldruckamplitude auf jedem Element E1, E2, E3, E4, E5, E6 und für zusammengefasste Elemente, die Schalldruckverteilungsanteile auf die einzelnen Elemente E1, E2, E3, E4, E5, E6 für jeden Fokus F_i z. B. F₀, F₁, F₂ sowie Signalformänderungen ermittelt werden, wobei die Schalldruckverteilungskurven als Funktion der Fokusabstände f_i erstellt werden, und
wobei die durch Messung ermittelten Schalldruckverteilungskurven mit der Schar der Kalibrierungskurven für den ermittelten Abstand a zwischen der Grenzfläche 12 und dem Ultraschallwandler 3 verglichen werden, wobei die Auswerteeinheit 9 die Lage der Schnittpunkte S zwischen den Schalldruckverteilungskurven der Einzelelemente E1, E2, E3, E4, E5, E6 oder zusammengefasster Elemente bestimmt und mit den Kalibrierungskurven vergleicht und die zwei Scharen von Kalibrierungskurven auswählt, bei denen die Schnittpunkte S der Kurven der gleichen Elemente E1, E2, E3, E4, E5, E6 oberhalb und unterhalb der Schnittpunkte S in den gemessenen Schalldruckverteilungskurven liegen, und durch Interpolation aus der Schnittpunktlage den Krümmungsradius r bestimmt,
und wobei der bestimmte Krümmungsradius r in der Ergebnis-Anzeigeeinheit 10 angegeben wird.
Für das Messobjekt 4 im Ausführungsbeispiel, bestehend aus zwei Schichten, einem Wassermedium 41 als erstem Medium und Plexiglas 42 als zweitem Medium, mit einer sphärischen soliden Grenzfläche 12 bei einem eingestellten Abstand a = 10 mm zwischen dem Ultraschallwandler 3 und der Grenzfläche 12 erfolgt eine Auswahl eines ebenen Ringschallwandlers 3 mit sechs Elementen E1, E2, E3, E4, E5, E6, der bezüglich der Grenzfläche 12 justiert wird. In den 1a, 1b ist der ebene Ringschallwandler 3 im Längsschnitt dargestellt.
Der zu bestimmende Krümmungsradius r wird der sphärisch gekrümmten Grenzflächen 12 zugeordnet.
Die Auswahl des Ultraschallwandlers 3 wird mit Hilfe der Simulationseinheit 8 in Abhängigkeit vom Messobjekt 4, von der Messanordnung 5 und von der darin zu untersuchenden Grenzfläche 12 durchgeführt.
In 2 besitzen die einzelnen Elemente Ek = E1, E2, E3, E4, E5, E6 des Ultraschallwandlers 3 eine ringförmige Struktur, deren Form, Größe und zueinander vorgegebenen Abstände derart festgelegt sind.
Der Ultraschallwandler 3 weist in Abhängigkeit des Abstandes a zwischen Grenzfläche 12 und Ultraschallwandler 3 und des vorgegebenen Fokussierungs-Bereichs von ca. f_i = 7 mm bis 30 mm eine ebene Fläche auf.
Bei gleichen Fokussierungsbedingungen im Ultraschallwandler 3 können zur Verminderung der Ringzahl Ringe gleicher Fläche, wie in 2 gezeigt ist, ausgebildet sein.
Im Ultraschallwandler 3 sind für den Empfang der reflektierten Schallwellen die Ringgrößen der einzelnen sechs Elemente E1, E2, E3, E4, E5, E6 oder die durch Summation über einzelne nebeneinander liegender Elemente entstehenden Ringgrößen derart festgelegt, dass die registrierten Schalldruckunterschiede zwischen den einzelnen Ringen möglichst groß sind.
Im Ultraschallwandler 3 kann z. B., wie in 2 gezeigt ist, das ringförmige Element E4 aus den Elementen E1, E2, E3, E4, E5, E6 in Segmente E41, E42, E43, E44 unterteilt sein, um eine Schräglage der Grenzfläche für eine nachfolgende Justierung zu erkennen, um sphärische, torische und zylindrische Krümmung der Grenzfläche 12 zu unterscheiden sowie bei Segmentierung mehrerer Elemente E1, E2, E3, E4, E5, E6 und genügend großen Signalen eine Bestimmung von zwei Krümmungsradien der Hauptachsen zu erreichen.
Der Ultraschallwandler 3 kann sowohl mit einem üblichen breitbandigen Signal als auch mit einem schmalbandigen Signal zur Bestimmung der Schalldruckverteilung auf den einzelnen Elementen E1, E2, E3, E4, E5, E6 betreibbar sein.
Die Simulationseinheit 8 kann Kalibrierungskurven in Abhängigkeit vom Krümmungsradius r der Grenzfläche 12, vom Abstand a zwischen dem Ultraschallwandler 3 und der Grenzfläche 12, von der Elementegeometrie des Ultraschallwandlers 3 und von Impedanzunterschieden im Messobjekt 4 bereitstellen.
Die Aufnahmeeinheit 7 in 1 kann die Schalldruckanteile auf den ringförmigen Einzelelementen E1, E2, E3, E4, E5, E6 im Vergleich zum Gesamtschalldruck für den ganzen Ultraschallwandler 3 als Funktion der Fokusabstände f_i bestimmen, wobei eine Normierung auf den Schalldruck der zusammengefassten Elemente des Ultraschallwandlers im jeweiligen Fokusabstand f_i und eine Aufnahme der Schalldruckverteilungskurven erfolgt,
wobei durch Bestimmung der Verschiebung der Schnittpunkte S der Schalldruckverteilungskurven der Einzelelemente E1, E2, E3, E4, E5, E6 oder der zusammengefassten Elemente durch Vergleich mit den Kalibrierungskurven der Krümmungsradius r bestimmt wird.
Durch eine Normierung des Schalldruckes der Einzelelemente E1, E2, E3, E4, E5, E6 auf den Schalldruck der Gesamtfläche E1 + E2 + E3 + E4 + E5 + E6 des Ultraschallwandlers 3 für den jeweiligen Fokus F_i wird die Wirkung der Dämpfungseffekte beseitigt.
Die Aufnahmeeinheit 7 nimmt außerdem den zeitlichen Verlauf des Signals für jedes Element E1, E2, E3, E4, E5, E6 auf, so dass Phasenänderungen des Signals und die Signalformänderung auswertet werden können.
Das Verfahren zur Bestimmung der Kombination des Krümmungsradius r und des Abstandes a an der akustischen Grenzfläche 12 im Messobjekt 4, wobei sich die konvexe Grenzfläche 12 zwischen dem flüssigen ersten Medium 41 und dem soliden zweiten Medium 42 befindet, wird mittels Ultraschall mit der vorgenannten Anordnung 1 durchgeführt, unter Betrachtung der 1, 5, 6, 7, 8.
Erfindungsgemäß werden folgende Schritte durchgeführt:

– Simulation des reflektierten Schallfeldes auf dem Ultraschallwandler 3 für unterschiedliche Krümmungsradien r_j der Grenzfläche 12 in Abhängigkeit des vorgesehenen Ultraschallwandlers 3, des zweischichtigen Messobjektes, der Messanordnung 5, der Impedanzen von Medium 41 und 42 und des Abstandes a zwischen Ultraschallwandler 3 und Grenzfläche 12 für die verschiedenen Fokusabstände im Bereich von f_i = 7 mm bis ca. 30 mm in Schritten von 1 mm mit Hilfe der Simulationseinheit 8 und Erzeugung einer Schar von Kalibrierungskurven für verschiedene Krümmungsradien r_j von r₁ = 8 mm bis r₂ = 10 mm in Form von Schalldruckverteilungskurven und der Signalformen jeweils als Funktion der Fokusabstände f_i,
– Ermittlung des Abstandes a zwischen Ultraschallwandler 3 und Grenzfläche 12 aus der Laufzeit des empfangenen Signals durch die Auswerteeinheit 9 und Auswahl der Kalibrierungskurven und
– schrittweise Verschiebung der Fokusse F_i entlang der Axialen 40 des Ultraschallwandlers 3 auf einzelne Orte in Fokusabständen im Bereich von f_i = 7 mm bis ca. 30 mm in Schritten von 1 mm auf und hinter der zu untersuchenden Grenzfläche 12 durch zeitverzögerte Überlagerung der Wellenzüge der Einzelelemente E1, E2, E3, E4, E5, E6 und Messung der für den jeweiligen Fokusabstand f_i reflektierten Schallwelle auf den einzelnen Elementen E1, E2, E3, E4, E5, E6 durch die Aufnahmeeinheit 7, woraus die Schalldruckamplitude für jedes Element E1, E2, E3, E4, E5, E6 und für zusammengefasste Elemente, die Schalldruckverteilungsanteile auf die einzelnen Elemente E1, E2, E3, E4, E5, E6 für jeden Fokusabstand f_i sowie Signalformänderungen ermittelt werden, wobei die Schalldruckverteilungskurven als Funktion der Fokusabstände f_i erstellt werden,
– Vergleich der durch Messung ermittelten Schalldruckverteilungskurven mit der Schar der Kalibrierungskurven für den ermittelten Abstand a und Bestimmung des Krümmungsradius r der Grenzfläche 12, wobei die Auswerteeinheit 9 die Lage der Schnittpunkte S zwischen den Schalldruckverteilungskurven der Einzelelemente E1, E2, E3, E4, E5, E6 oder zusammengefasster Elemente bestimmt und mit den Kalibrierungskurven vergleicht und den zwei Scharen von Kalibrierungskurven zuordnet, bei denen die Schnittpunkte S der Kurven der gleichen Elemente E1, E2, E3, E4, E5, E6 oberhalb und unterhalb der Schnittpunkte in den gemesse nen Schalldruckverteilungskurven liegen, und durch Interpolation aus der Schnittpunktlage den Krümmungsradius r bestimmt, und
– Ausgabe des bestimmten Krümmungsradius r in der Ergebnis-Anzeigeeinheit 10.

Die Auswahl des Ultraschallwandlers 3 mit den angepassten Elementgrößen und Elementformen für die jeweiligen Parameter des Messobjektes 4 werden vor Beginn der Krümmungsradiusbestimmung durchgeführt. Der Ultraschallwandler 3 kann dabei mit Hilfe der Simulationseinheit 8 in Abhängigkeit des Messobjektes 4 festgelegt werden.
Der Ultraschallwandler 3 kann sowohl mit einem üblichen breitbandigen Signal als auch mit einem schmalbandigen Signal zur Bestimmung der Schalldruckverteilung auf den einzelnen Elementen E1, E2, E3, E4, E5, E6 betrieben werden.
Von der Simulationseinheit 8 werden Scharen von Kalibrierungskurven in Abhängigkeit vom Krümmungsradius r der Grenzfläche 12, von dem Abstand a zwischen dem Schallwandler 3 und von der zu untersuchenden Grenzfläche 12, von der Elementegeometrie des Ultraschallwandlers 3 und vom Messobjekt 4 bereitgestellt.
In der Aufnahmeeinheit 7 werden die Schalldruckanteile auf den Einzelelementen E1, E2, E3, E4, E5, E6 im Vergleich zum Gesamtschalldruck für den ganzen Ultraschallwandler 3 als Funktion der Fokusse F_i in den Fokusabständen f_i bestimmt, wobei eine Normierung auf den Schalldruck der zusammengefassten Elemente des Ultraschallwandlers 3 im jeweiligen Fokusabstand f_i und eine Aufnahme der Schalldruckverteilungskurven erfolgen, wobei durch Bestimmung der Verschiebung der Schnittpunkte S der Schalldruckverteilungskurven der Einzelelemente E1, E2, E3, E4, E5, E6 oder der zusammengefassten Elemente durch Vergleich mit den Kalibrierungskurven der Krümmungsradius r bestimmt wird. Bei einem festgelegten Abstand a werden nur die dem Abstand a zugeordneten Kalibrierungskurven für unterschiedliche Krümmungsradien r_j in die Bestimmung des wirklichen Krümmungsradius r einbezogen.
Die Aufnahmeeinheit 7 nimmt außerdem den zeitlichen Verlauf des Signals für jedes Element E1, E2, E3, E4, E5, E6 auf, so dass außerdem Phasenänderungen des Signals und die Signalformänderung ausgewertet werden können.
Die Krümmung einer Grenzfläche 12 spiegelt sich in der Schalldruckverteilung auf dem Ultraschallwandler 3 wider, was die geometrischen Überlegungen in 3, 3a, 3b, 3c und die berechneten Schallfelder in 4, 4a, 4b zeigen.
In 3 sind schematische Darstellungen von geometrischen Betrachtungen der Reflexion an Grenzflächen mit einem Ultraschallwandler 3 mit drei Elementen E1, E2, E3, wobei 3a eine ebene Grenzfläche 51 mit dem Fokus 11 und 3b eine konvex gekrümmte Grenzfläche 52 mit gleicher Fokussierung im Fokus 11 wie in 3a sowie 3c eine konvex gekrümmte Grenzfläche 52 mit einer Fokussierung in den Krümmungsmittelpunkt 55 als Fokus zeigen. Der Vergleich von 3a und 3b verdeutlicht, analog wie die berechneten Schallfelder in 4a und 4b, dass durch die konvexe Krümmung das Schallfeld divergenter wird, weil der Schalldruck auf Element E2 so groß wie der auf Element E1 wird. Durch schrittweise Fokussierung wird die Wirkung der gekrümmten Grenzfläche 52 verändert und kann zum Teil ausgeglichen werden, was 3c zeigt. Dadurch verändert sich je nach Fokusabstand f_i die Schalldruckverteilung auf dem Empfänger des Ultraschallwandlers 3.
In 4 sind Darstellungen der Schalldruckverteilung V auf der Gesamtfläche des Ultraschallwandlers 3 – des Empfängers – gezeigt, wobei 4a das reflektierte Schallfeld 53 von der ebenen Grenzfläche 51 4b die Schalldruckverteilung 54 für die konvex gekrümmte Grenzfläche 52 darstellt. 4c zeigt eine für 4a und 4b gültige Schallleistungsskala 56 in Dezibel dB an. In beiden Fällen wird mit dem Sender nicht fokussiert. Das von der gekrümmten Grenzfläche 52 reflektierte Schallfeld in 4b ist wesentlich divergenter als das von der ebenen Grenzfläche 51 reflektierte Schallfeld in 4a. Somit spiegelt sich die Krümmung in der Schalldruckverteilung auf dem Empfänger des Ultraschallwandlers 3 wider.
In 5 sind Darstellungen der Schalldruckverteilung V auf die Gesamtfläche des Ultraschallwandlers 3 in einem Abstand a mit a = 10 mm von der Grenzfläche 12 bei unterschiedlichen Fokussierungen und zwei Krümmungsradien r₁ = 8 mm und r₂ = 10 mm der Grenzflächen 12 angegeben, wobei 5a eine Fokussierung auf einen Fokusabstand von f₀ = 10 mm, 5b eine Fokussierung auf einen Fokusabstand von f₁ = 15 mm und 5c eine Fokussierung auf einen Fokusabstand von f₂ = 20 mm zeigen. Die dargestellten Schalldruckverteilungen in den Fokusabständen f₀, f₁, f₂ sind charakteristische Bilder im Berechnungsbereich von f_i = 7 mm bis ca. 30 mm, wobei sich der Fokus F₀ mit a = f₀ auf und die Fokusse F₁, F₂ mit a < f₁, f₂ hinter der Grenzfläche 12 in Bezug auf 1 befinden.
Die 6,7,8 zeigen für einen Grenzflächenabstand a mit a = 10 mm Schalldruckverteilungen V für drei verschiedene Grenzflächenkrümmungsradien r₁ = 8 mm, r = 9 mm und r₂ = 10 mm in Abhängigkeit von den Fokusabständen f_i in dem Ausschnitt f₀ = 10 mm bis f_i = 23 mm, in dem sich die Schnittpunkte der Kurven befinden, wobei sich in diesem Fall alle Fokuspunkte auf bzw. hinter der Grenzfläche 12 in Bezug auf 1 befinden.
Die 6,7 zeigen beispielhaft zwei mit Hilfe von Schallfeldberechnungen ermittelte Kalibrierungskurven – Druckverteilungen V = V(f_i) in Abhängigkeit von den Fokusabständen f_i auf den einzelnen Elementen E1, E2, E3, E4, E5, E6 bei sechs Elementen für den Ultraschallwandler 3 für eine gekrümmte Grenzfläche 12 mit den Krümmungsradien r₁ = 8 mm und r₂ = 10 mm.
Die Kalibrierungskurven werden mit Hilfe von harmonischen Schallfeldberechnungen, die in der Druckschrift: Plane arrays – Fundamental investigations for correct steering by means of sound field calculations, Wave Motion, 44, 2007, S. 248–261 beschrieben sind, ermittelt, wobei im Ausführungsbeispiel die Berechnungen für ei nen Abstand a = 10 mm zwischen Sender/Empfänger 3 und Grenzfläche 12 und für den Schallwandler 3, der für die Messungen eingesetzt wird, durchgeführt werden. Der reflektierte Schalldruck p wird dabei für jeden Fokus F_i mit den Fokusabständen f_i im Bereich von f_i = 7 mm bis 30 mm durch phasenrichtige Überlagerung der Schallfelder der einzelnen Schallkopfelemente in Abhängigkeit des entsprechend der Fokussierung gewählten Verzögerungsregimes berechnet. Für jeden Fokus F_i wird entsprechend Gleichung (I) die Schalldruckamplitude für die Einzelelemente Ek ermittelt und auf die Amplitude des Schalldrucks der zusammengefassten Elemente des Ultraschallwandlers 3 normiert, wobei Gleichung (I) mit
gegeben ist,
wobei k – Elementnummer, N – Anzahl der Elemente Ek, f_i – Fokusabstand, p__k(f_i) der Schalldruck auf dem Element Ek für die Fokussierung F_i und
der Schalldruck der zusammengefassten Elemente des Ultraschallwandlers 3 am jeweiligen Fokus F_i sind.
Wird für alle Elemente die normierte Schalldruckamplitude in Abhängigkeit vom Fokusabstand f_i aufgetragen, ergibt sich für eine Grenzfläche 12 mit den Krümmungsradius r₁ = 8 mm die Kurvenschar in 6 und für den Krümmungsradius r₂ = 10 mm die Kurvenschar in 7. Die so berechneten Kurvenscharen werden als Kalibrierungskurven eingesetzt.
Die Bestimmung der Kalibrierungskurven durch Berechnung des harmonischen Schallfeldes ist korrekt, obwohl bei den Messungen transiente Signale Verwendung finden, wie in der Druckschrift Kühnicke, E.: Optimization of ultrasound broadband transducers for complex testing Problems by means of transient and time harmonic sound fields, 9th European Conference an NDT, September, 2006, DGZfP Procee dings BB 1003-CD beschrieben ist. Es wird darin gezeigt, dass das harmonische Schallfeld bei der jeweiligen Mittenfrequenz das transiente Schallfeld gut widerspiegelt.
Bei einem konstanten Krümmungsradius r, wie in der Kurvenschar in 6 oder 7 gezeigt, verschiebt sich mit abnehmender Fokussierung, das entspricht einem zunehmenden Fokusabstand f_i, das Maximum des Schalldrucks von dem inneren Element E1 zu den äußeren Elementen E5, E6 des Ultraschallwandlers 3, und es kommt durch die Änderung der Schalldruckverteilung auf die einzelnen Elemente Ek zu Schnittpunkten S zwischen den Schalldruckverteilungskurven der einzelnen Elemente Ek. An diesen Schnittpunkten S liegt auf den zwei zugehörigen Elementen die gleiche Schalldruckamplitude vor.
Da das reflektierte Schallfeld mit kleiner werdendem Krümmungsradius r divergenter wird, ändert sich die Lage der Schnittpunkte S in Abhängigkeit des Krümmungsradius r der Grenzfläche 12.
Die Tabelle 1 gibt in den ersten zwei Zeilen für r₁ = 8 mm und r₂ = 10 mm die aus den 6 bzw. 7 ermittelten Schnittpunkte S der Druckverteilungskurven auf die Elemente Ek in Abhängigkeit von den Fokusabständen f_i an.
Werden die Schnittpunkte S = 60, 70 der Kurven 61, 62 und 71, 72 der einzelnen Elemente E1, E2 für die Krümmungsradien r₁ = 8 mm und r₂ = 10 mm in 6 und 7 betrachtet, so ist erkennbar, dass diese für den kleineren Krümmungsradius r₁ dichter an der Grenzfläche 12 liegen.
Aus den durch Messungen ermittelten Kurven, hier zur Abschätzung der erreichbaren Genauigkeit durch Rechnung ermittelten Kurven, wird der Krümmungsradius r ermittelt. Ein Vergleich mit den Kalibrierungskurven 61, 62 und 71,72 zeigt, dass der Schnittpunkt S = 80 der Kurven 81, 82 der Einzelelemente E1, E2 zwischen den Schnittpunkten S = 60, 70 für die Kalibrierungskurven für die Krümmungsradien r₁ = 8 mm und r₂ = 10 mm liegen. d. h. der gesuchte Krümmungsradius r für die Grenzfläche 12 hat einen Wert zwischen r₁ = 8 mm und r₂ = 10 mm. Der genaue Wert wird durch Interpolation ermittelt. Dazu wird die Verschiebung der Schnittpunkte x_Kalibrierung für r₁ = 8 mm und r₂ = 10 mm bestimmt. Die Verschiebung entspricht einer Krümmungsradiusänderung Δr_Kalibrierung von 2 mm. Für die gemessenen Kurven werden die Schnittpunkte S ermittelt (Tab.1 4.Zeile) und daraus die Verschiebung der Schnittpunkte Δx_Messung bzgl. der Schar von Kalibrierungskurven für r₁ = 8 mm bestimmt (Tab.1, Zeile 5). Entsprechend der Gleichung (II)
ist die Radiusänderung gegenüber r₁ = 8 mm aus der Schnittpunktverschiebung zu ermitteln (Tab.1, 6.Zeile). Daraus ergibt sich entsprechend Gleichung (III) der Krümmungsradius r_ermittelt der Grenzfläche 12 (Tab.1, 7.Zeile). rermittelt = r1 + ∆rMesswert (III)
Der Krümmungsradius r_ermittelt ist überbestimmt. Aus der Mittelung ergibt sich ein Krümmungsradius r_ermittelt von r_M = 9 mm (Tab.,8.Zeile), was dem wirklich verwendeten Grenzflächen-Krümmungsradius für diese Beispielrechnung entspricht. Durch Verwendung eines Schallwandler-Elementefeldes mit gleichen Elementflächen, aber angepassten Zwischenräumen lässt sich die notwendige Elementzahl für den Sender bei einigen Anwendungen reduzieren. Damit nimmt aber die Genauigkeit der Krümmungsradiusbestimmung, wie Tab.1 zeigt, ab. Tabelle 1:
Die Lage der Schnittpunkte S = 60, 70, 80 ist unabhängig von der reflektierenden Flächengröße, die z. B. durch eine Blende eingeschränkt sein kann.
Zur Bestimmung des Krümmungsradius r sind, wie in den 6 bis 8 gezeigt ist, die Kurven 61, 62; 71, 72; 81, 82 von jeweils zwei Elementen E1, E2 ausreichend. Durch die Bestimmung mehrerer Schnittpunkte S und daraus des Krümmungsradius r_ermittelt mit anschließender Mittelung des Krümmungsradius r_M lassen sich Fehler durch bauliche Mängel des Ultraschallwandlers 3 minimieren. Deshalb ist es zweckmäßig, weitere Kreisringe E3, E4, E5, E6 am Ultraschallwandler 3, die zur Fokussierung, also für den Sender, erforderlich sind, bei der Auswertung am Empfänger des Ultraschallwandlers 3 zu berücksichtigen.

1: Anordnung
2: Pulsgenerator
20: Sende-Empfangs-Weiche
21: erster Schalter
22: zweiter Schalter
23: dritter Schalter
24: vierter Schalter
25: fünfter Schalter
26: sechster Schalter
3: Ultraschallwandler
311: Schallsendesignal
321: Schallsendesignal
331: Schallsendesignal
341: Schallsendesignal
351: Schallsendesignal
361: Schallsendesignal
4: Messobjekt
40: Axialachse
41: Erstes Medium
42: Zweites Medium
5: Messanordnung
6: Verstärkungseinheit
7: Aufnahmeeinheit
8: Simulierungseinheit
9: Auswerteeinheit
10: Ergebnis-Anzeigeeinheit
11: Fokus
12: Grenzfläche
13: Signale
51: ebene Grenzfläche
52: gekrümmte Grenzfläche
53: Schalldruckverteilung
54: Schalldruckverteilung
55: Krümmungsmittelpunkt
56: Schallleistungsskala
60: Kurvenschnittpunkt
61: Druckverteilungskurve
62: Druckverteilungskurve
70: Kurvenschnittpunkt
71: Druckverteilungskurve
72: Druckverteilungskurve
80: Kurvenschnittpunkt
81: Druckverteilungskurve
82: Druckverteilungskurve
E1: erstes Element
E2: zweites Element
E3: drittes Element
E4: viertes Element
E41: erstes Elementsegment
E42: zweites Elementsegment
E43: drittes Elementsegment
E44: viertes Elementsegment
E5: fünftes Element
E6: sechstes Element
F₀: erster Fokus
F₁: zweiter Fokus
F₂: dritter Fokus
F_i: i-ter Fokus
f₀: erster Fokusabstand
f₁: zweiter Fokusabstand
f₂: dritter Fokusabstand
f_i: i-ter Fokusabstand
p__k(F_i): Schalldruck
r₁: erster Krümmungsradius
r₂: zweiter Krümmungsradius
r: ermittelter Krümmungsradius
V: Druckverteilung
S: Schnittpunkt

Claims

Anordnung (1) zur Bestimmung der Kombination von Krümmungsradien (r) und Abständen (a) an akustischen Grenzflächen (12, 51, 52) in Messobjekten (4) mittels Ultraschall, bestehend aus einem Pulsgenerator (2), der n > 2 mit n
gegeneinander zeitverzögerte Anregungssignale (13) erzeugt, einer Sende-Empfangs-Weiche (20), einem Ultraschallwandler (3) mit n > 2 mit n
Elementen (E1, E2, E3, E4, E5, E6) zum Senden und Empfangen von Schallwellen, der die Signale (13) vom Pulsgenerator (2) über die Sende-Empfangs-Weiche (20) erhält und dessen Elemente (E1, E2, E3, E4, E5, E6) zeitverzögert angeregt werden und der von jedem Element (E1, E2, E3, E4, E5, E6) aus eine zeitverzögerte Schallwelle (311, 321, 331, 341, 351, 361) in das Messobjekt (4) zur Grenzfläche (12, 51, 52) sendet und nach Umschaltung auf Empfang durch Schalter (21, 22, 23, 24, 25, 26) in der Sende-Empfangs-Weiche (20) die von der Grenzfläche (12, 51, 52) reflektierten Schallwellen separat an jedem Element (E1, E2, E3, E4, E5, E6) empfängt, wobei zumindest durch den Ultraschallwandler (3) und durch die Einschallrichtung zum Messobjekt (4) eine Messanordnung (5) vorgegeben ist, n > 2 Verstärkungseinheiten (6), die die empfangenen Signale vom Ultraschallwandler (3) über die Sende-Empfangs-Weiche (20) erhalten, einer Aufnahmeeinheit (7), die mindestens einen Analog-Digital-Wandler zur Analog-Digital-Wandlung der von der Sende-Empfangs-Weiche (20) über die Verstärkungseinheiten (6) weitergeleiteten Signale enthält, einer der Aufnahmeeinheit (7) nachgeordneten Auswerteeinheit (9) und einer Ergebnis-Anzeigeeinheit (10), die der Auswerteeinheit (9) nachgeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallwandler (3) derart ausgebildet ist, dass er an das Messobjekt (4), an die Messanordnung (5) und an einen Abstand (a) zur Grenzfläche (12, 51, 52) bezüglich der Nennfrequenz, Elementgröße und Elementform angepasst ist und er die je nach einem gewählten Zeitverzögerungsregime aus der Überlagerung der Schallwellenzüge (311, 321, 331, 341, 351, 361) der Einzelelemente (E1, E2, E3, E4, E5, E6) entstehenden Fokusse (F_i mit i = 0, 1, 2, ..., m) schrittweise entlang der Axialen (40) des Ultraschallwandlers (3) auf einzelne Orte in Fokusabständen (f_i) verschiebt und vor, auf und hinter der reflektierenden Grenzfläche (12, 51, 52) platziert, eine Simulationseinheit (8) vorgesehen ist, mit deren Hilfe das reflektierte Schallfeld auf dem Ultraschallwandler (3) für unterschiedliche Krümmungsradien (r_j) der Grenzfläche (12, 51, 52) und für unterschiedliche Abstände (a_l) zwischen Ultraschallwandler (3) und Grenzfläche (12, 51, 52) in Abhängigkeit des vorgesehenen Ultraschallwandlers (3), des Messobjekts (4) und der Messanordnung (5) für die verschiedenen Fokusse (F_i) simuliert wird, wobei für jeden Abstand (a_l) und für verschiedene Krümmungsradien (r_j) jeweils eine Schar von Kalibrierungskurven in Form von Schalldruckverteilungskurven als Funktion der Fokusabstände (f_i) und der Signalform Signalform geliefert wird, wobei die Simulationseinheit (8) an die Auswerteeinheit (9) angeschlossen ist, die Aufnahmeeinheit (7) neben dem aus der Laufzeit bestimmten Abstand (a) zwischen der Grenzfläche (12, 51, 52) und dem Ultraschallwandler (3) für alle verschiedenen Fokusse (F_i) die reflektierte Schallwelle auf den einzelnen Elementen (E1, E2, E3, E4, E5, E6) bestimmt, woraus für jedes Element (E1, E2, E3, E4, E5, E6) und/oder für zusammengefasste Elemente der zeitliche Verlauf des Schalldruckes und daraus die Schall-Amplitude auf jedem Element (Ek) sowie Schalldruckverteilungsanteile auf den einzelnen Elementen (E1, E2, E3, E4, E5, E6) für jeden Fokus (F_i) sowie Signalformänderungen ermittelt werden, wobei die Schalldruckverteilungskurven als Funktion der Fokusabstände (f_i) erstellt werden, und die Auswerteeinheit (9) die durch Messung ermittelten Schalldruckverteilungskurven mit der Schar der Kalibrierungskurven für den ermittelten Abstand (a) zwischen Grenzfläche (12, 51, 52) und Ultraschallwandler (3) verglichen werden, wobei die Auswerteeinheit (9) die Lage der Schnittpunkte (S) zwischen den Schalldruckverteilungskurven der Einzelelemente (E1, E2, E3, E4, E5, E6) oder zusammengefasster Elemente bestimmt und mit den Kalibrierungskurven vergleicht und die zwei Scharen von Kalibrierungskurven auswählt, bei denen die Schnittpunkte (S) der Kurven der gleichen Elemente (E1, E2, E3, E4, E5, E6) oberhalb und unterhalb der Schnittpunkte (S) in den gemessenen Schalldruckverteilungskurven liegen und durch Interpolation aus der Schnittpunktlage den Krümmungsradius (r) bestimmt, und der bestimmte Krümmungsradius (r) in der Ergebnis-Anzeigeeinheit (10) angegeben wird.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der für die Bestimmung zutreffende Ultraschallwandler (3) mit Hilfe der Simulationseinheit (8) in Abhängigkeit des Messobjektes (4), der darin enthaltenen Materialien, der Messanordnung (5), des Abstandes (a) der zu untersuchenden Grenzfläche (12, 51, 52) und der unterschiedlichen Krümmungsradien (r_j), die voraussichtlich auftreten, ausgewählt wird.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Elemente (E1, E2, E3, E4, E5, E6) des Ultraschallwandlers (3) eine ringförmige Struktur besitzen, deren Form, Größe und zueinander bezogenen Abstände derart festgelegt sind, dass eine schrittweise Fokussierung in ausreichenden Fokusabständen (f_i) vor, auf und hinter der Grenzfläche (12, 51, 52) möglich ist.
Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallwandler (3) in Abhängigkeit des Abstandes (a) zwischen zu untersuchender Grenzfläche (12, 51, 52) und Ultraschallwandler (3) und der daraus resultierenden Fokusabstände (f_i) entweder eben ist oder auf einer Kalotte platzierte Elemente (E1, E2, E3, E4, E5, E6) aufweist.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallwandler (3) als Sender zur besseren Fokussierung als Einzelelemente (E1, E2, E3, E4, E5, E6) Ringe gleicher Fläche besitzt.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass beim Ultraschallwandler (3) die Ringgrößen oder die durch Summation über einzelne nebeneinander liegende Elemente (E1, E2, E3, E4, E5, E6) entstehenden Ringgrößen derart festgelegt sind, dass Schalldruckunterschiede zwischen den einzelnen Ringen registrierbar sind.
Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallwandler (3) als Sender und Empfänger mit Hilfe der Simulationseinheit (8) eine Anpassung an die Messbedingungen erfährt, wobei die Parameter des Ultraschallwandlers (3) mit Hilfe der Ergebnisse der Simulationseinheit (8) in Bezug auf das Messobjekt (4) angepasst sind, wobei der Ultraschallwandler (3) derart ausgewählt oder gefertigt ist, dass im Sendebetrieb eine Fokussierung möglich ist und im Empfangsbetrieb Schalldruckverteilungen registrierbar sind.
Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Ultraschallwandler (3) mindestens ein ringförmiges Element (E4) in Segmente (E41, E42, E43, E44) unterteilt ist, um eine Schräglage der Grenzfläche (12, 51, 52) für eine nachfolgende Justierung zu erkennen, um sphärische, torische und zylindrische Krümmungen der Grenzflächen (12, 51, 52) zu unterscheiden sowie bei genügend großen Signalen eine Bestimmung von zwei Krümmungsradien (r) der Hauptachsen zu erreichen.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallwandler (3) sowohl mit einem breitbandigen Signal als auch mit einem schmalbandigen Signal zur Bestimmung der Schalldruckverteilung zwischen den einzelnen Elementen (E1, E2, E3, E4, E5, E6) inform harmonischer Wellenzüge bestimmter Länge oder inform kurzer Impulse betreibbar ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Simulationseinheit (8) Kalibrierungskurven in Abhängigkeit vom Messobjekt (4), von der Messanordnung (5), vom Ultraschallwandler (3), von unterschiedlichen Krümmungsradien (r_j), die voraussichtlich auftreten, von verschiedenen Abständen (a_i) zwischen dem Ultraschallwandler (3) und der Grenzfläche (12, 51, 52) bereitstellt.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeeinheit (7) die Schalldruckanteile auf den Einzelelementen (E1, E2, E3, E4, E5, E6) im Vergleich zum Gesamtschalldruck für den ganzen Ultraschallwandler (3) als Funktion des Fokusabstandes (f_i) bestimmen, wobei gleichzeitig eine Bestimmung des zeitlichen Verlaufs des Schalldrucks für jedes Einzelelement (E1, E2, E3, E4, E5, E6) im jeweiligen Fokus (F_i), eine Normierung auf den Schalldruck der zusammengefassten Elemente des Ultraschallwandlers (3) im jeweiligen Fokusabstand (f_i) und eine Aufnahme der Schalldruckverteilungskurven des Spitzenschalldrucks oder des Pulsintegrals des quadrierten Schalldrucks als Funktion des Fokusabstandes (f_i) erfolgt, worauf die Auswerteeinheit (9) die Lage der Schnittpunkte (S) in den Schalldruckverteilungskurven der Einzelelemente (E1, E2, E3, E4, E5, E6) oder zusammengefasster Elemente bestimmt und mit den Kalibrierungskurven vergleicht und die zwei Kalibrierungskurven auswählt, bei denen die Schnittpunkte (S) der gleichen Elemente oberhalb und unterhalb der Schnittpunkte (S) in den gemessenen Schalldruckverteilungskurven liegen, und durch Interpolation aus der Schnittpunktlage den Krümmungsradius (r) bestimmt.
Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeeinheit (7) den zeitlichen Verlauf des Signals für jedes Element (E1, E2, E3, E4, E5, E6) aufnimmt, so dass Phasenänderungen des Signals und die Signalformänderung auswertbar sind.
Verfahren zur Bestimmung der Kombination von Krümmungsradien (r) und Abständen (a) an akustischen Grenzflächen (12, 51, 52) in Messobjekten (4) mittels Ultraschall mit der Anordnung nach Anspruch 1 bis 12, mit folgenden Schritten: – Simulation des reflektierten Schallfeldes auf dem Ultraschallwandler (3) für unterschiedliche Krümmungsradien (r_j) der zu untersuchenden Grenzfläche (12, 51, 52) in Abhängigkeit des vorgesehenen Ultraschallwandlers (3), des Messobjektes (4), der Messanordnung (5), der Impedanzunterschiede an der Grenzfläche (12, 51, 52) und des Abstandes (a_l) zwischen Ultraschallwandler (3) und Grenzfläche (12, 51, 52) für die verschiedenen Fokusabstände (f_i) mit Hilfe einer Simulationseinheit (8) und Erzeugung einer Schar von Kalibrierungskurven für verschiedene Krümmungsradien (r_j) in Form von Schalldruckverteilungskurven und der Signalformen jeweils als Funktion der Fokusabstände (f_i), – Ermittlung der Abstände (a_l) zwischen Ultraschallwandler (3) und Grenzfläche (12, 51, 52) aus der Laufzeit des Ultraschallsignals durch die Aufnahmeeinheit (7) und Auswahl der Kalibrierungskurven, – schrittweise Verschiebung der Fokusse (F_i) entlang der Axialen (40) des Ultraschallwandlers (3) auf einzelne Orte in Fokusabständen (f_i) vor, auf und hinter die zu untersuchende Grenzfläche (12, 51, 52) durch zeitverzögerte Überlagerung der Wellenzüge der Einzelelemente (E1, E2, E3, E4, E5, E6) und Messung der für den jeweiligen Fokusabstand (F_i) reflektierten Schallwelle auf den einzelnen Elementen (E1, E2, E3, E4, E5, E6) durch die Aufnahmeeinheit (7), woraus die Schalldruckamplitude für jedes Element (E1, E2, E3, E4, E5, E6) und für zusammengefasste Elemente, die Schalldruckverteilungsanteile auf die einzelnen Elemente (E1, E2, E3, E4, E5, E6) für jeden Fokusabstand (f_i) sowie Signalformänderungen ermittelt, wobei die Schalldruckverteilungskurven als Funktion der Fokusabstände (f_i) erstellt werden, und – Vergleich der durch Messung ermittelten Schalldruckverteilungskurven mit der Schar der Kalibrierungskurven für den ermittelten Abstand (a) und Bestimmung des Krümmungsradius (r) der Grenzfläche (12, 51, 52), wobei die Auswerteeinheit (9) die Lage der Schnittpunkte (S) zwischen den Schalldruckverteilungskurven der Einzelelemente (E1, E2, E3, E4, E5, E6) oder zusammengefasster Elemente bestimmt und mit den Kalibrierungskurven vergleicht und den zwei Scharen von Kalibrierungskurven zuordnet, bei denen die Schnittpunkte (S) der Kurven der gleichen Elemente oberhalb und unterhalb der Schnittpunkte (S) in den gemessenen Schalldruckverteilungskurven liegen und durch Interpolation aus der Schnittpunktlage den Krümmungsradius (r) bestimmt, und – Ausgabe des bestimmten Krümmungsradius (r) in der Ergebnis-Anzeigeeinheit (10).
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswahl des Ultraschallwandlers (3) mit Hilfe der Simulationseinheit (8) entsprechend den Parametern des Messobjekts (4) vor Beginn des Verfahrens zur Krümmungsradiusbestimmung durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass von der Simulationseinheit (8) Kalibrierungskurven in Abhängigkeit vom Krümmungsradius (r) der Grenzfläche (12, 51, 52), vom Abstand (a) zwischen dem Ultraschallwandler (3) und der zu untersuchenden Grenzfläche (12, 51, 52), von der Elementegeometrie des Ultraschallwandlers (3), von Messanordnung (5) und vom Messobjekt (4) als Funktion des Fokusabstandes (f_i) bereitgestellt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass in der Aufnahmeeinheit (7) die Schalldruckanteile auf den Einzelelementen (E1, E2, E3, E4, E5, E6) – im Vergleich zum Gesamtschalldruck für den ganzen Schallwandler (3) als Funktion des Fokusabstandes (f_i) bestimmt werden, wobei eine Normierung auf den Schalldruck der zusammengefassten Elemente des Ultraschallwandlers (3) im jeweiligen Fokusabstand (f_i) und eine Aufnahme der Schalldruckverteilungskurven erfolgen, wobei durch Bestimmung der Verschiebung der Schnittpunkte (S) der Schalldruckverteilungskurven der Einzelelemente (E1, E2, E3, E4, E5, E6) oder der zusammengefassten Elemente durch Vergleich mit den Kalibrierungskurven der Krümmungsradius (r) bestimmt wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Normierung des Schalldruckes der Einzelelemente (E1, E2, E3, E4, E5, E6) auf den Schalldruck der Gesamtfläche (E1 + E2 + E3 + E4 + E5 + E6) des Ultraschallwandlers (3) für den jeweiligen Fokus (F_i) die Wirkung der Dämpfungseffekte minimiert wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeeinheit (7) außerdem den zeitlichen Verlauf des Signals für jedes Element (E1, E2, E3, E4, E5, E6) aufnimmt, so dass Phasenänderungen des Signals und die Signalformänderung ausgewertet werden.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung von Krümmungsradius (r) und die Form der Grenzfläche (12, 51, 52) und deren Abstand (a) aus dem Ultraschall-Echosignal bei Grenzflächen (12, 51, 52) durchgeführt werden, wobei Sender/Empfänger des Ultraschallwandlers (3) und Grenzfläche (12, 51, 52) zueinander konstant justiert und in Ruheposition bleiben, wobei die reflektierende Grenzfläche (12, 51, 52) vorgegeben eben sowie sphärisch, torisch und/oder zylindrisch gekrümmt ist, wobei die Krümmungsradiusinformation durch Variation der gesendeten Wellenfront und durch Diskretisierung des Schallfeldes am Empfänger des Ultraschallwandlers (3) gewonnen werden.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine gleichzeitige kombinierte Messung des Abstandes (a) und des Krümmungsradius (r) die Bestimmung des Krümmungsradius (r) der Grenzfläche (12, 51, 52) auch bei dynamischen Vorgängen – bei Bewegung der Grenzfläche (12, 51, 52) – durchgeführt wird, wobei die Krümmungsradiusinformation durch Variation der gesendeten Wellenfront und durch Diskretisierung des Schallfeldes am Empfänger des Ultraschallwandlers (3) gewonnen werden.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Krümmung einer Grenzfläche, der weitere Grenzflächen vorgelagert sind, durchgeführt wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 13 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche Ultraschallwandlerbewegung zur Verfolgung von Blasen in Strömung- und Diffusions-Prozessen flüssiger Medien und/oder zur Vergrößerung des Messbereiches, vorzugsweise bei Erfassung des Krümmungsverlaufes über einen Bereich des Vielfachen der Schallbündelbreite, durchgeführt wird.