DE19833213A1 - Ultraschall-Sendeanordnung - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ultraschall-Sendeanordnung zum Beschallen eines eine akustische Mediumimpedanz und eine Mediumschallgeschwindigkeit aufweisenden Mediums mittels mindestens einer Ultraschall-Erzeugungseinrichtung (3), wobei die Ultraschall-Erzeugungseinrichtung (3) mindestens zwei über Ansteuerelektroden zum Abstrahlen von Ultraschall anregbare Ultraschallwandler (5) mit einer akustischen Wandlerimpedanz aufweist, wobei die Ultraschallwandler (5) voneinander getrennt sind, wobei die Ultraschallwandler (5) sich zum Medium hin über eine Wandlertiefe, senkrecht hierzu über eine Wandlerbreite und senkrecht sowohl zur Wandlertiefe als auch zur Wandlerbreite über eine Wandlerlänge erstrecken. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß zwischen der Ultraschall-Erzeugungseinrichtung (3) und dem Medium eine Ultraschall-Linse (2) mit einer akustischen Linsenimpedanz und einer Linsenschallgeschwindigkeit angeordnet ist, daß die Ultraschall-Erzeugungseinrichtung (3) an einer Ankoppelseite (4) an die Ultraschall-Linse (2) akustisch angekoppelt ist, daß die Wandlerbreite maximal so groß ist wie die Wandlertiefe und die Wandlerlänge erheblich größer ist als die Wandlertiefe, daß die Ultraschallwandler (5) in Breitenrichtung gesehen nebeneinander angeordnet sind und daß den Ultraschallwandlern (5) ein gemeinsames Ansteuerelement (7) zugeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ultraschall-Sende­ anordnung zum Beschallen eines eine akustische Mediumimpe­ danz und eine Mediumschallgeschwindigkeit aufweisenden Me­ diums mittels mindestens einer Ultraschall-Erzeugungsein­ richtung,

• - wobei die Ultraschall-Erzeugungseinrichtung mindestens zwei über Ansteuerelektroden zum Abstrahlen von Ultra­ schall anregbare Ultraschallwandler mit einer akustischen Wandlerimpedanz aufweist,
• - wobei die Ultraschallwandler voneinander getrennt sind,
• - wobei die Ultraschallwandler sich zum Medium hin über ei­ ne Wandlertiefe, senkrecht hierzu über eine Wandlerbreite und senkrecht sowohl zur Wandlertiefe als auch zur Wand­ lerbreite über eine Wandlerlänge erstrecken.

Eine derartige Ultraschall-Sendeanordnung ist aus D. Ca­ thignol, A. Birer: "Beam Steering of Shock Waves Using 30 cm Diameter Bidimensional Array", 1994 IEEE Ultrasonics Symposium Proceedings, p. 1801-1804, bekannt.

Bei der Ultraschall-Sendeanordnung des Standes der Technik wird eine Vielzahl von Ultraschallwandlern einzeln ange­ steuert. Jeder Ultraschallwandler weist dabei eine Wandler­ tiefe von ca. zwei mm und quer hierzu einen Wandlerdurch­ messer von ca. 16 mm auf. Der Wirkungsgrad der Ultraschall- Sendeanordnung des Standes der Technik ist relativ gering. Auch ist die Ansteuerung der Ultraschall-Sendeanordnung aufgrund der Vielzahl der anzusteuernden Ultraschallwandler sehr aufwendig.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Ultraschall-Sendeanordnung zu schaffen, die einen gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Wirkungsgrad bei gleich­ zeitig vereinfachter akustischer Ankopplung aufweist. Die Aufgabe wird dadurch gelöst,

• - daß zwischen der Ultraschall-Erzeugungseinrichtung und dem Medium eine Ultraschall-Linse mit einer akustischen Linsenimpedanz und einer Linsenschallgeschwindigkeit an­ geordnet ist,
• - daß die Ultraschall-Erzeugungseinrichtung an einer Ankop­ pelseite an die Ultraschall-Linse akustisch angekoppelt ist,
• - daß die Wandlerbreite maximal so groß ist wie die Wand­ lertiefe und die Wandlerlänge erheblich größer ist als die Wandlertiefe,
• - daß die Ultraschallwandler in Breitenrichtung gesehen ne­ beneinander angeordnet sind und
• - daß den Ultraschallwandlern ein gemeinsames Ansteuerele­ ment zugeordnet ist.

Wenn das Verhältnis von Wandlerbreite zu Wandlertiefe zwi­ schen 0,5 und 0,7 beträgt, ist der Wirkungsgrad beim Umwan­ deln von elektrischer in Ultraschallenergie besonders hoch.

Wenn das Verhältnis von Wandlerlänge zu Wandlertiefe minde­ stens 5,0, vorzugsweise mindestens 10,0, beträgt, läßt sich mit wenigen Ultraschallwandlern eine relativ großflächige Ultraschall-Erzeugungseinrichtung schaffen.

Wenn die Ultraschallwandler direkt mit der Ultraschall- Linse verbunden sind, ergibt sich eine besonders gute und einfache Ankopplung der Ultraschallwandler an die Ultra­ schall-Linse.

Wenn die Ultraschall-Linse als Tragelement für die Ultra­ schallwandler ausgebildet ist, ist der mechanische Aufbau der Ultraschall-Sendeanordnung besonders einfach.

Wenn die Linsenimpedanz zwischen einem Drittel der Wand­ lerimpedanz und der Wandlerimpedanz liegt, ist ein beson­ ders großer Anteil der von den Ultraschallwandlern abge­ strahlten Ultraschall-Leistung in die Ultraschall-Linse einkoppelbar.

Wenn die Ultraschall-Linse an einer der Ankoppelseite ge­ genüberliegenden Abstrahlseite mindestens eine Anpaßschicht zum Anpassen der Linsenimpedanz an die Mediumimpedanz auf­ gebracht ist - ähnlich einer vergüteten optischen Linse - ein besonders großer Anteil des Ultraschalls in das Medium einkoppelbar.

Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Figuren. Dabei zeigen in Prinzipdarstel­ lung:

Fig. 1 eine Ultraschall-Sendeanordnung von der Seite ge­ sehen,

Fig. 2 die Ultraschall-Sendeanordnung von Fig. 1 von der Ankoppelseite und

Fig. 3 einen Ultraschallwandler.

Gemäß Fig. 1 soll ein Medium 1 mit Ultraschall beschallt werden. Das Medium 1 weist eine akustische Mediumimpedanz und eine Mediumschallgeschwindigkeit auf. Zum Beschallen des Mediums 1 dient eine Ultraschall-Sendeanordnung, welche eine Ultraschall-Linse 2 und Ultraschall-Erzeugungseinrich­ tungen 3 aufweist. Die Ultraschall-Linse 2 weist eine aku­ stische Linsenimpedanz und eine Linsenschallgeschwindigkeit auf. Sie ist zwischen den Ultraschall-Erzeugungseinrichtun­ gen 3 und dem Medium 1 angeordnet. Die Ultraschall-Erzeu­ gungseinrichtungen 3 sind an einer Ankoppelseite 4 an die Ultraschall-Linse 2 akustisch angekoppelt.

Die Ultraschall-Erzeugungseinrichtungen 3 weisen jeweils mindestens zwei Ultraschallwandler 5 auf, auf die später noch näher eingegangen wird. Gemäß Fig. 1 sind die Ultra­ schallwandler 5 direkt mit der Ultraschall-Linse 2 verbun­ den. Die Ultraschall-Linse 2 ist als Tragelement für die Ultraschallwandler 5 ausgebildet.

Gemäß Fig. 2 sind fünf Ultraschall-Erzeugungseinrichtungen 3 vorhanden, nämlich eine zentral angeordnete und vier pe­ ripher um diese herum angeordnete. Ersichtlich weist jede der Ultraschall-Erzeugungseinrichtungen 3 mehrere Ultra­ schallwandler 5 auf. Die Ultraschallwandler 5 weisen eine akustische Wandlerimpedanz auf und sind über in Fig. 3 dar­ gestellte Ansteuerelektroden 6 zum Abstrahlen von Ultra­ schall anregbar. Die Ultraschallwandler 5 sind ferner er­ sichtlich voneinander getrennt.

Gemäß Fig. 3 erstrecken sich die Ultraschallwandler 5 zum Medium 1 hin über eine Wandlertiefe t. Senkrecht hierzu er­ strecken sie sich in einer Breitenrichtung über eine Wand­ lerbreite b. Senkrecht zu diesen beiden Richtungen erstrecken sie sich über eine Wandlerlänge l. Die Polarisierung des Ultraschallwandlers 5, der üblicherweise als Piezoele­ ment ausgebildet ist, ist parallel zur Tiefenrichtung.

Die Wandlerbreite b ist maximal so groß wie Wandlertiefe t. Üblicherweise liegt sie im Bereich zwischen 50 und 70 Pro­ zent der Wandlertiefe t. Die Wandlerlänge 1 ist erheblich größer als die Wandlertiefe t. Sie ist üblicherweise minde­ stens fünfmal, vorzugsweise mindestens zehnmal so groß wie die Wandlertiefe t. Typische Abmessungen für die Ultra­ schallwandler 5 sind beispielsweise t = 1 mm, d = 0,6 mm und l = 20 bis 50 mm.

Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß die Ultraschallwandler 5 jeder Ultraschall-Erzeugungseinrichtung 3 in Breitenrich­ tung gesehen nebeneinander angeordnet sind. Den Ultra­ schallwandlern 5 jeder Ultraschall-Erzeugungseinrichtung 3 ist je ein gemeinsames Ansteuerelement 7 zugeordnet. Mit­ tels der Ansteuerelemente 7 werden alle Ultraschallwandler 5 einer Ultraschall-Erzeugungseinrichtung 3 gemeinsam und gleichartig angesteuert. Dadurch hält sich der Ansteuerauf­ wand in geringen Grenzen.

Um eine besonders gute Einkopplung des von den Ultraschall­ wandlern 5 abgestrahlten Ultraschalls in die Ultraschall- Linse 2 zu gewährleisten, liegt die Linsenimpedanz zwischen einem Drittel der Wandlerimpedanz und der Wandlerimpedanz. Um ein besonders gutes Einkoppeln des Ultraschalls von der Ultraschall-Linse 2 in das Medium 1 zu erreichen, ist auf die Ultraschall-Linse 2 an einer Abstrahlseite 8, die der Ankoppelseite 4 gegenüber liegt, mindestens eine Anpaß­ schicht 9 aufgebracht. Mittels der Anpaßschicht 9 kann die Linsenimpedanz an die Mediumimpedanz angepaßt werden. Die Ultraschall-Linse 2 ist ferner aus einem Material herge­ stellt, dessen Linsenschallgeschwindigkeit größer als die Mediumschallgeschwindigkeit ist.

Mit der erfindungsgemäßen Ultraschall-Sendeanordnung ergibt sich zum einen ein hoher Wirkungsgrad beim Umwandeln von elektrischer Anregungsenergie in abgestrahlte Ultraschall­ energie. Ferner ergibt sich eine einfache und gute Einkopp­ lung der Ultraschallenergie in das Medium 1. Durch den Ein­ satz stabförmiger Ultraschallwandler 5 mit den obigen Ab­ messungen, ergibt sich darüber hinaus eine Verringerung der akustischen Impedanz der Ultraschallwandler 5 um ca. 20 Prozent. Diese sind von ca. 35 MRayl auf ca. 28 Mrayl. Auch ist durch wahlweises - ggf. auch phasenversetztes - Ansteu­ ern nur der zentralen Ultraschall-Erzeugungseinrichtung 3 bzw. aller Ultraschall-Erzeugungseinrichtungen 3 der Fokus­ ort und/oder die Fokustiefe des Ultraschalls variierbar.

Claims (8)

1. Ultraschall-Sendeanordnung zum Beschallen eines eine aku­ stische Mediumimpedanz und eine Mediumschallgeschwindigkeit aufweisenden Mediums (1) mittels mindestens einer Ultra­ schall-Erzeugungseinrichtung (3),

• - wobei die Ultraschall-Erzeugungseinrichtung (3) mindestens zwei über Ansteuerelektroden (6) zum Abstrahlen von Ultra­ schall anregbare Ultraschallwandler (5) mit einer akusti­ schen Wandlerimpedanz aufweist,
• - wobei die Ultraschallwandler (5) voneinander getrennt sind,
• - wobei die Ultraschallwandler (5) sich zum Medium (1) hin über eine Wandlertiefe (t), senkrecht hierzu über eine Wandlerbreite (b) und senkrecht sowohl zur Wandlertiefe (t) als auch zur Wandlerbreite (b) über eine Wandlerlänge (l) erstrecken, dadurch gekennzeichnet,
• - daß zwischen der Ultraschall-Erzeugungseinrichtung (3) und dem Medium (1) eine Ultraschall-Linse (2) mit einer akusti­ schen Linsenimpedanz und einer Linsenschallgeschwindigkeit angeordnet ist,
• - daß die Ultraschall-Erzeugungseinrichtung (3) an einer An­ koppelseite (4) an die Ultraschall-Linse (2) akustisch an­ gekoppelt ist,
• - daß die Wandlerbreite (b) maximal so groß ist wie die Wand­ lertiefe (t) und die Wandlerlänge (l) erheblich größer ist als die Wandlertiefe (t),
• - daß die Ultraschallwandler (5) in Breitenrichtung gesehen nebeneinander angeordnet sind und
• - daß den Ultraschallwandlern (5) ein gemeinsames Ansteuere­ lement (7) zugeordnet ist.

2. Ultraschall-Sendeanordnung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß das Verhält­ nis von Wandlerbreite (b) zu Wandlertiefe (t) zwischen 0,5 und 0,7 beträgt.

3. Ultraschall-Sendeanordnung nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß das Verhält­ nis von Wandlerlänge (1) zu Wandlertiefe (t) mindestens 5,0, vorzugsweise mindestens 10,0, beträgt.

4. Ultraschall-Sendeanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ul­ traschallwandler (5) direkt mit der Ultraschall-Linse (2) verbunden sind.

5. Ultraschall-Sendeanordnung nach Anspruch 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Ultra­ schall-Linse (2) als Tragelement für die Ultraschallwandler (5) ausgebildet ist.

6. Ultraschall-Sendeanordnung nach einem der obigen Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsenimpedanz zwischen einem Drittel der Wandlerimpedanz und der Wandlerimpedanz liegt.

7. Ultraschall-Sendeanordnung nach einem der obigen Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsenschallgeschwindigkeit größer als die Mediumschall­ geschwindigkeit ist.

8. Ultraschall-Sendeanordnung nach einem der obigen Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Ultraschall-Linse (2) an einer der Ankoppelseite (4) gegenüberliegenden Abstrahlseite (8) mindestens eine Anpaß­ schicht (9) zum Anpassen der Linsenimpedanz an die Mediumim­ pedanz aufgebracht ist.