DE19833213C2 - Ultraschall-Sendeanordnung - Google Patents

Ultraschall-Sendeanordnung

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ultraschall-Sendean­ ordnung zum Beschallen eines eine akustische Mediumimpedanz und eine Mediumschallgeschwindigkeit aufweisenden Mediums mittels mindestens einer Ultraschall-Erzeugungseinrichtung,
  • - wobei die Ultraschall-Erzeugungseinrichtung mindestens zwei über Ansteuerelektroden zum Abstrahlen von Ultraschall an­ regbare Ultraschallwandler mit einer akustischen Wandlerim­ pedanz aufweist,
  • - wobei die Ultraschallwandler voneinander getrennt sind,
  • - wobei zwischen der Ultraschall-Erzeugungseinrichtung und dem Medium eine Ultraschall-Linse mit einer akustischen Linsenimpedanz und einer Linsenschallgeschwindigkeit ange­ ordnet ist,
  • - wobei die Ultraschall-Erzeugungseinrichtung an einer Ankop­ pelseite an die Ultraschall-Linse akustisch angekoppelt ist,
  • - wobei die Ultraschallwandler nebeneinander angeordnet sind.
Eine derartige Ultraschall-Sendeanordnung ist aus der DE 26 09 425 B2 bekannt.
Aus der DE 38 07 568 A1 ist eine Ultraschall-Sendeanordnung zum Beschallen eines eine akustische Mediumimpedanz und eine Mediumschallgeschwindigkeit aufweisenden Mediums mittels min­ destens einer Ultraschall-Erzeugungseinrichtung bekannt,
  • - wobei die Ultraschall-Erzeugungseinrichtung mindestens zwei über gemeinsame Ansteuerelektroden zum Abstrahlen von Ul­ traschall anregbare Ultraschallwandler mit einer akusti­ schen Wandlerimpedanz aufweist,
  • - wobei die Ultraschallwandler als solche voneinander ge­ trennt sind,
  • - wobei zwischen der Ultraschall-Erzeugungseinrichtung und dem Medium eine Ultraschall-Linse mit einer akustischen Linsenimpedanz und einer Linsenschallgeschwindigkeit ange­ ordnet ist,
  • - wobei die Ultraschall-Erzeugungseinrichtung an einer Ankop­ pelseite an die Ultraschall-Linse akustisch angekoppelt ist,
  • - wobei die Ultraschallwandler nebeneinander angeordnet sind und
  • - wobei den Ultraschallwandlern ein gemeinsames Ansteuerele­ ment zugeordnet ist.
Aus der DE 195 07 478 C1 ist eine Ultraschall-Sendeanordnung zum Beschallen eines eine akustische Mediumimpedanz und eine Mediumschallgeschwindigkeit aufweisenden Mediums mittels min­ destens einer Ultraschall-Erzeugungseinrichtung bekannt,
  • - wobei die Ultraschall-Erzeugungseinrichtung mindestens zwei über Ansteuerelektroden zum Abstrahlen von Ultraschall an­ regbare Ultraschallwandler mit einer akustischen Wandlerim­ pedanz aufweist,
  • - wobei die Ultraschallwandler voneinander getrennt sind,
  • - wobei zwischen der Ultraschall-Erzeugungseinrichtung und dem Medium eine Ultraschall-Linse mit einer akustischen Linsenimpedanz und einer Linsenschallgeschwindigkeit ange­ ordnet ist und
  • - wobei die Ultraschall-Erzeugungseinrichtung an einer Ankop­ pelseite an die Ultraschall-Linse akustisch angekoppelt ist.
Aus dem Fachaufsatz von D. Cathignol, A. Birer: "Beam Steering of Shock Waves Using 30 cm Diameter Bidimensional Array", 1994 IEEE Ultrasonics Symposium Proceedings, p. 1801-­ 1804, ist eine Ultraschall-Sendeanordnung zum Beschallen ei­ nes eine akustische Mediumimpedanz und eine Mediumschallge­ schwindigkeit aufweisenden Mediums mittels einer Ultraschall- Erzeugungseinrichtung bekannt,
  • - wobei die Ultraschall-Erzeugungseinrichtung mindestens zwei über Ansteuerelektroden zum Abstrahlen von Ultraschall anregbare Ultraschallwandler mit einer akustischen Wandlerim­ pedanz aufweist,
  • - wobei die Ultraschallwandler voneinander getrennt sind.
Der Wirkungsgrad der Ultraschall-Sendeanordnungen des Standes der Technik ist relativ gering. Auch ist die Ansteuerung der Ultraschall-Sendeanordnung aufgrund der Vielzahl der anzu­ steuernden Ultraschallwandler oftmals sehr aufwendig.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Ultraschall-Sendeanordnung zu schaffen, die einen verbesser­ ten Wirkungsgrad bei der Umwandlung von elektrischer in Ul­ traschallenergie bei gleichzeitig vereinfachter akustischer Ankopplung aufweist.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst,
  • - daß die Ultraschallwandler sich zum Medium hin über eine Wandlertiefe, aufeinander zu über eine Wandlerbreite und senkrecht sowohl zur Wandlertiefe als auch zur Wandlerbrei­ te über eine Wandlerlänge erstrecken,
  • - daß die Wandlerbreite maximal so groß ist wie die Wandler­ tiefe und die Wandlerlänge erheblich größer ist als die Wandlertiefe und
  • - daß den Ultraschallwandlern ein gemeinsames Ansteuerelement zugeordnet ist, mittels dessen die Ultraschallwandler ge­ meinsam und gleichartig ansteuerbar sind.
Besonders hoch ist der Wirkungsgrad beim Umwandeln von elek­ trischer in Ultraschallenergie, wenn das Verhältnis von Wand­ lerbreite zu Wandlertiefe zwischen 0,5 und 0,7 beträgt.
Wenn das Verhältnis von Wandlerlänge zu Wandlertiefe minde­ stens 5,0, vorzugsweise mindestens 10,0, beträgt, läßt sich mit wenigen Ultraschallwandlern eine relativ großflächige Ul­ traschall-Erzeugungseinrichtung schaffen.
Wenn die Ultraschallwandler direkt mit der Ultraschall-Linse verbunden sind, ergibt sich eine besonders gute und einfache Ankopplung der Ultraschallwandler an die Ultraschall-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 Wandlerim­ pedanz und der Wandlerimpedanz liegt, ist ein besonders gro­ ßer Anteil der von den Ultraschallwandlern abgestrahlten Ul­ traschall-Leistung in die Ultraschall-Linse einkoppelbar.
Wenn die Ultraschall-Linse an einer der Ankoppelseite gegen­ überliegenden Abstrahlseite mindestens eine Anpaßschicht zum Anpassen der Linsenimpedanz an die Mediumimpedanz aufgebracht ist - ähnlich einer vergüteten optischen Linse - ein beson­ ders großer Anteil des Ultraschalls in das Medium einkoppel­ bar.
Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nach­ folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbin­ dung mit den Figuren. Dabei zeigen in Prinzipdarstellung:
Fig. 1 eine Ultraschall-Sendeanordnung von der Seite gesehen,
Fig. 2 die Ultraschall-Sendeanordnung von Fig. 1 von der An­ koppelseite und
Fig. 3 einen Ultraschallwandler.
Gemäß Fig. 1 soll ein Medium 1 mit Ultraschall beschallt wer­ den. Das Medium 1 weist eine akustische Mediumimpedanz und eine Mediumschallgeschwindigkeit auf. Zum Beschallen des Me­ diums 1 dient eine Ultraschall-Sendeanordnung, welche eine Ultraschall-Linse 2 und Ultraschall-Erzeugungseinrichtungen 3 aufweist. Die Ultraschall-Linse 2 weist eine akustische Lin­ senimpedanz und eine Linsenschallgeschwindigkeit auf. Sie ist zwischen den Ultraschall-Erzeugungseinrichtungen 3 und dem Medium 1 angeordnet. Die Ultraschall-Erzeugungseinrichtungen 3 sind an einer Ankoppelseite 4 an die Ultraschall-Linse 2 akustisch angekoppelt.
Die Ultraschall-Erzeugungseinrichtungen 3 weisen jeweils min­ destens zwei Ultraschallwandler 5 auf, auf die später noch näher eingegangen wird. Gemäß Fig. 1 sind die Ultraschallwand­ ler 5 direkt mit der Ultraschall-Linse 2 verbunden. Die Ul­ traschall-Linse 2 ist als Tragelement für die Ultraschall­ wandler 5 ausgebildet.
Gemäß Fig. 2 sind fünf Ultraschall-Erzeugungseinrichtungen 3 vorhanden, nämlich eine zentral angeordnete und vier peripher um diese herum angeordnete. Ersichtlich weist jede der Ultra­ schall-Erzeugungseinrichtungen 3 mehrere Ultraschallwandler 5 auf. Die Ultraschallwandler 5 weisen eine akustische Wandler­ impedanz auf und sind über in Fig. 3 dargestellte Ansteuer­ elektroden 6 zum Abstrahlen von Ultraschall anregbar. Die Ul­ traschallwandler 5 sind ferner ersichtlich voneinander ge­ trennt.
Gemäß Fig. 3 erstrecken sich die Ultraschallwandler 5 zum Me­ dium 1 hin über eine Wandlertiefe t. Senkrecht hierzu er­ strecken sie sich in einer Breitenrichtung über eine Wandler­ breite b. Senkrecht zu diesen beiden Richtungen erstrecken sie sich über eine Wandlerlänge l. Die Polarisierung des Ul­ traschallwandlers 5, der üblicherweise als Piezoelement aus­ gebildet ist, ist parallel zur Tiefenrichtung.
Die Wandlerbreite b ist maximal so groß wie Wandlertiefe t. Üblicherweise liegt sie zwischen 50% und 70% der Wandler­ tiefe t. Die Wandlerlänge l ist erheblich größer als die Wandlertiefe t. Sie ist üblicherweise mindestens fünfmal, vorzugsweise mindestens zehnmal so groß wie die Wandlertiefe t. Typische Abmessungen für die Ultraschallwandler 5 sind beispielsweise t = 1 mm, b = 0,6 mm und l = 20 mm bis 50 mm.
Gemäß Fig. 2 sind die Ultraschallwandler 5 jeder Ultraschall- Erzeugungseinrichtung 3 in Breitenrichtung gesehen nebenein­ ander angeordnet. Den Ultraschallwandlern 5 jeder Ultra­ schall-Erzeugungseinrichtung 3 ist je ein gemeinsames Ansteu­ erelement 7 zugeordnet. Mittels der Ansteuerelemente 7 werden alle Ultraschallwandler 5 einer Ultraschall-Erzeugungsein­ richtung 3 gemeinsam und gleichartig angesteuert. Dadurch hält sich der Ansteueraufwand 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 Ul­ traschall-Linse 2 in das Medium 1 zu erreichen, ist auf die Ultraschall-Linse 2 an einer Abstrahlseite 8, die der Ankop­ pelseite 4 gegenüber liegt, mindestens eine Anpaßschicht 9 aufgebracht. Mittels der Anpaßschicht 9 kann die Linsenimpe­ danz an die Mediumimpedanz angepaßt werden. Die Ultraschall- Linse 2 ist ferner aus einem Material hergestellt, dessen Linsenschallgeschwindigkeit größer als die Mediumschallge­ schwindigkeit 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 Abmes­ sungen ergibt sich darüber hinaus eine Verringerung der aku­ stischen Impedanz der Ultraschallwandler 5 um ca. 20 Prozent. Diese sinkt von ca. 35 MRayl auf ca. 28 MRayl. Auch ist durch wahlweises - ggf. auch phasenversetztes - Ansteuern nur der zentralen Ultraschall-Erzeugungseinrichtung 3 bzw. aller Ul­ traschall-Erzeugungseinrichtungen 3 der Fokusort 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 zwischen der Ultraschall-Erzeugungseinrichtung (3) und dem Medium (1) eine Ultraschall-Linse (2) mit einer akustischen Linsenimpedanz und einer Linsenschallgeschwin­ digkeit angeordnet ist,
wobei die Ultraschall-Erzeugungseinrichtung (3) an einer Ankoppelseite (4) an die Ultraschall-Linse (2) akustisch angekoppelt ist,
wobei die Ultraschallwandler (5) nebeneinander angeordnet sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Ultraschallwandler (5) sich zum Medium (1) hin über eine Wandlertiefe (t), aufeinander zu über eine Wandler­ breite (b) und senkrecht sowohl zur Wandlertiefe (t) als auch zur Wandlerbreite (b) über eine Wandlerlänge (l) er­ strecken,
daß die Wandlerbreite (b) maximal so groß ist wie die Wand­ lertiefe (t) und die Wandlerlänge (l) erheblich größer ist als die Wandlertiefe (t) und
daß den Ultraschallwandlern (5) ein gemeinsames Ansteuer­ element (7) zugeordnet ist, mittels dessen die Ultraschall­ wandler (5) gemeinsam und gleichartig ansteuerbar sind.
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 (l) 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.
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