DE19836727A1

DE19836727A1 - Thermoakustischer Sensor

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Publication number: DE19836727A1
Application number: DE1998136727
Authority: DE
Inventors: Burkhard Fay
Original assignee: Individual
Current assignee: Bundesrepublik Deutschland Vertr D D Bundesmin
Priority date: 1998-08-13
Filing date: 1998-08-13
Publication date: 2000-02-17

Abstract

Die bisherigen Verfahren der Ultraschalleistungsbestimmung, Schallstrahlungskraftmethode und Hydrophonscan, sind für den Einsatz in den vielfältigen Ultraschallanwendungsgebieten zu kompliziert. Der neue thermoakustische Sensor soll einfach, kostengünstig und für die routinemäßige Überwachung von Ultraschallgeräten geeignet sein. DOLLAR A Bei dem neuen thermoakustischen Sensor wird das Ultraschallsignal in einen thermisch isolierten Ultraschallkanal eingeleitet, in dem es zunächst in seinem Schallausbreitungsmedium verbleibt, bevor es in einem Ultraschallabsorber vollständig in Wärme umgewandelt wird. Dadurch entsteht in dem Schallausbreitungsmedium ein Temperaturgradient, aus dem die Leistung des Ultraschallsignals bestimmt wird. Im Gegensatz zu den bisherigen thermoakustischen Sensoren werden dafür nur die Wärmeleitfähigkeit des Schallausbreitungsmediums und die Abmessungen des Ultraschallkanals benötigt. Man kann deshalb mit dem neuen thermoakustischen Sensor auch die Leistung von Ultraschallsignalen bestimmen, deren Amplitudenspektren unbekannt sind. DOLLAR A Der neue thermoakustische Sensor ist sehr einfach und kostengünstig und daher besonders gür für die routinemäßige Ultraschalleistungsbestimmung in Medizin und Technik geeignet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Messung der Ultraschalleistung mit thermoa kustischen Sensoren.

Die Kenntnis der von einem Ultraschallwandler insgesamt abgestrahlten Ultra schalleistung ist für viele Anwendungsgebiete des Ultraschalls in der Medizin, Materialprüfung und chemischen Verfahrenstechnik von großer Bedeutung. Durch die wiederholte Messung der Ultraschalleistung kann z. B. die Langzeit stabilität eines Ultraschallgerätes sichergestellt und so eine Qualitätssicherung vorgenommen werden, für die besonders im medizinischen Anwendungsbereich ein großer Bedarf besteht, damit das unvermeidliche Restrisiko des Patienten durch die Ultraschalleinwirkung erfaßt und so gering wie möglich gehalten werden kann.

Die beiden bisher überwiegend für die Ultraschalleistungsmessung verwendeten Methoden, Schallstrahlungskraftmethode (Aufsatz von K. Beißner, "Radiation force and force balances", S. 127-142 in dem Buch: M. C. Ziskin und P. A. Lewin "Ultrasonic exposimetry", CRC Press, Boca Raton 1993) und Hydrophonscan (Deutsche Norm DIN EN 61101, "Die absolute Kalibrierung von Hydrophonen nach dem Planar-Scanning-Verfahren im Frequenzbereich von 0,5 MHz bis 15 MHz", Beuth Verlag GmbH, Berlin 1994), sind kompliziert und erfordern einen großen zeitlichen und apparativen Aufwand. Sie sind deshalb für die routine mäßige Überwachung der in der Medizin und Technik eingesetzten Ultraschallge räte ungeeignet.

Die bereits entwickelten thermoakustischen Sensoren, bei denen die Ultraschal leistung aus dem Temperaturanstieg bestimmt wird, der von einem Ultraschallsi gnal in der Rückwand eines Ultraschallabsorbers erzeugt wird (Aufsatz von B. Fay und M. Rinker, "The thermoacoustic effect and its use in ultrasonic power determination", in der Zeitschrift: "Ultrasonics", Band 34, Jahrgang 1996, S. 563- 566), haben kleine Abmessungen, sind sehr robust und erfordern nur einen geringen apparativen Aufwand. Sie sind deshalb sehr gut für die routinemäßige Überwachung von Ultraschallgeräten geeignet. Die Berechnung der Ultraschal leistung aus dem gemessenen Temperaturanstieg ist aber nur möglich, wenn die thermischen und akustischen Eigenschaften des Absorbermaterials und der Laufweg der Schallwellen im Inneren des Absorbers bekannt sind. Bei komplizier ten Absorbern, z. B. den für die Prüfung medizinischer Ultraschallgeräte entwic kelten Absorbern aus einem gummielastischen Hochpolymer mit eingelagerten Glaskugeln und einer an Wasser akustisch optimal angepaßte keil- oder pyrami denförmige Absorberoberfläche, kann keine hinreichend präzise Angabe über den Laufweg der Schallwellen im Absorberinneren gemacht werden. Derartige besonders gut an das Ausbreitungsmedium angepaßte Absorber aus einem inhomogenen Material und einer strukturierten Oberfläche können also bei den bisherigen thermoakustischen Sensoren nicht verwendet werden.

Die Erfindung hat das Ziel, einen einfachen kostengünstigen thermoakustischen Sensor zur Bestimmung der Ultraschalleistung für den routinemäßigen Einsatz in verschiedenen Anwendungsbereichen des Ultraschalls zu konstruieren, wobei für die Umwandlung der Ultraschallenergie in Wärme ein optimal an das Schallaus breitungsmedium angepaßter Ultraschallabsorber verwendet werden soll, durch dessen Oberfläche das einfallende Ultraschallsignal ohne nennenswerte Refle xionsverluste eindringt; und die Ultraschalleistung auf einfache Weise aus dem vom Sensor erfaßten Temperaturgradienten bestimmt werden soll, ohne daß dafür frequenzabhängige Materialeigenschaften, wie z. B. die Ultraschallabsorpti ons- und Streukoeffizienten der verwendeten Sensormaterialien bekannt sein müssen, damit auch die Leistung von Ultraschallsignalen bestimmt werden kann, deren Amplitudenspektrum unbekannt ist.

Bei der Erfindung wird das von einem Ultraschallwandler in ein Schallausbrei tungsmedium mit vernachlässigbarer Ultraschallabsorption permanent abge strahlte Ultraschallsignal in einen rohrähnlichen thermisch isolierten Ultraschal kanal eingeleitet, in dem sich das Ultraschallsignal zunächst in dem gleichen schwach absorbierenden Schallausbreitungsmedium fortpflanzt bevor es in einen Ultraschallabsorber eindringt, in dem die Energie des Ultraschallsignals vollständig in Wärme umgewandelt wird. Da nur der Eingang des rohrähnlichen Ultraschallkanals mit dem Schallausbreitungsmedium in Kontakt steht, kann die im Absorber erzeugte Wärme nur über den Kanaleingang zum Schallausbreitungsmedium zurückfließen. Im thermischen Gleichgewicht wird dadurch in dem thermisch isolierten Schallausbreitungsmedium ein Temperaturgradient erzeugt, aus dem die Leistung des Ultraschallsignals auf einfache Weise bestimmt werden kann. Im Gegensatz zu den bisherigen thermo akustischen Sensoren müssen dafür die thermischen und akustischen Eigen schaften des Absorbermaterials und der Laufweg der Schallwellen im Inneren des Absorbers nicht bekannt sein. Es können also auch optimal an das jeweilige Schallausbreitungsmedium angepaßte Ultraschallabsorber mit einer beliebig strukturierten Oberfläche verwendet werden. Dadurch ergeben sich die folgenden Vorteile:

1. Da das Ultraschallsignal über eine akustisch optimal an das Schallausbrei tungsmedium angepaßte keil- oder pyramidenförmige Absorberoberfläche in den Absorber eindringt, ist der an der Absorberoberfläche reflektierte Anteil des Ultraschallsignals vernachlässigbar klein. Es kann deshalb auch zu keiner Überlagerung der einfallenden und reflektierten Ultraschallwelle kommen, die die vom Ultraschallwandler abgestrahlte Leistung verändern könnte.
2. Zur Bestimmung der Ultraschalleistung werden außer dem Temperaturgradien ten, der sich im Schallausbreitungsmedium innerhalb des thermisch isolierten Ultraschallkanals im thermischen Gleichgewicht einstellt, nur die von der Fre quenz des Ultraschallsignals unabhängige Wärmeleitfähigkeit des Schallaus breitungsmediums und die Querschnittsfläche des Ultraschallkanals benötigt, d. h., daß man auch die Leistung von Ultraschallsignalen bestimmen kann, deren Amplitudenspektren unbekannt sind.
3. Da der gemessene Temperaturgradient von den thermischen und akustischen Eigenschaften des Absorbermaterials und dem Laufweg der Schallwellen im Inneren des Absorbers unabhängig ist, kann der durch das Ultraschallsignal erzeugte Temperaturgradient auch mit Hilfe eines z. B. in dem Ultraschallab sorber eingebauten elektrischen Widerstandes erzeugt werden. Die dem Widerstand zugeführte elektrische Leistung stimmt dann mit der Leistung des absorbierten Ultraschallsignals exakt überein. Für diese Ultraschalleistungsbe stimmung werden auch nicht mehr die Wärmeleitfähigkeit des Schallausbrei tungsmediums und die Querschnittsfläche des Ultraschallkanals benötigt und es braucht auch der Anteil der im Absorber erzeugten Wärme, der über elek trische Leitungen, eine unzureichende thermische Isolierung des Ultraschal kanals u.s.w. an die Umgebung abgegeben wird, nicht berücksichtigt zu werden; denn diese Wärme ist bei beiden Messungen gleich groß und hat deshalb keinen Einfluß auf den Betrag der ermittelten Ultraschalleistung. Durch den Vergleich der beiden akustisch und elektrisch erzeugten Temperaturgradienten kann also die Ultraschalleistung mit großer Präzision bestimmt werden, ohne daß die thermischen und akustischen Kenngrößen des Absorbermaterials und Schallausbreitungsmediums bekannt sein müssen und ohne daß die Wärmeverluste berücksichtigt werden müssen, die durch elektrische Leitungen und eine unzureichende thermische Isolierung des Ultraschallkanals entstehen.

Die Erfindung wird anhand der folgenden Ausführungsbeispiele erläutert.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung für die Bestimmung der von Kontaktprüfköpfen abgestrahlten Ultraschalleistung. Das Schallausbreitungsme dium 1 besteht in diesem Fall aus einer festen Substanz, z. B. aus schwach schallschwächendem Stahl. In dieses Schallausbreitungsmedium strahlt der Kontaktprüfkopf 2 in der Regel über eine sehr dünne Schicht aus einem flüssigen Koppelmittel permanent ein Ultraschallsignal ein. Nach einer kurzen Wegstrecke wird das Ultraschallsignal in den thermisch isolierten Ultraschallkanal 3 eingelei tet, in dem es sich zunächst in dem gleichen Schallausbreitungsmedium fortpflanzt bevor es über eine keil- oder pyramidenförmig strukturierte Grenzschicht in einen akustisch optimal an das Schallausbreitungsmedium angepaßten Ultraschallabsorber 4, z. B. aus Gießharz mit eingelagerten Wolframpulver eindringt, in dem die Ultraschallenergie vollständig in Wärme umgewandelt wird. Durch die thermische Isolierung 5 des Absorbers und eines Teils des Schallausbreitungsmediums wird erzwungen, daß die im Absorber erzeugte Wärme nur über den Kanaleingang 6 an die Umgebung, z. B. ein Wasserbasin 7 abgegeben werden kann. Im thermischen Gleichgewicht stellt sich deshalb in dem thermisch isolierten Teil des Schallausbreitungsmediums ein zeitlich konstanter Temperaturgradient (T₁-T₂)/Δx ein, aus dem sich die von dem Ultraschallkontaktprüfkopf abgestrahlte Ultraschalleistung P bestimmen läßt:

P = λA (T₁-T₂)/Δx

wobei λ die Wärmeleitfähigkeit und A die Querschnittsfläche des Schallausbrei tungsmediums in dem thermisch isolierten Ultraschallkanal sind. Die Temperatu ren T₁ und T₂ werden mit den Thermometern 8 und 9, z. B. Widerstandsthermo metern oder Thermoelementen gemessen, die in einem Abstand Δx auf der Oberfläche des stabförmigen thermisch isolierten Schallausbreitungsmedium fixiert sind.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung für die Ultraschalleistungs bestimmung in Flüssigkeiten. Das Schallausbreitungsmedium 1 ist in diesem Fall eine schwach absorbierende Flüssigkeit, z. B. Wasser, und der Ultraschallabsor ber 4 besteht aus einem an das flüssige Schallausbreitungsmedium akustisch optimal angepaßten Material, z. B. aus einem gummielastischen Hochpolymer mit eingelagerten Glasgugeln. Die thermische Isolierung 5 des Ultraschallkanals 3 wird mit Hilfe eines Behälters 10 erreicht, der aus einem Material mit geringer Schallschwächung und Wärmeleitfähigkeit besteht, z. B. aus dünnwandigem Edelstahl. Das Ultraschallsignal wird hier von unten durch eine akustisch trans parente Folie 11 in den Ultraschallkanal eingeleitet, damit sich die Flüssigkeit im oberen Teil des Ultraschallkanals am stärksten erwärmt und dadurch Strömungen durch Dichteunterschiede in der Flüssigkeit vermieden werden. Durch die thermi sche Isolierung 5 des Absorbers und eines Teils des flüssigen Schallausbrei tungsmediums kann auch hier die im Absorber erzeugte Wärme nur über den Kanaleingang 6, bzw. über die akustisch transparente Folie 11 an das flüssige Schallausbreitungsmedium außerhalb des Ultraschallkanals abgegeben werden. Dadurch stellt sich im thermischen Gleichgewicht in der thermisch isolierten Flüssigkeit ein zeitlich konstanter Temperaturgradient (T₁-T₂)/Δx ein, aus dem sich die von dem Ultraschallwandler 2 abgestrahlte Ultraschalleistung P bestim men läßt:

P = (λA + λ_B A_B)(T₁-T₂)/Δx

wobei λ die Wärmeleitfähigkeit und A die Querschnittsfläche der thermisch iso lierten Flüssigkeit, λ_B die Wärmeleitfähigkeit des Materials des Behälters 10 und A_B die Querschnittsfläche der Wandung des inneren rohrähnlichen Teils 12 des Behälters 10 sind, der die thermisch isolierte Flüssigkeit umhüllt. Die Temperatu ren T₁ und T₂ werden mit den Thermometern 8 und 9 gemessen, die in einem Abstand Δx auf der äußeren Oberfläche des inneren Teils 12 des Behälters 10 fixiert sind.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung für die Präzisionsbestim mung der von einem Ultraschallwandler in eine Flüssigkeit abgestrahlten Ultra schalleistung, ohne daß dafür die thermischen und akustischen Kenngrößen des Absorbers 4 und Schallausbreitungsmediums 1 bekannt sein und mögliche Wärmeverluste berücksichtigt werden müssen, die über elektrische Leitungen 13 und eine unzureichende thermische Isolierung 5 des Ultraschallkanals 3 an die Umgebung abgegeben werden. Der thermoakustische Sensor in Fig. 3 weicht von dem in Fig. 2 nur dadurch ab, daß in den Ultraschallabsorber 4 zusätzlich ein elektrischer Widerstand 14 eingebaut ist. Dadurch kann nach dem Ultraschallex periment, das wie bei der normalen Ultraschalleistungsbestimmung in Flüssigkei ten durchgeführt wird (s. Beschreibung der Fig. 2) und bei dem mit den Thermo metern 8 und 9 die Temperaturdifferenz T₁ - T₂ gemessen wird, die gleiche Tem peraturdifferenz T₁-T₂ mit Hilfe des in den Absorber eingebauten elektrischen Widerstandes 14 erzeugt werden. Die von dem Ultraschallwandler 2 abgestrahlte Leistung P stimmt dann exakt mit der dem Widerstand 14 zugeführten elektri schen Leistung P_el überein, d. h. P = P_el.

Mit einem Aufbau nach Fig. 3 wurde ein Muster der Erfindung getestet. Für die Thermometer 8 und 9 wurden Miniatur-Widerstandsthermometer verwendet, die in einem Abstand Δx = 10 mm auf die äußere Oberfläche des inneren Teils 12 (ein dünnwandiges Kunststoffrohr mit einem Durchmesser von 30 mm) des Behälters 10 geklebt wurden. Das Ultraschallsignal, das von einem Ultraschallwandler 2 (Durchmesser 19 mm) in den Ultraschallkanal 3 eingestrahlt wurde, war ein Dau erschallsignal mit einer Frequenz von 2,3 MHz. Als Schallausbreitungsmedium 1 wurde Wasser verwendet, dessen Ultraschallabsorption bei dieser Frequenz als vernachlässigbar klein angesehen werden kann. Der Ultraschallabsorber 4 bestand aus einem gummielastischen Hochpolymer mit eingelagerten Glasgugeln. Die dem Ultraschallwandler 2 zugewandte Absorberoberfläche war zur Verbesserung der akustischen Anpassung pyramidenförmig strukturiert.

Fig. 4 zeigt die mit den Thermometern 8 und 9 gemessen Temperaturdifferenz als Funktion der Zeit. Im Zeitintervall t₁ bis t₂, in dem das Ultraschallsignal von dem Wandler 2 abgestrahlt wurde, steigt die Temperaturdifferenz bis zu ihrem Maximalwert (T₁-T₂)_us im thermischen Gleichgewicht an. Nach dem Abschalten des Ultraschallsignals bei t₂ fällt die Temperaturdifferenz allmählich wieder bis auf null ab. Fig. 5 zeigt die nach Fig. 3 mit Hilfe eines in den Ultraschallabsorber 4 eingebauten Widerstandes 14 elektrisch erzeugte und mit den gleichen Thermometern 8 und 9 gemessene Temperaturdifferenz als Funktion der Zeit, wobei die dem Widerstand im Zeitintervall t₁ bis t₂ zugeführte elektrische Leistung P_el 100 mW betrug. In diesem Fall stellt sich im thermischen Gleichgewicht die Temperaturdifferenz (T₁-T₂)._el ein. Da die im thermischen Gleichgewicht erzeugte Temperaturdifferenz T₁-T₂ der zugeführten elektrischen Leistung P_el bzw. der absorbierten Ultraschalleistung P direkt proportional ist, kann man durch den Vergleich der Temperaturdifferenzen (T₁-T₂)_us und (T₁-T₂)_el in Fig. 4 und Fig. 5 die von dem Ultraschallwandler abgestrahlte Ultraschalleistung

P = P_el (T₁-T₂)_us/(T₁-T₂)_el = 112 mW

bestimmen. Der durchgeführte Test zeigt, daß das gestellte Ziel, einen einfachen kostengünstigen thermoakustischen Sensor zur Bestimmung der Ultraschalleis tung für den routinemäßigen Einsatz in verschiedenen Anwendungsbereichen des Ultraschalls zu konstruieren, erreicht wurde.

Claims

1. Thermoakustischer Sensor insbesondere für die Messung der von Ultraschall wandlern insgesamt abgestrahlten Ultraschalleistung, dadurch gekennzeichnet, daß das von einem Ultraschallwandler in ein Schall ausbreitungsmedium mit vernachlässigbarer Ultraschallabsorption permanent abgestrahlte Ultraschallsignal in einen thermisch isolierten Ultraschallkanal eingeleitet wird, in dem sich das Ultraschallsignal zunächst in dem gleichen schwach absorbierenden Schallausbreitungsmedium fortpflanzt bevor es in einen an das Schallausbreitungsmedium akustisch optimal angepaßten Ultra schallabsorber eindringt, in dem die Energie des Ultraschallsignals vollständig in Wärme umgewandelt wird, und die Leistung bzw. Intensität des Ultraschall signals aus dem Temperaturgradienten bestimmt wird, der sich in dem schwach absorbierenden Schallausbreitungsmedium innerhalb des thermisch isolierten Ultraschallkanals einstellt.

2. Thermoakustischer Sensor nach Anspruch 1 insbesondere für die Ultraschal leistungsmessung in Flüssigkeiten, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Ultraschallabsorber z. B. aus einem gummielastischen Hochpolymer mit eingelagerten Glaskugeln und das in diesem Fall flüssige Schallausbreitungsmedium mit vernachlässigbarer Ultra schallabsorption, z. B. Wasser, in dem sich der zu messende Temperaturgra dient einstellt, in einem thermisch isolierten Rohr aus einem schwach absor bierendem Material befinden, und das Ultraschallsignal über eine dünne aku stisch transparente Folie, die den Eingang des Rohres abschließt, von unten in den thermisch isolierten Ultraschallkanal eingeleitet wird, damit sich die Flüssigkeit im oberen Teil des Rohres am stärksten erwärmt und dadurch Strömungen innerhalb des Rohres durch Dichteunterschiede vermieden werden, und das Ultraschallsignal über eine akustisch angepaßte keil- oder pyramidenförmige Absorberoberfläche ohne nennenswerte Reflexionsverluste in den Absorber eindringt, in dem seine Energie vollständig in Wärme umgewandelt wird.

3. Thermoakustischer Sensor nach Anspruch 1 insbesondere für die Messung der von Kontaktprüfköpfen abgestrahlten Ultraschalleistung, dadurch gekennzeichnet, daß das Schallausbreitungsmedium aus einer festen Substanz, z. B. aus schwach schallschwächendem Stahl besteht und das Ultra schallsignal über eine keil- oder pyramidenförmige Grenzschicht ohne nen nenswerte Reflexionsverluste in einen geeigneten Ultraschallabsorber z. B. aus Gießharz mit eingelagerten Wolframpulver eindringt in dem die Energie des Ultraschallsignals vollständig in Wärme umgewandelt wird, und die Leistung des Ultraschallsignals aus dem Temperaturgradienten bestimmt wird, der sich in dem thermisch isolierten Teil des Schallausbreitungsmediums einstellt.

4. Thermoakustischer Sensor nach Anspruch 1-3 insbesondere für die Präzisi onsbestimmung der von Ultraschallwandlern insgesamt abgestrahlten Ultra schalleistung, dadurch gekennzeichnet, daß der durch das Ultraschallsignal erzeugte Tem peraturgradient auch mit Hilfe eines z. B. in dem Ultraschallabsorber eingebau ten elektrischen Widerstandes erzeugt wird, und die Leistung des absorbierten Ultraschallsignals direkt aus der elektrisch erzeugten Leistung bestimmt wird.

5. Thermoakustischer Sensor nach Anspruch 1-4 für die Bestimmung der Ultra schallintensität, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche des thermisch isolierten Ultraschallkanals so festgelegt wird, daß nur ein Teil des Ultraschallsignals in den Absorber eindringt, und die Ultraschallintensität aus der Wärmeleitfähig keit des Schallausbreitungsmediums, den Abmessungen des Ultraschallkanals und dem Temperaturgradienten bestimmt wird, der sich in dem thermisch isolierten Teil des Schallausbreitungsmedium einstellt.