DE2249091C3 - Ultraschallwandler für Echolotungen in Technik und Medizin - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Uliraschaliwandler für Echolotungen in Technik und Medizin mit ringförmiger Abstrahlfläche zur Erzeugung eines konvergenten Ultraschallfeldes, dessen Abstrahlfläche zur Ringachse hin geneigt ist

Ultraschall-Echolotungen gewinnen in Technik und Medizin ständig an Bedeutung, so z. B. in der Materialprüfung oder in der medizinischen Diagnostik. Dabei wird von einem Ultraschallwandler ein Ultraschallimpuls ausgesendet, an einem Objekt reflektiert und von einem anderen oder von demselben Ultraschallwandler empfangen. Aus der bis zum Empfang des Echos verstreichenden Zeit wird die Distanz zwischen Sender/Empfänger und dem reflektierenden Objekt bestimmt.

Ein Maß für die Genauigkeit der Echolotung ist das longitudinal, d. h. in Richtung der Schallstrahlen bestehende und das laterale, d.h. das zum ersten senkrechte Auslösungsvermögen. Bei Verwendung eines einfachen üblichen Ultraschallwandlers läßt sich eine relativ gute longitudinal Auflösung erzielen, jedoch ist wegen des relativ großen Durchmessers des Ultraschallstrahls die laterale Auflösung ungenügend. Wird der Durchmesser der Abstrahlfläche des Ultraschallwandlers kleiner gemacht, so hat der Strahl infolge von Beugungserscneinungen eine große Divergenz. Eine Verbesserung läßt sich dadurch erzielen, daß man den Strahl schwach fokussiert, so daß sein Durchmesser in der Mitte des zu beobachtenden Objekts minimal wird. Der minimale Durchmesser darf jedoch nicht zu klein gewählt werden, da sonst die Divergenz des Ultraschallstrahls wiederum zu groß wird. Üblich ist daher ein Strahldurchmesser von t bis 2 cm, wenn mit einer Frequenz von 2 MHz über eine Tiefe von 20 cm beobachtet werden soll.

Eine wesentlich bessere laterale Auflösung erreicht man, wenn der Ultraschallstrahl mit einem System großer Öffnung fokussiert wird. Die laterale Auflösung kann dann in der Größenordnung der Wellenlänge liegen, kann also bei 2 MHz etwa 0,75 mm betragen. Die gute laterale Auflösung wird jedoch nur über eine sehr geringe Tiefe erreicht, die ebenfalls ungefähr eine Wellenlänge beträgt.

Zur Fokussierung eines Ultraschallstrahls stehen verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung. Hat der Ultraschallwandler eine zur Strahlrichtung flächennormale Abstrahlfläche, so wird der Ultraschall achsparallel abgestrahlt und kann mit Hilfe eines Hohlspiegels in einem Brennpunkt fokussiert werden. Die beste und verlustfreieste Konzentration des Ultraschallstrahls erreicht man mit sogenannten Konvergenzschwingern.

Von diesen erzeugt der sphärische Schalenschwinger die höchsten Schallstärken. Auch können zur Fokussierung Schallinsen in Form von Sammellinsen aus Flüssigkeiten oder festen Stoffen verwendet werden (Matauschek, Einführung in die Ultraschalltechnik, 1962, S. 245 bis 248). Bei einem Ultraschallwandler, der zur Zerstörung von Zellgruppen und nicht zu Echolotungen eingesetzt wird, hat dieser eine ringförmige Abstrahlfläche zur Erzeugung eines konvergenten Ultraschallfeldes, wobei die Abstrahlfläche zur Ringachse hin dadurch geneigt ist, daß sie als Teil eines Parabols ausgebildet ist, um die Ultraschallstrahlen in einem Brennpunkt scharf zu fokussieren.

Der Nachteil der bekannten Ultraschallwandler

besteht darin, daß eine Verbesserung der lateralen Auflösung immer mit einer Verringerung der Tiefe, über die sie erreichbar ist, einhergeht

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gute Bündelung des Schallfeldes und damit eine gute laterale

Auflösung über eine große Tiefe zu erreichen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei dem eingangs genannten Ultraschallwandler erfindungsgemäß vorgesehen, daß zur Fokussierung des Ultraschallfeldes in einer Brennlinie die Abstrahlfläche konisch geneigt ist.

Der Uliraschallwandler ist ein ringförmiger Wandler mit ringförmiger Abstrahlfläche, die nicht Teil eines Parabols, also die Rotationsfläche einer gekrümmten Linie ist, sondern die Rotationsfläche einer Geraden. Dadurch läßt sich das Ultraschallfeld in einer Brennlinie fokussieren. Durch die Fokussierung in einer Brennlinie läßt sich eine gute laterale Auflösung über die ganze Länge der Brennlinie erzielen. Die Länge der Brennlinie entspricht also der Tiefe, über die die gute laterale Auflösung erreicht ist. Der Ultraschallwandler gemäß der Erfindung stellt einen Kompromiß dar zwischen lateraler und longitudinaler Auflösung, hat aber einen besonders einfachen Aufbau und ist daher leicht herstellbar. Der Ultraschallwandler ist besonders einfach aufbaubar, wenn er aus mehreren voneinander getrennten Wandlerelementen zusammengesetzt ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist anhand einer Schnittzeichnung näher erläutert.

Der ringförmige Ultraschallwandler hat ein ringförmiges, im Querschnitt U-förmiges Gehäuse 21, wobei die Symmetrieachse der Querschnittsfläche gegen die Ringachse geneigt ist und diese in einem bestimmten Abstand, beispielsweise 12 cm, schneidet. Die offene Seite des U-förmigen Gehäuses ist diesem Schnittpunkt und damit der Ringachse zugewandt. In der ringförmigen Vertiefung des Gehäuses 21 befindet sich ein ringförmiger Dämpfungsblock 24 aus Epoxyharz/Wolfram, der durch Korkplatten 22 vom Gehäuse akustisch isoliert ist. Auf der der offenen Seite des Gehäuses zugewandten Oberfläche des Dämpfungsblocks 24 sind mehrere, im vorliegenden Falle vier, zusammen einen Ring bildende flache Wandlerelemente 23 aus einem piezoelektrischen Material angebracht, die mit einer zur Anpassung an Wasser dienenden Schicht 25 aus Epoxyharz abgedeckt sind. Die Schicht 25 dient gleichzeitig dem mechanischen Schutz des aus den Wandlerelementen 23 zusammengesetzten piezoelektrischen Ultraschallwandlers. Zu jedem der Wandlerelemente führt von der Rückseite durch geeignete Bohrungen im Gehäuse 21 und im Dämpfungsblock 24

(•>s eine elektrische Zuleitung 26.

Die vom piezoelektrischen Ultraschallwandler ausgesendeten Ultraschallwellen bilden ein ringförmiges Strahlenbündel, das in einer bestimmten Entfernung

vom Ultraschallwandler auf der Ringachse in einer Brennlinie fokussiert ist Die Länge der Brennlinie bestimmt die Tiefe, über die eine gute laterale Auflösung erreicht wird. Diese und ihr Abstand vom Ultraschallwandler müssen daher so gewählt werden, daß das zu beobachtende Objekt über die ganze Tiefe ausgeleuchtet wird. Der Abstand der Brennlinie vom Ultraschallwandler bestimmt sich im wesentlichen durch die Neigung der Abstrahlfläche gegen die Ringachse. Die Länge der Brennlinie wird vor allem durch die Breite des ringförmigen piezoelektrischen Ultraschallwandlers festgelegt

Es ist günstig, wenn der Ultraschallwandler, der den Sendewandler enthält eine große Apertur von beispielsweise mehr als 6° hat Dabei ist unter Apertur das Verhältnis des mittleren Durchmessers der ringförmigen Abstrahlfläche zum mittleren Abstand der Brennlinie von der Abstrahlfläche zu verstehen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Ultraschallwandler für Echolotungen in Technik und Medizin mit ringförmiger Abstrahlfläche zur Erzeugung eines konvergenten Ultraschallfeldes, dessen Abstrahlfläche zur Ringachse hin geneigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Fokussierung des Ultraschallfeldes in einer Brennlinie die Abstrahlfläche konisch geneigt ist

2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieser aus mehreren voneinander getrennten Wandlerelementen (23) zusammengesetzt ist