DE2345088A1

DE2345088A1 - Lineare wandleranordnung fuer die ultraschall-bildwandlung

Info

Publication number: DE2345088A1
Application number: DE19732345088
Authority: DE
Inventors: Philip Shepard Green
Original assignee: Stanford Research Institute
Current assignee: SRI International Inc
Priority date: 1972-09-21
Filing date: 1973-09-06
Publication date: 1974-03-28
Also published as: FR2200720B1; SU942577A3; DE2345088C2; SE392559B; FR2200720A1; GB1437486A; JPS4971902A; CA1015055A; JPS6121659B2; JPS61105463A; US3971962A

Description

Wandlung

Die Erfindung: bezieht sich auf einen Ultraschallwandler zur Umwandlung (mindestens) eines Teiles eines Schalldruck-Bildfeldes in elektrische Impulse.

Die optische Darstellung von Schallwellenfeldern war bisher bereits Gegenstand tiefgreifender Untersuchungen, die dazu geführt haben, daß eine große Mannigfaltigkeit von Verfahren zum Umwandeln von Schalldruck-Feldbildern in einem Medium in eine optisch wahrnehmbare Entsprechung aufgezeigt worden ist. Es sind bereits mehrere Ultraschallverfahren geschaffen worden, bei deisen die Empfindlichkeit entweder fotografischer Emulsionen oder gewisser chemischer Reaktionen gegenüber der Ausbreitung von Schallwellen genutzt wird.

Die Empfindlichkeiten sind jedoch hier nur gering (in der Größenordnung von 1 tf/cm ), und die erforderlichen Belichtungszeiten betragen Minuten bis Stunden. Zum Erzeugen sowohl

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temporärer als auch permanenter Bilder sind auch bereits zahlreiche Nebenwirkungen der von einer beschallten Fläche + (wie z.B. Lumineszenz, Änderungen der Farbe oder elektrischer Leitfähigkeit) verwendet worden. Obwohl diese Verfahrensweisen um rund eine Größenordnung empH.ndlich.er sind als die vorangegangenen, sind sie noch immer zu unempfindlich für die praktische diagnostische Darstellung. Ein etwas empfindlicheres Verfahren, das jedoch noch immer träge anspricht, besteht dar-in, daß die von einem Ultraschallfeld in einer Suspension von Metallplättchen erzeugte Ausrichtung durch optische Streuung ermittelt wird. Die Verfahren der Schalldarstellung, die in den letzten Jahren die größte Aufmerksamkeit erregt haben, sind diejenigen,die auf der piezoelektrischen Umwandlung von Schalldruck-Momentanwerten in proportionale elektrische Potentiale beruhen. Ein zweidimensionales UltraschalldrucKmuster in einem Medium kann mit großer Empfindlichkeit dadurch festgestellt werden, daß ein Bereich des Mediums, durch das der Schall hindurchgeht, mittels einer kleinen piezoelektri sehen Sonde mechanisch abgetastet wird.

Bei allen genannten Verfahren verhindern die langen Belichtungs— bzw. Abtastzeiten eine zeitgetreue Ultraschalldar— stellung. Für die Anwendung in der Medizin jedoch ist eine zeitgetreue optische Darstellung natürlich äußerst wichtig. Beispielsweise würde die Fähigkeit, ein Organ bei Veränderung des Blickpunktes oder (wie dies bei gewissen Organen möglich sein kann) während der Bewegung des Organs durch Muskeltätigkeit durch den Patienten selbst kontinuierlich zu beobachten, für den Diagnostiker von erheblichem Nutzen sein. Um dies nun zu erreichen, wird ein Verfahren der zeitgetreuen Umwandlung (Echtzeitumwandlung) benötigt.

Das Verfahren der Braggschen optischen Diffraktion (in der Tat nicht einfach ein Verfahren der BildebenenUmwandlung, da es sich um ein ausgesprochen abweichendes Prinzip der

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+ absorbierfcen akustischen Energie

Bilderzeugung handelt) hat möglicherweise ein äußerst hohes Auflösungsvermögen. Für die Verwendung bei den für den Diagnostiker erforderlichen Nieder-MHz-Frequenzen ist es jedoch unzweokmäüig. Das Verfahren eines Flüssigkeitsoberflächenreliefs zeichnet sich durch eine weitgehend verbesserte Bildtasue und Empfindlichkeit aus. Beim gegenwärtigen Stand der Technik ist die Empfindlichkeit für die diagnostische Verwendung noch zu gering, und ein ausreichender Intensitätsbereich ist noch nicht nachgewiesen worden. Laser-Interfe-rometerverfahren der Bildumwandlung scheinen, insbesondere wegen ihrer potentiell hohen Empfindlichkeit und großen Darstellungsfläche, vielversprechend. Eine ausreichende Empfindlichkeit ist jedoch bisher nicht erreicht worden, und der Laser sowie andere optische Komponenten erfordern eine große, stabile Plattform, die nicht in eine "kleine Kamera eingebaut werden können. Eine andere Möglichkeit, die Sokoloff-Röhre^besteht aus einer resonanzfähigen Quarzstirnplatte an einer Elektronen— strahl-Abtaströhre. Trotz erheblichen Aufwandes zu deren Verbesserung mangelt es der Sokoloff-Röhre immer noch an Auflösungsvermögen und Empfindlichkeit sowie V_erläßlichkeit.

Der beste Weg zu einer zeitgetreuen optischen Darstellung von SchallweLLenfeldern scheint es zu erfordern, daß eine Reihe oder Reihen von piezoelektrischen Einzelaufnahmeelementen geschaffen wird, die der Reihe nach, synchron mit einem Kathodenstrahlröhren-Oszillographen mittels elektrischer Torschaltungen abgetastet werden. Im Idealfall würde die gesamte Bildebene mit einer Rechteckmatrix von kO 000 bis 1OO 0OO Aufnahmeelementen bestückt sein. Die Schwierigkeiten, eine gleiche Anzahl elektronischer Schalter und Verstärker unter vertretbarem Kostenaufwand herzustellen und mit diesen Elementen auf engstem Raum in praktisch brauchbarer Anordnung anzubringen,sind jedoch mit den Mitteln des Standes der Technik nicht zu beseitigen, Sin

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guter Kompromiss ist jedoch dadurch, zu erzielen, daß ein Hybridwandler, bestehend aus einer linearen Reihe getrennter piezoelektrischer Elemente verwendet wird, die mit hoher Geschwindigkeit elektronisch abgetastet werden, während die ganze Reihe unter mechanischem Antrieb die gesamte Bildebene bestreicht, oder die selbst ruht, während das Schallbildfeld daran vorbeibewegt wird. Ein Wandler, bei dem dieser Grundgedanke angewendet wurde, ist in einem Artikel von P.S. Green, J.L.S.Beilin und G.C. Knollman unter dem Titel "Acoustic Imaging in a Turbid Underwater Environment¹¹, erschienen in Journal of the Acoustical Society of America, Bd. 44, Nr. 6, Dezember 1968, S. I719-I73O (insbesondere S. 1726, 1727) beschrieben.

Die Erfindung schafft nun einen Ultraschallwandler mit einer linearen Reihe piezoelektrischer Elemente für die Umwandlung eines Teiles eines Schalldruck-Bildfeldes in elektrische Impulse. Die Reihe wird aus einer oder mehreren Anordnungen hergestellt, indem ein Segment aus piezoelektrischem Material in einen Tragschlitz in einem Metallplatten— oder Metallblechabschnitt eingesetzt wird und in dem Material, quer zum Tragschlitz, zur Bildung einer Anzahl piezoelektrischer Inseln mehrere feine Schnitte hergestellt werden. Jede solche Insel wird mit elektrischen Kontakten für den Anschluß an Verwertungsschaltungen versehen. Bei einer bevorzugten Ausfürhungsform wird der Schlitz in den Traggliedern mit einem Material gefüllt, das für eine Impedanzanpassung zwischen dem piezoelektrischen Material und dem das Druckbildfeld übertragenden Medium sorgt. In Weiterbildung der Erfindung kann an der Tragkonstruktion entlang des Tragschlitzes zwischen dem piezoelektrischen Material und dem Schalldruck-Bildfeld zur Verbreiterung des Empfindlichkeitsrausters eine zylindrische Ultraschall-Linse befestigt werden, so daß eine Reihe von bedeutend kleineren piezoelektrischen Elementen ermöglicht und das Auflösungsvermögen verbessert wird.

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Ein wichtiger Gesichtspunkt der Erfindung ist die Schaffung einer Einrichtung zum Umwandeln mindestens eines Teiles eines Schallbildfeldes in elektrische Impulse und insbesondere die Schaffung einer Reihe piezoelektrischer Elemente für diese Anwendung.

Die Erfindung schafft eine solche Reihe, die so gestaltet ist, daß sie dem Teil der Ebene bester Fokussierung des von ihr aufzunehmenden Schalldruckbildfeldes angepaßt ist.

Nach einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung wird eine Einrichtung zum Anpassen der Impedanz zwischen dem piezoelektrischen Material der Reihe und dem das Bildfeld übertragenden Medium geschaffen.

Die Erfindung schafft ferner eine Fokussiereinrichtung zum Ausgleichen etwaiger Dimensionsabweichungen der Bildwandlungssegmente der piezoelektrischen Anordnung und dem Schall— feld. Die Erfindung schafft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer linearen Reihe piezoelektrischer Elemente zur Erzielung der oben einzeln besprochenen Wirkungen.

Der Ultraschallwandler gemäß der Erfindung weist also eine lineare Reihe piezoelektrischer Elemente zum Umwandeln einer einzigen Lj.nie innerhalb eines Schalldruckbildfeldes in elektrische Impulse auf, die ihrerseits ein Mittel zur Umwandlung des einfallenden Druckbildfeldes in eine optisch wahrnehmbare Darstellung bilden. Zur Anpassung an die Gestalt des Schallbildfeldes hat bei einer bevorzugten Ausführungsform die Reihe piezoelektrischer Elemente die Gestalt eines Bogens, d.h. die Reihe ist in der einen Ebene geradlinig und in einer dazu rechtwinkeligen Ebene in einem Bogen angeordnet. Der Wandler ist aus einer Vielzahl von Anordnungen hergestellt, deren jede aus Segmenten aus piezoelektrischem Material besteht, deren jedes in einem Tragschlitz in einem Metallplattenabschnitt gehalten ist, der mit einem

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Material ausgefüllt ist, das derart gewählt ist, daß es eine Impedanzanpassung zwischen dem piezoelektrischen Material und dem Übertragungsmedium bewirkt. Die Reihe piezoelektrischer Elemente aus piezoelektrischen Segmenten erfolgt durch Herstellung feiner Schnitte in diesen unter rechtem Winkel zum Tragschlitz, wodurch eine Mehrzahl piezoelektrischer Inseln geschaffen wird, deren jede an die Nutzungsschaltung elektrisch angeschlossen wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist zur Erweiterung .der Winkelempfindlichkeit in Richtung des Ausgleichs von Länge und Breite der piezoelektrischen Elemente oder Inseln (die Länge ist größer) an der Tragkonstruktion entlang des Tragschlitzes und zwischen der piezoelektrischen Reihe und dem Schalldruckbildfeld eine zylindrische Ultraschall-Linse befestigt.

In der Zeichnung sind einige bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beispielsweise dargestellt.

Fig. 1 ist eine perspektivische Darstellung einer Ultraschallwandleranordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2 ist eine weggebrochene, abgewickelte Kantenansicht zur Veranschaulichung der piezoelektrischen Elemente;

Fig. 3 ist eine weggebrochene Draufsicht auf die piezoelektrischen Elemente im gleichen Maßstab wie Fig. 2;

Fig. 4 ist eine perspektivische Darstellung zur Veranschaulichung der Rückseite eines Teiles eines Elementes der W_andleranordnung zur Veranschaulichung der Reihe der piezoelektrischen Elemente, ihrer Tragkonstruktion und ihrer elektrischen Anschlüsse;

Fig. 5 ist eine vergrößerte, teilweise weggebrochene Stirnansicht zur Veranachaulichung des Verfahrens der Montage des piezoelektrischen Materials wie auch der

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der Anwendung eines Linsenelementes bei einer Aus— führungsform der Erfindung zur Erweiterung der Winke !empfindlichkeit der piezoelektrischen Reihe in einer Richtung zum Ausgleich der Verschiedenheit zwischen Länge und Breite der einzelnen piezoelektrischen Elemente;

Fig. 6 ist eine vergrößerte, teileweise weggebrochene Stirnansicht ähnlich Fig. 5 zur Veranschaulichung der Kante des piezoelektrischen Materials und der Linse, ins-

Kollimatipns-

besondere der /wirkung der Linse für konvergierende Schalldruckwellenfelder in Ebenen, die allgemein mit der Längenabmessung der einzelnen länglichen Elemente der Wandlerreihe zusammenfallen;

Fig. 7 ist eine Draufsicht auf die Wandlerreihe (das piezoelektrische Plättchen) und das Linsenelement , jedoch nur zur Veranschaulichung des piezoelektrischen Materials und der zylindrischen Linse sowie des Fokussiereffektes der Linse für einfallende Schalldruckwellen, die im allgemeinen in Ebenen konvergieren, die die Längaabmessungen der Elemente der piezoelektrischen Reihe rechtwinkelig schneiden; und

Fig. 8 ist eine Seitenansicht (entlang der Linien VIII-VIII in Fig. 1) zur Veranschaulichung des Verfahrens zum Anschließen sämtlicher Elemente jeder Trageinheit für eine piezoelektrische Reihe.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Wandleranordnung 10 ist in Fig. 1 dargestellt. Wie noch im einainen, insbesondere anhand der Fig. 2 und h, zu erläutern sein wird, ist der Satz piezoelektrischer Elemente, die ein Schalldruckbildfeld in elektrische Impulse umwamtiLt, in einem Schlitz 11 gehalten, der sich über die volle Länge der Anordnung 10 erstreckt.

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Die lineare Reihe erhält im Interesse der besseren Anpassung einer einzigen Linie an das Schalldruckbildfeld die Gestalt eines Bogens, obwohl sie die Funktion auch erfüllen würde, wenn sie geradlinig wäre. Der Grund dafür, daß eine gekrümmte lineare Reihe sich dem interessierenden Druckbildfeld besser anpaßt als eine geradlinige Reihe, besteht darin, daß die zum Fokussieren des Bildes bei der besonderen, in Rede stehenden Anwendung verwendete akustische Linse ein fokussiert es Druckbildfeld in der Form eines Kugelsegmentes liefert und daß eine einzige Linie an dem Kugelsegment (ein ebener Schnitt des Kugelsegmentes) einen Kreisbogen bildet.

Man betrachte zunächst die Reihe von metallisiertem piezoelektrischem Material für jede Anordnung 12. Eine Kantenansicht und eine Drauf sint eines Plättchens 16 sind in Fig. 2 bzw. 3 gezeigt. Für die Anwendung ist das Plättchen ca. 0,58 mm (23 mils) dick, 24,4 mm (0,96 inches) lang und 10,9 mm (O,43 inches) breit. Quer zu dem Plättchen sind mit einem Mittellinienabstand von 0,76 ram (30 mils) 0,38 mm (15 mils) breite Nuten 18 eingeschnitten, so daß eine Reihe von 0,38 mm (15 mils) breiten Inseln 20 gebildet ist, die sich über die Breite des Plättchens 16 erstrecken. Die 0,38 mm(i5 mils) breiten, 10,9 mm (43örails) langen Inseln sind also durch die darunterliegenden (anschließenden) Bereiche des piezoelektrischen Materials von ca. 0,125 bis 0,20 mm (5 bis 8 mils) Dicke zusammengehalten.

Jedes piezoelektrische Plättchen 16 ist derart geschnitten, daß darin 32 Inseln 20 und eine gleiche Anzahl von Schlitzen vorhanden sind} es ist zu bemerken, daß sich am einen Ende des Plättchens eine vollständige Insel 20 und am anderen Ende ein vollständiger Schlitz 18 befindet, so daß, wenn diese Abschnitte hintereinander angeschlossen sind, die Inseln und die Schlitze über die ganze Länge der Reihe wechseln. Um einen guten elektrischen Kontakt in der Rei-he piezoelek-

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trischer Abschnitte zu erzielen, werden beide Seiten des Plättchens 16 vor dem Schneiden der Schlitze 18 mit einem Überzug 17 aus einem guten elektrischen Leiter, wie Silber, versehen. Nach dem Schneiden der Schlitze 18 sind die leitenden Überzugsteile an der Oberseite der Inseln 20 voneinander wirksam ,getrennt, so daß die Inseln einzeln mit elektrischen Schaltungen verbindbar sind.

Zum besseren Verständnis der Auflagerung der Plättchen 16 aus piezoelektrischem Material dient die perspektivische Darstellung der Rückseite eines piezoelektrischen Plättchens 16 und seiner Lagerung in Fig. 4 und die erweiterte, teilweise weggebrochene Kantenansicht in Fig. 2.

Die Auflagerung für das piezoelektrische Plättchen kann als ein Metallabschnitt 30 betrachtet werden, der einen über seine volle Länge verlaufenden Tragschlitz 32 aufweist. Wie dargestellt, erstreckt sich der Schlitz über die ganze Länge des Metallabschnittes, so daß dieser als zweiteilig angesehen werden kann, jedoch wird dieser zweckmäßigerweise und wegen der Art seines Aufbaues als ein Metallabschnitt bezeichnet. Zur Schaffung einer Auflagerung für das piezoelektrische Plättchen 16 erstreckt sich ein Teil des Schlitzes nicht gänzlüi von der Rückseite des Metallabschnittes durch diesen, so daß beiderseits des Schlitzes je eine Falzlippe 34 gebildet ist und das piezoelektrische Plättchen 1.6 über seine ganze Länge passend an der Falzlippe 34 anliegt und die obere Fläche der Inseln 20 mit der Rückseite des Metallstreifens 30 bündig abschließt. Der breite Teil des Schlitzes 32 hat also die gleiche Breite (10,9 mm (0,43 inches)) wie das piezoelektrische Plättchen 16, und die Auflageflächen an den Falzen 34 sind etwa 0,38 mm (15 mils) breit. Das piezoelektrische Plättchen 16 ist in dem Schlitz 32 mittels eines Epoxydklebers befestigt.

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Beim Einkleben des piezoelektrischen Plättchens 16 in den Schlitz 32 besteht die Gefahr, daß der Kleber den elektrischen Anschluß zwischen dem leitfähigen Überzug 17 an der Vorderseite des Plättchens und an dem Metalltragglied 30 beeinträchtigt. Es ist daher vorzuziehen, einen leitfähigen Überzug 36, beispielsweise aus Gold, vorzusehen (Fig. 5)1 der sich über den leitfähigen Überzug 17 an der Vorderseite des piezoelektrischen Plättchens 16 und mindestens ein Stück weiter zu den Lippen 3^ des Metallträgers 30¹ZU beiden Seiten des Schlitzes 32 erstreckt. Der Grund für die Anbringung von Leitern an gegenüberliegenden Seiten des piezoelektrischen Plättchens ist natürlich der, die von dem auf die Oberfläche des piezoelektrischen Plättchens einfallenden Schalldruckbildfeld erzeugten elektrischen Spannungssignale einzuleiten.

Um eine bestmögliche Energieübermittlung zwischen dem einfallenden Druckbildfeld und dem piezoelektrischen Plättchen 16 zu erzielen, ist auf der Fläche des piezoelektrischen Plättchens 16 in dem Schlitz 32 ein Impedanzanpassungs—

material 40 haftend angebracht. Der Schlitz 32 hat eine Breite gleich einer Anzahl von Wellenlängen der festzustellenden Ultraschallfrequenz in dem Übertragungsmedium. H£.er ist der Schlitz 10 mm (0,4 inches) breit (Abmessung zwischen den Falzlippen 3k). Das Impedanzanpassungsmaterial 40, das den Schlitz ausfüllt, ist so gewählt, daß seine Impedanz gleich ist der Quadratwurzel aus dem Produkt der Impedanzen des piezoelektrischen keramischen Stoffes und des Übertragungsmediums, und bildet daher einen Impe-danzanpassungsabschnitt. Ein Beispiel eines geeigneten Anpassungsmaterials ist Epoxyd oder Polystyrol, das zur Erzielung der richtigen Impedanz mit Wolfram- oder Aluminiumpulver gemischt ist. Die Dicke des Anpassungsmaterials ist gleich der Dicke der Falzlippe 3k der Metalltragplatte 30, nämlich einem Viertel einer Wellenlänge der festzustellenden Ultraschallfrequenz (in dem Anpassungsmaterial). Für die hier in

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Rede stehende Anwendung beträgt die Dicke des Anpasssungsmaterials ca. 0,2 mm (8 mils) und das Mischungsverhältnis beträgt 58 Gew.-Jo Wolframpulver und 42 Gew.-f/έ Epoxyd des von Shell Oil Company hergestellten und unter der Warenbezeichnung Epon 828 vertragenen Typs. Die verfügbare Schallimpedanz beträgt 7»1 kg/m.s .

Jede piezoelektrische Insel oder jedes Element 20 bildet ein Abtastelement der gesamten Abtastreihe,und das Abtasten erfolgt der Reihe nach durch jeweils 1 Element, jeweils entlang einer Linie quer zum Schalldruckbildwerk, und anschließend wird die nächstfolgende Linie des Schalldruckbildfeldes abgetastet. Die beste Qualität der Reproduktion des Bildfeldes ergibt sich also, wenn die abgetasteten Segmente gut miteinander verwebt oder verflochten sind. Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, besteht darin, daß jedes Element der Abtastreihe in gleicher Höhe und Breite ausgeführt wird, d.h. die Elemente quadratisch sind. Infolge der praktisch verwendeten Herstellungstechnik ist jedoch die Länge (Höhe) der Elemente 20 der Reihe größer als ihre Breite. Zum Ausgleich dieser Abweichung ist also entlang der Länge des Schlitzes 32 der Wandlerreihe und parallel zu dieser und in einem Abstand von dieser eine zylindrische Kollimator.linse 38 derart angeordnet, daß sie ein Fokussieren des einfallenden konvergierenden Wellenfeldes in der Ebene der Reihe entlang der zur zylindrischen Linse parallel-en Richtung gestattet. ■

Der einwandfreie Abstand zwischen der Sammellinse 38 und den Elementen 20 der Wandlerreihe 16 wird durch die Anordnung von Distanzhaltern 39 als Linsenbefestigungsmittel festgelegt, die sich über die Länge des Tragschlitzes 32 an gegenüberliegenden Seiten desselben und auf die obere Fläche des Metallträgers 30 erstrecken. Die Unterkante der Distanzhalter 39 ist an der obe-ren Fläche des Metallträgers 30

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beispielsweise durchAnkleben befestigt, und die Oberkante, die über ihre ganze Länge der Krümmung der Linse 38 entsprechend abgefast ist, ist an der unteren Fläche der Linse angeklebt. Auf diese Weise halten die Distanzhalter 39 die Linse 38 in einwandfrei festgelegtem Abstand oberhalb der Elemente 20 des piezoelektrischen Plättchens 16. Das Material der Distanzhalter 39 ist nicht entscheidend, und der Abstand zwischen den Distanzhaltern ist ebenfalls nicht entscheidend.,abgesehen davon, daß ihr Abstand von den Kanten des Schlitzes 32, der das piezoelektrische Platt- · chen 16 hält, groß genug sein soll, um eine Störung des einfallenden Schalldruckfeldes zu verhindern.

Fig. 6 und 7 veranschaulichen die Wirkung der Linse,die ein Fokussieren eines konvergierenden Wellenfeldes in einer Gruppe von Ebenen und das Koilimieren konvergierender Wellenfelder in einer anderen Gruppe von Ebenen gestattet. Fig. 6 zeigt nämlich schematisch anhand konvergierender Linien 37i daß die konvergierenden Wellenfelder, die allgemein in Ebenen entlang der vertikalen Abmessung der piezoelektrischen Elemente 22 der Reihe 16 liegen, durch die Linse 38 hindurchgehen und wegen der gekrümmten Flächen der zylindrischen Linse in Ebenen koXLimiert und ausgerichtet werden, die sich allgemein entlang der Längsabmessungen der länglichen piezoelektrischen Elemente 20 der Reihe (d.h. zur Längsachse der Sammellinse 38 unter rechtem Winkel) liegen. Fig. 7 hingegen zeigt schematisch anhand der Linien 41 und der Pfeile, daß konvergierende Wellenfelder, die sich im allgemeinen Ebenen entlang der Längsachse der Sammellinse 38 befinden, fokussiert werden.

Verfolgt man die durch die Linien 41 angedeuteten einfallenden konvergierenden Wellenfelder, so erkennt man, daß das einfallende Wellenfeld beim Auftreffen auf die Kollimator linse 38 beschleunigt wird, was durch die einwärtsgerichtete Brechung der Linien in der L^nse 38 angedeutet ist,

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da die Linse aus einem Material hergestellt ist, in der die Schallgeschwindigkeit höher als in dem umgebenden schalleitenden Medium ist. Wenn die Schallwellen an der der Reihe piezoelektrischer Elemente zugewendeten Seite der Linse 38 austreten, werden sie abermals verzögert, so daß sie wieder unter ihrem ursprünglichen Einfallwinkel konvergieren (siehe Linien ^3). Die KoiLimatorlinse 38 befindet sich in dem zum Fokussieren der Schallwellen auf die Fläche der piezoelektrischen Elemente 20 des Plättchens 16 erforderlichen Abstand von diesen. Wenn die Linse aus einem Material besteht, in dem die fallgeschwindigkeit größer als indem umgebenden schalleitenden Medium ist, ist der zur Höhe der Inseln 20 parallele (zum Schlitz 32 quergerichtete) Querschnitt konvex, jedoch parallel zur Längsausdehnung des Schlitzes 32 an jeder Stelle gleich.

In der Praxis kann die Ausgleichslinse 38 aus einem gekrümmten Stück hergestellt sein, da» der vollen Länge des Schlitzes 11 an der ganzen Wandleranordnung 10 angepaßt ist, oder sie kann aus Segmenten bestehen, die den Schlitz 32 nur im Bereich je einer Anordnung 12 verde.cken und deren Enden abgeschrägt (nicht dargestellt) sind, so daß beim Zusammensetzen der einzelnen Anordnungen 12 zur Bildung einer Wandlergesamtanordnung 10 effektiv nur eine Linse gebildet wird. In manchen Fällen, z.B. wenn die Elemente der Reihe anstatt länglich quadratisch sind, ist die Linse 38 nicht erforderlich, und daher ist die Linse auch in der Gesamtdarstellung der Fig. 1 oder in der Darstellung der Einzelanordnung 12 in Fig. k nicht dargestellt.

Die elektrischen Anschlüsse werden zwischen der Vorderseite der Reihe piezoelektrischer Elemente 20 und dem Metallstreifen 30 mittels leitfähigen Zementes oder des im Zusammenhang mit Fig. 5 beschriebenen Goldüberzuges 36 hergestellt. Ein Teil der Mittel zur Herstellung elektri-

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scher Anschlüsse an dem Silberüberzug 17 an der Rückseite der Inseln 20 ist von zwei gedruckten Schaltungstafeln 42 und 44 (Fig. 4) gebildet, die an der Rückseite des Metallstreifens 30 jeder Einzelanordnung 12 an gegenüberliegenden Seiten des Halteschlitzes 32 für das piezoelektrische Plättchen angeklebt sind und deren Kanten sich über gegenüberliegende Kantendes Plättchens 16 erstrecken, so daß die Kanten des Plättchens 16 jeweils zwischen einer Falzlippe 34 des Metallstreifens 30 und einer gedruckten Schaltung sandwichartig eingefügt sind. Die Seiten der gedruckten Schaltungen 42 und 44, die an der Rückseite des Metallstreifens 30 angeklebt sind, sind nichtleitend. An den gegenüberliegenden Seiten der gedruckten Schaltungen 42 und 44 ist das leitfähige Material weggeätzt, so daß eine Anzahl ItLtfähiger Finger (46 und 46a an der Schaltung 42, und 47 bzw. 47a an der Schaltung 44) gebildet sind, die sich quer zu den Schaltungstafeln parallel zu den Xnseln 20 und Schlitzen 18 in dem piezoelektrischen Plättchen 16 erstrecken und sich in Deckung mit den Inseln befinden. Auf diese Weise sind an jeder der Schaltungen 42 und 44 ebensoviele leitfähige Finger wie Inseln 20 an dem piezoelektrischen Plättchen 16 (nämlich 32 Stück) vorhanden.

Jeder zweite Finger an jeder solchen Schaltungstafel ist mittels eines Leitungsdrähtchens 48 mit einer zugeordneten, ebenfalls jeder zweiten, Insel 20 verbunden, indem die Leitungsdrähtchen 48 an jedem zweiten Finger der kontaktierten Schaltungstafel sowie an dem Silberüberzug 17 an der Rückseite jedes zweiten piezoelektrischen Elementes 20 +■ haftend befestigt sind. Im I_nteresse einer einfachen und übersichtlichen Darstellung sind die kontaktierten Finger der Schaltungstafel 42 (der Schaltungstafel an der linken Seite der Fig. 2) mit 46a und die kontaktierten Finger der Schaltungstafel 44 ( der rechten Schaltungstafel in Fig. 2) mit 47a bezeichnet. Die kontaktierten Finger befinden sich

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direkt in Deckung mit dem kontaktierten piezoelektrischen Element 20; die kontaktierten leitfähigen Finger 46a an der gedruckten Schaltungstafel 42 liegen also direkt gegenüber den nicht-kontaktierten Fingern 47 an der gedrufcten Schaltung 44, und die kontaktierten leitfähigen Finger 47a an der gedruckten Schaltungstafel 44 fluchten direkt mit den nicht-kontaktierten Fingern 46 der Schaltungstafel 42.

Die nicht-kontaktierten Finger 46 und 47 an beiden gedruckten Schaltungstafeln bilden ein Mittel zur Abschirmung der kontaktierten Finger 46a und 47a, die der aktiven Schaltung angehören. Zur Erzielung der Abschirmung sind sämtliche nichtkontaktierten Finger 46 der gedruckten Schaltungstafel 42 (zur Bildung eines einzigen leitfähigen Elementes) mittels eines leitfähigen Streifens 50 kurzgeschlossen, der sich über den äußeren Umfang (über die dem Schlitz 32 abgewendete Seite) der gedruckten Schaltungstafel erstreckt, so daß der so gebildete KLradaysche Käfig das Aussehen eines Kammes erhält. Die Abschirmung wird durch eine Leitung 52 vervollständigt, die sowohl mit dem·leitfähigen Rückenstreifen 50 an der kammförmigen Abschirmung als auch an dem zunächst benachbarten Teil des Metalltragstreifens 30 ultraschallmäßig haftend angeschlossen ist.

In der gleichen Weise sind die aktiven Schaltungsleitungen 47a der gedruckten Schaltungstafel 44 abgeschirmt, indem ein leitfähiger Streifen 54 vorgesehen ist, der sich über den Außenumfang der gedruckten Sqhaltungstafel 44'erstreckt und die restlichen Finger 47 an der Schaltungstafel kontaktiert und mit dem zunächst benachbarten Abschnitt des Metallstreifens 30 durch eine Leitung 56verbunden ist, die an dem leitfähigen Streifen 54 der kammartigen Konstruktion und an dem Metallstreifen 30 Ultraschallmäßighaftend angeschlossen ist.Auf diese Weise sind die kammartigen leitfähigen Konstruktionen an beiden gedruckten Schaltungstafeln 42 und 44 in wirksamer Weise mit Erdpotential.ver-

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blinden, so daß sie einen Faradayschen Käfig bilden, der einen störenden Übertritt (pickup) zwischen den leitfälligen Fingern 46a und 47a der aktiven Schaltung verhindert.

Jede der Wandleranordnungen 12 muß starr zusamengehalten sein, so daß jegliche Möglichkeit ausgeschlossen ist, daß das piezoelektrische Wandlerplättchen 16 bricht, und es muß dafür gesorgt sein, daß die Anordnungen 12 zur Bildung der Wandlergesamtanordnung 10 genau und starr zusammengehalten sind. Um die gegenüberliegenden Seiten des Metall- " Streifens 30 starr zu halten, ist ein U-förmiges Stegglied 58 (Fig. 5) vorgesehen, das sich über die Rückseite des piezoelektrischen Plattchens 16 derart erstreckt, daß seine Rinne oberhalb des Schlitzes 32 in dem Metallstreifen 30, zu diesem parallel, liegt. Dieser Stützsteg 58 besteht aus nicht-leitendem Material, wie Kunststoff, so daß er die Leitung in den leitfähigen Fingern auf den gedruckten Schaltungstafeln 42 und 44 nicht stört. Die Flansche des U-Profils sind an den gedruckten Schaltungstafeln starr befestigt, und zwar bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel mittels eines Epoxydzements angeklebt.

Als Mittel für die Verbindung der Einzelanordnunge«12 an dem gebogenen Tragglied oder Schuh 14 für die Wandlergesamtanordnung 10 sowie als Mittel zum Befestigen eines Teiles der elektronischen Schaltungsanlage an der Anordnung ist an der Rückseite des Tragsteges 58, beispielsweise mittels Schrauben 62, ein Aluminiumklotz 60 befestigt. Diese zweiteilige Traganordnung, nämlich der Aluminiumklotz 60 und der Stützsteg 58, wird aus praktischen Gründen, die jedoch nicht als entscheidend anzusehen sind, lieber verwendet als ein einziger einstückiger, größerer mit dem U-Profil zusammengefaßter Klotz. Beispielsweise sollte der Steg 58 nicht-leitend sein, obwohl es nicht erforderlich ist, daß der ganze Klotz nicht-leitend ist. Aluminium ist leicht

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und verhältnismäßig inert und ermöglicht daher eine gute kräftige Abstützung, und die Anordnung ist körperlich leichter zu handhaben, wenn sie zweiteilig ausgeführt ist, d.h. eine Ausrichtung der Einzelanordnungen 12 ist leichter durchzuführen.

Wie bereits bemerkt, ist der Aluminiumstützklotz 60 von einem bogenförmigen Tragschuh 14 getragen und an diesem mittels Schrauben 64 angeschraubt, die durch den bogenförmigen Schuh hindurchgehen und in die Rückseite des Aluminiumklotzes eingeschraubt sind. Ferner trägt der Aluminiumklotz 4 gedruckte Schaltungstafeln 66, deren jede die Elemente und Leiter von vier Vorverstärkern (insgesamt von 32 Vorverstärkern) trägt. An jeder Seite des Aluminiumklotzes sind zwei der Vorverstär— kertafeln getragen, die von jenen gegen die Schaltungstafeln 42 und 44 an der Rückseite des leitfähigen Metallstreifens nach untren ragen. Die gedruckten Sdi altungstafeln beiderseits des Aluminiumklotzes sind zueinander parallel montiert. Zwischen der inneren gedruckten Schaltungstafel 66 und dem Stützklotz 60 ist ein Isolierklotz 68 angeordnet, und ein Distanz- und Isolierklotz 70 befindet sich zwischen den inneren gedruckten Schaltungstafeln 66 und der benachbarten äußeren Vorverstärkertafel.

Zur Schaffung der elektrischen Anschlüsse zwischen den Vorverstärkern der gedruckten Schaltungstafeln 66 und den leitfähigen Fingern an den gedruckten Schaltungstafeln 42 und

72 erstrecken sich leitfähige Streifen¹von den betreffenden leitfähigen Fingern 46 und 47 zu Schaltungen an den Vorverstärkertafeln 66. Das von jedem Element der piezoelektrischen

1 2 Reihe jeder Wandlereinzelanordnung erzeugte elektrische Signal wird also durch die leitfähigen Finger 46 und die Leiter 72 zu getrennten Vorverstärkern an den gedruckten Schaltungstafeln 66 übertragen. An jeder der gedruckten Schaltungstafeln 66 sind Steckbuchsen für die Aufnahme von Leitern vorgesehen, die die verstärkten, das Schalldruck-Bildfeld repräsentierenden elektrischen Signale der

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weiteren Verstärkung oder Nutzung zuführen. Die verwendeten präzisen Vorverstärkerschaltungen sind hier nicht dargestellt, denn sie sind herkömmlich und bilden keinen Teil der Erfindung. Geeignete Vorverstärker- und Verstärkerschaltungen sind in jeder elementaren Abhandlung zu finden.

Obwohl nur bevorzugte Ausführungsformen und bauliche Anordnungen dargestellt sind, leuchtet ohne weiteres ein, daß die Erfindung nicht auf diese speziellen Anordnungen und Konstruktionen beschränkt ist, sondern Abwandlungen hinsichtlich der Materialien, der Anordnung der Bauelemente sowie der Anordnung der Schaltungselemente in mannigfaltiger Weise möglich sind.

Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

Ultraschallwandler zur Umwandlung eines Teiles eines Schalldruckbildfeldes in elektrische Impulse, gekennzeichnet durch eine Reihe von piezoelektrischen Elementen, die in einer einzigen gekrümmten Linie angeordnet sind, die durch die Gestalt des umzuwandelnden Schalldruckbildfeldes bestimmt ist.

2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gekrümmte Linie im wesentlichen ein Bogen ist.

3. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihe piezoelektrischer Elemente eine Anzahl von nebeneinanderliegenden Wandleranordnungen bildet, deren jede eine einzige lineare Reihe piezoelektrischer Elemente aufweist, und daß jede einzelne lineare Reihe piezoelektrischer Elemente in einem einzigen Plättchen aus piezoelektrischem Material gebildet ist und mehrere durch verhältnismäßig dünne rechteckige Bereiche voneinander getrennte, verhältnismäßig dicke rechteckige Inseln aufweist.

4. Ultraschallwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihe piezoelektrischer Elemente eine Mehrzahl von nebeneinanderliegenden Wandleranordnungen bildet, deren jede eine einzige lin*=eare Reihe piezo elektrischer Elemente aufweist, die in einem einzigen piezoelektrischen Plättchen gebildet sind, und daß diese einzige lineare Reihe + von durch verhältnismäßig dünne rechteckige Bereiche voneinander getrennten, verhältnismäßig dicken rechteckigen Inseln aufweist.

+ eine Anzahl -20-

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Ultraschallwandler zur Umwandlung eines Teiles eines Schalldruckbildfeldes in einem gegebenen Übertragungsmedium elektrische Impulse, gekennzeichnet durch eine lineare Reihe piezoelektrischerElemente, mit deren einer Fläche sich eine Schicht eine s Schallimpedanzanpassungsmaterials in inniger Berührung befindet, das zwisdi en diese Elemente und das umzuwandelnde Schalldruckbüdfeld eingesetzt ist und dessen Dicke im wesentlichen gleich einer Viertelwellenlänge bei der interessierenden Frequenz ist.

6. Ultraschallwandler nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß das Impedanzanpassungsmaterial im wesentlichen aus einem Gemisch aus im wesentlichen hZ Gew.-$ Epoxyd- und 58 Gew.— ⁰Jo Wolframpulver besteht.

7. Ultraschallwandler nach Anspruch 5i gekennzeichnet durch eine zylindrische Linse, die sich zentriert über der Reihe piezoelektrischer Elemente zwischen dem Schalldruckbildfeld und der Impedanzanpassungsschicht erstreckt und auf diese Weise die Ungleichheit zwischen Lange und Breite der piezoelektrischen Elemente ausgleicht.

8. Ultraschallwandler nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine zylindrische Linse, die sich zentriert über die Reihe piezoelektrischer Elemente zwischen dem SchalldruckbildfeJoLund der Impedanzanpassungsschicht erstreckt und auf diese Weise die Ungleichheit zwischen Länge und Breite der piezoelektrischen EIemete ausgleicht.

9. Ultraschallwandler zum Umwandeln eines Teiles eines SchätLdruckbildfeldes in elektrische Impulse, gekennzeichnet durch eine lineare Reihe piezoelektrischer Elemente, die eine Anzahl von durch verhältnismäßig

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dünne rechteckige Bereiche voneinander getrennten, verhältnismäßig dicken rechteckigen Inseln aufweist, elektrische Kontakt-einrichtungen zum Herstellen elektrischer Anschlüsse an die piezoelektrischen Elemente, einschließlich eines an eine gemeinsame Fläche der piezoelektrischen Elemente angeschlossenen gemeinsamen elektrischen Leiters, sowie elektrische Einzelkontakte, die mit der gegenüberliegenden Fläche je einer der piezoelektrischen Inseln verbunden sind. ■

10. Ultraschallwandler nach Anspruch 9» gekennzeichnet durch eine Abschinnungseiir ichtung, die den Leiter an der gemeinsamen Fläche der piezoelektrischen Elemente mit einem er.sten Satz Leiter verbindet, zu dem die Leiter an jeder zweiten der piezoelektrischen Inseln gehören, und durch einen zweiten Satz Leiter, deren jeder mil? einem der Einzelkontakte an den piezoelektrischen Inseln verbunden ist, so daß von den piezoelektrischen Elementen erzeugte elektrische Signale zwischen dem gemeinsamen Leiter und dem zweiten Satz Leiter abgeleitet werden.

11. Ultraschallwandler nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch Verstärker einrichtungen, die zum Empfingen und Verstärken von den einzelnen piezoelektrischen Elementen erzeugter elektrischer Signale je zwischen den gemeinsamen Leiter und einen einzelnen Leiter des zweiten Satzes'geschaltet sind.

12. Ultraschallwandler nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß in inniger Berührung mit einer Fläche der einzelnen linearen Reihe piezoelektrischer Elemente eine Schicht aus Schallimpedanzanpassungsmaterial vorgesehen und zwischen den Elementen und dem umzuwandelnden Schallbildfeld transponiert ist, und daß die Dicke

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des Impedanzanpassungsmaterials im wesentlichen eine Viertelwellenlänge bei der interessierenden Frequenz beträgt.

13. Ultraschallwandler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Impedanzanpassungsmaterial aus einem Gemisch von im wesentlichen k2 Gew.-^ Epoxyd und 58 Gew.-^ Wolframpulver besteht.

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