DE2351352A1 - Verfahren und vorrichtung zur verringerung der seitenmaxima bei ultraschall-echolotverfahren - Google Patents

Description

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1Α-43 830

Beschreibung 2351352

zu der Patentanmeldung

F. Hoffmann-La Roche & Co. Aktiengesellschaft, Basel, Schweiz

Verfahren, und Vorrichtung zur Verringerung der Seitenmaxina' bei Ultraschall-Echolo tverfahren

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verringerung der Echos von ausserhalb der Brermlinie liegenden Reflektoren bei einem Echolotverfahren.mit einem konvergenten Ultra— schallfeld mit im wesentlichen ringförmiger Querschnittsfläche und-eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Bcholotverfahren,die mit einem konvergenten Ultraschallfeld mit im wesentlichen ringförmiger Querschnittsfläche arbeiten, ergeben eine gute Fokussierung des Ultraschallfeldes über eine grosse Tiefe. Es hat sich jedoch gezeigt, dass bei Verwendung einer Ultraschallwelle,die über die gesamte Querschnittsfläche in Phase ist und konstante Amplitude hat, relativ grosse Seitenmaxima auftreten, d.h.,dass unerwünschte Echos von seitlich der Brennlinie liegenden Reflektoren eine relativ grosse Amplitude haben können.

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Bu/17.9.1973

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Nachteil zu beseitigen, indem die Seitenmaxima verringert werden.

Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass nacheinander mindestens zwei impulsförmig begrenzte Ultraschallwellen gesendet werden, deren Amplituden Punktionen des in der Querschnittsfläche gemessenen Winkels Cß sind, Echos von Reflektoren in der Brennlinie und ausserhalb der Brennlinie empfangen und in elektrische Echosignale umgewandelt werden,, die Echosignale mit einem Amplitudenfaktor, der eine Punktion des Winkels ψ ist, multipliziert und anschliessend die zu Echos mit gleicher Laufzeit gehörenden . Echosignale miteinander addiert werden.

Die Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens enthält vorzugsweise einen im wesentlichen ringförmigen Ultraschallwandler, der aus mehreren gleichgrossen segmentförmigen Wandlerelernenten zusammengesetzt ist, deren Abstrahlungsflächen zur Ringachse hin geneigt sind, eine Sendeschaltung mit einem Generator und einer Gruppe von Schaltern zur wahlweisen Verbindung ausgewählter Wandlerelemente mit dem Generator oder mit Erde, eine Empfangsschaltung mit einer Addierschaltung, einer Gleichrichterschaltung, einer wahlweise einzuschaltenden Speichereinrichtung zur Speicherung zeitlich früher empfangener Impulse, einer zweiten Addierschaltung, einer Anzeigebzw. Registriereinrichtung und einer Gruppe von simultan betätigten Schaltern zur wahlweisen Verbindung von ausgewählten Wandlerelementen oder Erde mit .der ersten Addierschaltung.

Das Prinzip des erfindungsgemässen Verfahrens lässt sich allgemein aufgrund der nachstehenden theoretischen Ueberlegungen beschreiben. Es wird ein erster

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Impuls gesendet, dessen Amplitudenverteilung CL durch den folgenden Ausdruck gegeben ist:

(1 ♦ VT cos

wobei CP die Winkelposition eines Punktes in der Querschnittfläche, oder auf dem ringförmigen Wandler ist. Beim Empfang werden die Echos dieses ersten Impulses mit dem Amplitudenfaktor OLg* (Cf) multipliziert, wobei

- {A- /T cos

Das Echo &* (ν) eines punktförmigen Reflektors ist dann

wobei J die Besselfunktion nullter Ordnung, Jp die Bessel funktion zweiter Ordnung, c eine Konstante und r der Abstand des punktförmigen Reflektors von der Achse des ringförmigen Wandlers ist.

Es wird nun ein zweiter Impuls mit der Amplitudenverteilung 0*£2. (^f) S^e3ena^e"fc» ^^xe durch den folgenden Ausdruck gegeben ist

Die Echos dieses zweiten Impulses werden mit dem Amplitudenfaktor

«ea. (tf)■«- (1 - }f£ c»s [zcf + ΦΟ°])

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multipliziert. Das Echo S^C^) eines punktförmigen Reflektors ist nun

S_x (*■) ~ J„^l Lor) - Z J₁ ¹ (er) tos'-[Z-Cf₊90']

Das totale Signal wird erhalten durch Addition der beiden Echosignale, also

Dies ist die gewünschte Punktantwort. Aus diesem einfachen Beispiel ist ersichtlich, dass man die beiden Amplitudenbelegungen so wählt, dass; am Schluss der winkelabhängige Term verschwindet, da ja die Punktantwort nicht winkelabhängig sein soll.

Es lässt sich zeigen, dass eine bessere Punktantwort erhalten werden kann, wenn für die Synthese noch zusätzliche Besselfunktionen höherer Ordnung verwendet werden. Dabei sind für jeden zusätzlichen Term zwei zusätzliche Impulse mit den entsprechenden Amplitudenbelegungen notwendig.

Eine besonders einfache Form des erfindungsgemässen Verfahrens besteht darin, mit quantisierter Amplitudenbelegung zu arbeiten. Bei einem solchen Verfahren schwingen ausgewählte Segmente eines ringförmigen Wandlers mit der Amplitude A und gleichphasig,während die restlichen Segmente nicht schwingen. Der Empfang wird mit den Segmenten vorgenommen, die beim Senden nicht angesteuert wurden, während die anderen Segmente unberücksichtigt bleiben.

Im folgenden sind anhand der beiliegenden Zeichnungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert. Es

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zeigen

Pig. 1 einen aus acht segmentförmigen Elementen zusammengesetzten ringförmigen ültraschallwandler

Fig. 2 ein Blockschema einer Sendeschaltung zur Ansteuerung des achtteiligen Ultraschallwandlers

Fig. 3 ein Blockschema einer Empfangsschaltung für einen achtteiligen Ultraschallwandler

Fig. 4 ein Blockschema einer Sendeschaltung für einen zwölfteiligen ültraschallwandler

Fig. 5 ein Blockschema einer Empfangsschaltung für einen zwölfteiligen Ultraschallwandler.

Fig. 6 und 7 Abwandlungen der Empfangsschaltung.

Der in Figur 1 gezeigte ringförmige Ultrasehallwandler besitzt ein ringförmiges Gehäuse 13 mit einem. im wesentlichen U-förmigen Querschnitt, wobei die Symmetrieachse der Querschnittsfläche gegen die Ringachse.geneigt ist und diese in einem bestimmten Abstand schneidet. Die offene Seite des ü-förmigen Querschnitts ist diesem Schnittpunkt und damit der Ringachse zugewandt. In der ringförmigen Vertiefung des Gehäuses 13 sind acht gleichgrosse, segmentförmige, zusammen einen Ring bildende Wandlerelemente 1 bis 8 angebracht. Diese Wandlerelemente bestehen aus einer auf einem Dämpfungsblock 14 aus Epoxydharz/ Wolfram aufgebrachten piezoelektrischen Schicht, Dem elektrischen Anschluss der Wandlerelemente dient einerseits eine aufgedampfte, mit dem Gehäuse 13 verbundene metallische Schicht auf der Vorderseite und andererseits einzelne, durch Bohrungen im Gehäuse und in den Dämpfungsblocks zu den Rückseiten der piezoelektrischen Schichten führende Anschlussleitungen (nicht gezeigt). Zur Anpassung der Schallimpedanz an Wasser und zum mechanischen Schutz der piezoelektrischen Schwinger dient eine Schicht 16 aus Epoxydharz.

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Im Betrieb·sendet jeder piezoelektrische Schwinger ein Ultraschallbündel aus. Das auf diese Weise entstehende Ultraschallfeld fokussiert in einer bestimmten Entfernung vom Ultraschallwandler auf der Ringachse in einer Brennlinie. Die Länge der Brennlinie bestimmt die Tiefe, über die eine gute laterale Auflösung erreicht wird. Der Abstand der Brennlinie vom Ultraschallwandler bestimmt sich im wesentlichen durch die Neigung der piezoelektrischen Schwinger gegen die Ringachse. Die Länge der Brennlinie wird vor allem durch die Breite der piezoelektrischen . Schwinger bestimmt. Die Form des von den piezoelektrischen Schwingern ausgesendeten Ultraschallfeldes lässt sich durch die Schnittfläche charakterisieren, die es mit einer beliebigen, beispielsweise zwischen Wandler und Brenn— linie liegenden, zur Achse senkrechten Ebene bildet, und die im folgenden als Querschnittsfläche des Ultraschallfeldes bezeichnet werden soll. Diese Querschnittsfläche ist im vorliegenden Fall im wesentlichen ringförmig, wobei der Durchmesser des Ringes mit der Entfernung vom Wandler bis zur Brennlinie stetig abnimmt.

In dem in Figur 2 gezeigten Blockschema einer Sendeschaltung sind die Wandlerelemente 1 bis 8 nur symbolisch durch ihre Nummern in Blöcken angegeben. Zur Erzeugung des die Wandlerelemente ansteuernden Signal dient ein Generator 17, der eine Schaltung zu seiner zeitlichen Steuerung enthalten kann, oder mit einer solchen Schaltung verbunden sein kann. Der Generator 17 ist mit einem Verstärker 18 und über zwei Schalter 21 und 22 mit Verstärkern 19 und 20 verbunden. Die Verstärker 18 bis 20 sind direkt mit je zwei der Wandlerelemente verbunden und zwar der Verstärker 18 mit den Wandlerelementen 2 und 6, der Verstärker 19 mit den Wandlerelementen 1 und 5, der Verstärker 20 mit den Wandlerelementen 3 und 7. Die beiden Schalter 21 und 22 ■

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besitzen zwei SchaltStellungen,in deren einer sie den jeweils zugehörigen Verstärkereingang mit dem Generator 17 verbinden und in deren anderer sie den jeweiligen Veratärkereingang erden. Die beiden Schalter 21 und 22 werden simultan geschaltet, wobei in der mit I-bezeichneten Schalterstellung der Eingang des Verstärkers 19 mit dem Generator IT verbunden ist und der Eingang des Verstärkers 20 geerdet ist, während in der mit II bezeichneten Schalterstellung die Verbindungen umgekehrt sind, d.h. der Eingang des.Verstärkers 20 mit dem. Generator und der Eingang des Verstärkers 19 mit Erde verbunden ist. Die Schalter 21 und 22 werden beispielsweise mit elektrischen Schaltelementen realisiert, z.B. Feldeffekttransistoren die zum Zweck der Umschaltung mit dem in Generator 17 enthaltenen Zeitgeber verbunden sind (nicht gezeigt). Die beiden verbleibenden Wandlereiemente 4 und 8 sind während des Sendens geerdet.

Die Wandlerelemente dienen gleichzeitig zum Empfang von reflektierten Ultraschallwellen. Wie in Figur 3 gezeigt, sind sie in der gleichen Gruppierung wie beim Senden mit Verstärkern 23 bis 25 verbunden, wobei allerdings die Wandlerelemente 2 und 6 unberücksichtigt bleiben. Der Verstärker 23 ist direkt und die Verstärker 24 und 25 sind über Schalter 26 und 27 mit einer Addierschaltung 28 verbunden. Die Schalter 26 und 27 haben wiederum zwei Schaltstellungen und werden simultan mit den Schaltern 21 und 22 der Sendeschaltung umgeschaltet. In der mit I bezeichneten Sehaltstellung des Schalters 26 ist der zugehörige Eingang der Addierschaltung 28 mit dem Verstärker 24, in der mit II bezeichneten Schaltstellung mit Erde verbunden.. Umgekehrt ist in der mit I bezeichneten Schaltstellung des Schalters 27 der zugehörige Eingang der Addierschaltung 28 mit Erde j, in der mit II bezeichneten Schaltstellung mit dem Verstärker 25 verbunden. Der Ausgang der Addier schaltung

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ist über eine Gleichrichterschaltung 29 mit einem Schalter 30 verbunden, der zwei Schaltstellungen I und II aufweist. Der Schalter 30 wird ebenfalls simultan mit den ochaltern 26 und 27 sowie den Schaltern 21 und 22 umgeschaltet. In der Schaltstellung I ist der Ausgang der Gleichrichterschaltung 29 über eine Verzögerungsschaltung 31 mit einem Eingang einer Addierschaltung 32 verbunden, während in der Schaltstellung II des Schalters 30 der Ausgang der Gleichrichterschaltung 29 direkt mit einem zweiten Eingang der Addierschaltung 32 verbunden ist. An den Ausgang der Addierschaltung 32 ist ein Kathodenstrahloszillograph 33 ^an~ geschlossen.

Die Arbeitsweise der aus dem achtteiligen, ringförmigen Ultraschallwandler, der Sendeschaltung und der Empfangsschaltung bestehenden Einrichtung ist wie folgt: Zunächst stehen alle Schalter sowohl der Sendeschaltung als auch der Empfangsschaltung in der Schaltstellung I. Ein vom Generator 17 erzeugtes impulsförmig begrenztes Signal gelangt über die Verstärker 18 und 19 zu den Wandlerelementen 1, 2, 5 und 6. Die übrigen Wandlerelemente werden nicht angesteuert. Vom ringförmigen Ultraschallwandler wird somit ein Ultraschallfeld ausgesendet, das in den Sektoren der Querschnittsfläche, die zu den Wandlerelementen 1, 2, 5 und gehören eine bestimmte Amplitude A besitzt und gleichphasig ist, während es in den übrigen Sektoren den Wert 0 hat. Reflektierte Ultraschallwellen werden wiederum von den Wandlerelementen aufgenommen, wobei allerdings nur die von den Wandlerelementen 3» 4, 7 und 8 aufgenommenen Echosignale über die Verstärker 23 und 24 der Addierschaltung 28 zugeführt werden. Das durch die Addition entstehende Signal wird in der Gleichrichterschaltung 29 gleichgerichtet und über den Schalter 30 in die Verzögerungs-■ schaltung 31 eingegeben. Aus der Verzögerungsschaltung

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tritt das Signal erst dann aus, wenn das Echosignal eines weiteren gesendeten Impulses angekommen ist.

Nun werden alle Schalter 21, 22, 26, 27 und 30 in die Stellung II umgeschaltet. Nach der Umschaltung wird durch den Generator 17 ein weiteres impulsförmig begrenztes Signal abgegeben, mit dem nun in entsprechender Weise wie beim ersten Signal die Wandlerelemente 2, 3> 6 und "7 angesteuert werden, während die restlichen Wandlerelemente nicht angesteuert werden. In der Empfangsschaltung werden diesmal die durch die Wandlerelemente 1, 4, 5 und 8 gewonnenen Echosignale in der Addierschaltung 28 addiert, und das addierte Signal wird nach Gleichrichtung in der Gleichrichterschaltung. 29 über den Schalter 30 direkt einem Eingang der Addierschaltung 32 zugeführt. Wie bereits erwähnt,verlasst zur gleichen Zeit das erste Echosignal die Yerzögerungsschaltung 31 und tritt in den zweiten Eingang der Addierschaltung 32 ein. Das addierte Signal wird auf dem Kathodenstrahloszillographen 33 sichtbar gemacht.

Das Prinzip des soeben beschriebenen Verfahrens mit der quantisierten Amplitudenbelegung lässt sich wiederum theoretisch beschreiben, wobei die Amplituden die normierten Werte 1 oder 0 annehmen sollen. Die Amplitudenverteilungen für das gesendete und das empfangene Ultraschallfeld lassen sich als Pourier-^Reihen schreiben. Für die Amplitudenverteilung ft (Cp) des gesendeten Ultraschallfeldes gilt-

f i? ^{+ cos Zc}t"

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Das empfangene Signal wird mit einem Amplitudenfaktor multipliziert, der sich wie folgt darstellt:

COS &f - ... ■*

Das Echo eines punktförmigen Reflektors beträgt daher

cos

Den zweiten Impuls sendet man nun mit der Amplitudenverteilung

i - j- Si« Z^ - r^r ·*'«

Die empfangenen Echos werden mit dem Amplitudenfaktor Ä~- multipliziert, also

Das Echo eines punktförmigen Reflektors beträgt daher beim zweiten Impuls

Das totale Signal wird erhalten durch Addition der beiden Einzelsignale, also

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■- Ii -

In den vorstehenden Ausdrucken bedeuten J , J„, JV jeweils die Besselfunktionen nullter, zweiter und sechster Ordnung. Man sieht,dass der Ausdruck wieder bis zum zweiten Term winkelunabhängig ist. Störend ist der dritte winkelabhängige Kreuzte im. Der führt aber zu relativ kleinen Seitenmaxima, die zudem sowohl positive als auch negative Werte annehmen.

Eine Verbesserung lässt, sich erzielen mit einem "Verfahren, bei dem ein zwölfteiliger, ringförmiger Wandler verwendet wird. Nachteilig gegenüber dem vorstehend beschriebenen Verfahren ist der Umstand, dass drei Impulse zur Gewinnung des totalen Signals benötigt werden. Die Verbesserung besteht jedoch darin, dass der erwähnte winkelabhängige Kreuzterm wegfällt und erst ein Kreuzterm höherer Ordnung auftritt. Zur Durchführung dieses Verfahrens wird,wie gesagt»ein ringförmiger Wandler verwendet, der aus zwölf Wandlerelernenten zusammengesetzt ist, im übrigen jedoch genau dem in Figur 1 gezeigten Wandler entspricht. Die einzelnen Wandlerelemente sind in den in Figur 4 und 5 gezeigten Sende- und Empfangsschaltungen wiederum symbolisch durch ihre Nummern in Blöcken angegeben. -

Die in Figur 4 im Blockschema gezeigte Sendeschaltung ist im Prinzip gleich aufgebaut wie die einfachere Sendeschaltung für den achtteiligen Wandler. Zur Erzeugung des Signals, mit dem die Wandlerelemente angesteuert werden, dient ein Generator 34. Dieser ist fest mit einem Verstärker 37 und über Schalter 40 bis 43 mit Verstärkern 35» 36, 38 und 39 verbunden. Die Schalter 40 bis 43 besitzen drei verschiedene Schaltstufen und werden simultan geschaltet. Zum Senden der ersten impulsförmig begrenzten Ultraschallwelle befinden sich alle Schalter 40 bis 43 in der oberen Position, zum Senden der zweiten Welle in der mittleren Position und zum Senden der dritten Welle in der unteren

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-IjI-

Position. Somit werden für den ersten Impuls nur die Wandlerelemente 1, 2, 3» 7, 8 und 9» für den zweiten Impuls nur die Wandlereleraente 2, 3, 4, 8, 9 und 10, und für den dritten Impuls nur die Wandlerelemente 3» 4, 5» 9, 10 und 11 angesteuert .' Die Ultraschallfelder besitzen demnach wiederum in den Sektoren,die den angesteuerten Elementen entsprechen, eine bestimmte Amplitude A bzw. die normierte Amplitude 1, und in den übrigen Sektoren die Amplitude 0.

In der in Figur 5 gezeigten zugehörigen Empfangsschaltung sind die Wandlerelemente in der gleichen Gruppierung wie in der Sendeschaltung mit. Verstärkern 44 bis 48 verbunden. Lediglich die Wandlerelemente 3 und 9 bleiben unberücksichtigt. Der zu den Wandlerelementen 6 und 12 gehörige Verstärker ■ 46 ist direkt mit einem Eingang einer Addierschaltung 53 verbunden, während die zu den übrigen Wandlerelernenten gehörigen Verstärker 44, 45» 47 und 48 über Schalter 49 bis 52 mit jeweils einem Eingang der Addierschaltung 53 verbunden sind. Die Schalter 49 bis 52 haben wiederum drei Schaltpositionen und werden simultan mit den Schaltern 40 bis 43 umgeschaltet. Die drei Schaltkontakte jedes Schalters sind so mit den zugehörigen Verstärkerausgängen bzw. mit Erde verbunden, dass beim Echo auf den ersten gesendeten Impuls nur die von den Wandlerelementen 4, 5, 6, 10, 11 und 12 kommenden Echosignale, beim Echo auf den zweiten gesendeten Impuls nur die von den Wandlerelementen 5, 6, 7, 11, 12 und 1 kommenden Echosignale und beim Echo auf den dritten gesendeten Impuls nur die von den Wandlerelementen 6, 7, 8, 12, 1 und 2 kommenden Echosignale der Addierschaltung 53 zugeführt werden. Der Ausgang der Addierschaltung 53 ist über eine (xleichrichterschaltung, in der die Additionssignale gleichgerichtet werden, mit einem Schalter 55 verbunden. Der Schalter 55 besitzt ebenfalls drei Schaltpositionen und wird simultan mit den übrigen Schaltern umgeschaltet. Für das Echosignal auf den ersten gesendeten Impuls befindet sich der Schalter 55 in der oberen

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Schaltposition "und leitet somit das gleichgerichtete Signal einer Yerzögerungsschaltung 56 zu, in der das Signal bis zum Eintreffen des Echos auf den dritten gesendeten Impuls verzögert bzw. gespeichert wird. Für das Echosignal auf den zweiten gesendeten Impuls befindet sich der Schalter in der mittleren Schaltpositon und leitet das Echosignal einer weiteren Verzögerungsschaltung 57 zu, in der das Signal ebenfalls bis zum Eintreffen des dritten Echosignals verzögert bzw. gespeichert wird. Beim Empfang des dritten Echosignals befindet sich der Schalter 55 in der unteren Schaltposition und leitet somit das Echosignal direkt einem Eingang einer Addierschaltung 58 zu. Gleichzeitig mit dem Eintreffen des dritten Echosignals kommen die beiden anderen Echosignale aus den Verzögerungsschaltungen 56 und 57 an zwei weiteren Eingängen der Addierschaltung 58 an. Die drei Echosignale werden addiert und auf einem Kathodenstrahloszillographen 59 sichtbar gemacht.

Weitergehende Verbesserungen sind durch weitere Unterteilung des ringförmigen Ultraschallwandlers und entsprechend aufwendigere Sende- und Empfangsschaltungen erzielbar. Selbstverständlich sind auch andere quantisierte Verfahren möglich, wobei beispielsweise die Amplitude des gesendeten Signals nur die Werte +A und -A annimmt und die empfangenen Echos mit dem Amplitudenfaktor +1 oder -1 multipliziert werden. Diese Verfahren haben jedoch den Nachteil, dass noch ein zusätzlicher Puls gesendet werden muss, bei dem alle Elemente gleichphasig schwingen damit eine Punktanwort proportional

~J** (cv) erhalten wird. Auch bei den Sende- und Empfangsschaltungen sind zahlreiche Modifikationen denkbar. So kann beispielsweise unter Umständen auf die Verzögerungsschaltungen 31 bzwο 56 und 57 sowie auf die Addierschaltungen 32 und 58 verzichtet werden ₉ wenn die Oszillographenanzeige photographisch festgehalten wird. Die Addition der nacheinander ankommenden Echosignale erfolgt dabei praktisch im Pilmmaterial.

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Die beiden anhand der Figuren 3 und 5 beschriebenen Empfangsschaltungen stellen insofern vereinfachte Ausführungsbeispiele dar, als sie einfache Gleichrichterschaltungen zur Gleichrichtung der Echosignale enthalten. Diese vereinfachten Schaltungen geben bei der Untersuchung einfacher Objekte brauchbare Ergebnisse.· Für die Untersuchung komplizierterer Strukturen ist es häufig vorteilhaft, anstelle der einfachen Gleichrichtung eine phasenrichtige Gleichrichtung vorzusehen. Eine entsprechend modifizierte Empfangsschaltung für den achtteiligen Ultraschallwandler ' ist in Figur 6 gezeigt. Der Ausgang der Addierschaltung 28 ist mit den Eingängen von zwei Multiplizierschaltungen 60 und 63 verbunden, an deren zweiten Eingängen die Signale cos (ot und sin wt anliegen. Der Ausgang der Multiplizierschaltung 60 ist mit einem Schalter 67 und in dessen einer, mit I bezeichneten Schaltposition über eine Verzögerungsschaltung 61, in seiner anderen, mit II bezeichneten Schaltposition direkt mit einer Addierschaltung 62 verbunden. Auf die gleiche Weise ist der Ausgang der Multiplizierschaltung über einen Schalter 68 und in dessen Schaltposition I über eine Verzögerungsschaltung 64, in seiner Schaltposition II direkt mit einer Addierschaltung 66 verbunden. Die Ausgänge der beiden Addierschaltungen 62 und 66 sind mit einer Rechenschaltung 69 verbunden, die die Wurzel aus der Quadratsumme der beiden addierten Signale bildet. Der Ausgang der Rechenschaltung 69 ist mit dem Kathodenstrahloszillographen 33 verbunden.

Eine andere Möglichkeit für eine Empfangsschaltung mit phasenrichtiger Gleichrichtung für den achtteiligen Ultraschallwandler ist in Figur 7 gezeigt. Der Ausgang der Addierschaltung 28 iet mit einer Multiplizierschaltung 70 verbunden an deren zweiten Eingang über einen Schalter 71 wahlweise das Signal cos ωί oder sin tof" angelegt werden kann. Der Ausgang der Multiplizierschaltung 70 ist über einen

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Schalter 72 und in dessen Schaltposition I über eine Verzögerungsschaltung 73» in seiner Schaltpoeition II direkt mit den beiden Eingängen einer Addierschaltung 74 verbunden. Der Ausgang der Addierschaltung 74 ist mit einer Gleichrichterschaltung 75 und deren Ausgang mit dem Eingang des Kathodenstrahloszillographen 33 verbunden. Die Multiplizierer 60, 63 und 70 enthalten jeweils einen Tiefpass zur Eliminierung des Frequenzbandes um die doppelte Sendefrequenz.

In der in Figur 7 gezeigten Empfangsschaltung bleibt der Schalter 71 für zwei aufeinanderfolgende Impulse in der Stellung A während der Schalter 72 für den ersten Impuls in der Schaltposition I und für den zweiten Impuls in der Schaltposition II steht. Für zwei weitere Impulse wird der Schalter 71 in die Schaltposition B umgeschaltet und der Schalter 72 wiederum für den ersten auf I und den zweiten auf II gestellt. Auf dem Kathodenstrahloszillographen 33 wird mit dieser Empfangsschaltung die Summe aus den Absolutwerten der beiden aus dem ersten Impulspaar und dem zweiten Impulspaar gewonnenen addierten Signale dargestellt, die ungefähr der Wurzel aus der Quadratsumme gleich ist.

Heben dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens sind auch andere Vorrichtungen denkbar, wobei auf eine Köglichkeit noch besonders hingewiesen werden soll. Die meisten Formen von Ultraschallfeldern-lassen sich, prinzipiell auch durch geeignete Ansteuerung matrixförmig angeordneter Wandlerelemente (sog. "arrays") erzeugen. Un Auflösung.und Bildfeld des beschriebenen Ausführungsbeispiels zu erhalten benötigt man eine zweidimensionale Anordnung von ca. 200 χ 200 = 40'0OO Elementen. Eine solche Anordnung ist zwar mit der derzeitigen Technologie noch nicht erreichbar, wird aber voraussichtlich in naher Zukunft möglich sein. Eine andere Möglichkeit besteht . darin, einen ringförmigen Wandler aus ca'. 2 χ 200 = 400 EIe-

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-ie -

nenten aufzubauen. Gleichzeitig könnte der Uitraschallstrahl elektronisch statt mechanisch abgelenkt werden. Ii ine solche Lösung liegt an der Grenze der heutigen Technologie, scheint aber vorläufig ökonomisch noch nicht vertretbar zu sein.

. 409822/0290 BAD OftJQINAt

Claims (1)

1. Patentansprüche

   fl. Verfahren zur Verringerung der.Echos von ausserhalb der Brennlinie liegenden Reflektoren bei einem Echolotverfahren mit einem konvergenten Ultraschallfeld mit im wesentlichen ringförmiger Querschnittsfläche, dadurch gekennzeichnet, dass nacheinander mindestens zwei impulsförmig begrenzte Ultraschallwellen gesendet werden, deren Amplituden Punktionen des in der,Querschnittsfläche gemessenen Winkels sind, Echos von Reflektoren in der Brennlinie und ausserhalb der Brennlinie empfangen und in elektrische Echosignale umgewandelt werden, die Echosignale mit einem Amplitudenfaktor, der eine Punktion des Winkels' ψ ist, multipliziert und anschliessend die zu Echos mit gleicher Laufzeit gehörenden Echosignale miteinander addiert werden.

   2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste impulsförmig begrenzte Ultraschallwelle mit der Amplitudenverteilung

   gesendet wird, die empfangenen Echos mit einem Amplitudenfaktor

   multipliziert xirerden, eine zweite impulsförmig begrenzte Ultraschallwelle mit der Amplitudenverteilung

   gesendet wird₉ die empfangenen Echos mit einem Amplitudenfaktor

   (ψ/

   multipliziert werden und die beiden Echosignale miteinander addiert vrerden^

   3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Konstante Cg. s j2* ist.

   4· Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,. dass mindestens ein weiteres Paar von impulsförmig begrenzten Ultraschallwellen gesendet wird, wobei ein Impuls jedes Paares die Amplitudenverteilung

   (f)^m

   besitzt, die empfangenen Echos mit dem Amplitudenfaktor

   *s Cf) β 4 - C^ <zx «* ψ

   multipliziert werden, der zweite Impuls eines Paares die Amplitudenverteilung

   «s (?) ^m Ί 4 C^ Sm »*γ

   besitzt, die empfangenen Echos mit dem Amplitudenfaktor *M CfJ - / - €_m

   multipliziert werden, die Echosignale der beiden, zusätzlich gesendeten Impulse addiert, mit einer Konstanten multipliziert und zu den Echosignalen auf die ersten beiden gesendeten Impulse addiert werden.

   5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Konstante Cm « JtÜL ist.

   6. Verfahren nach Anspruch 1,

   dadurch gekennzeichnet, dass das ausgesendete Ultraschallfeld in ausgewählten Sektoren gleichphasig ist und einen bestimmten Amplitudenwert A besitzt, in den restlichen Sektoren einen vom Amplitudenwert A verschiedenen Amplitudenwert besitzt, die in ausgewählten Sektoren empfangenen Echos mit einem bestimmten Amplitudenfaktor multipliziert und zu Echos mit gleicher Laufzeit gehörige Echosignale addiert werden.

   • - 19 -

   7. "Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das ausgesendete Ultraschallfeld in ausgewählten Sektoren den Amplitudenwert A hat, in den restlichen Sektoren den Amplitudenwert 0 hat und die in ausgewählten Sektoren empfangenen Echos mit dem Amplitudenfaktor 1 multipliziert werden.

   8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen im wesentlichen ringförmigen Ultraschallwandler, der aus mehreren gleichgrossen segmentförmigen Wandlerelementen (1 bis^v8) zusammengesetzt ist, deren Abstrahlungsflachen zur Ringachse hin geneigt sind, eine Sendeschaltung mit einem Generator ( 17) und einer Gruppe von Schaltern (21,22) zur wahlweisen Verbindung ausgewählter Wandlerelemente mit dem Generator oder mit Erde, eine Empfangsschaltung mit einer Addierschaltung (28), einer Gleichrichterschaltung (29), einer wahlweise einzuschaltenden Speichereinrichtung (31) zur Speicherung zeitlich früher empfangener Impulse, einer zweiten Addierschaltung (32), einer Anzeige- bzw. Registriereinrichtung

   (33) und einer Gruppe von simultan betätigten Schaltern (26,27). zur wahlweisen Verbindung von ausgewählten Wandlerelementen oder Erde mit der ersten Addierschaltung.

   9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallwandler aus acht Wandlerelementen zusammengesetzt ist, die Schalter der Sendeschaltung so mit dem Generator verbunden sind, dass in ihrer ersten Schaltposition zwei nebeneinander liegende und die diesen gegenüberliegenden Segmente des Ultraschallwandlers mit dem Generator verbunden sind, während die übrigen Segmente mit Erde verbunden sind und in der zweiten Schaltposition die Ansteuerung um 45° gegenüber der ersten Sehaltposition gedreht ist und dass in der Empfangsschaltung die Schalter jeweils die von der Sendeschaltung nicht angesteuerten

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   Wandlerelemente mit der Addierschaltung verbinden. .

   10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Ultraschallwandler aus zwölf Segmenten besteht, die Schalter drei Schaltpositionen besitzen, die Schalter der Sendeschaltung in ihrer ersten Schaltposition drei nebeneinander liegende und die diesen gegenüberliegenden Wandlerelemente mit dem Generator und die übrigen Wandlerelemente mit Erde verbinden, in ihrer zweiten Schaltposition die Ansteuerung um 30° und in ihrer dritten Schaltposition um 60° drehen, und dass die Schalter in der Empfangsschaltung die jeweils von der Sendeschaltung nicht angesteuerten Wandlerelemente mit der Addierschaltung verbinden.

   11. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichrichterschaltung eine Schaltung zur phasenrichtigen Gleichrichtung ist.

   12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung zur phasenrichtigen Gleichrichtung zwei parallele an die erste Addierschaltung (28) angeschlossene Kanäle mit je einem Multiplizierer (60,63) zur Multiplikation der addierten Echosignale mit sin ct>t und cos u>t , je einer Addierschaltung (62,66) sowie je einer wahlweise zwischen Multiplizierer und die zugehörige Addierschaltung einschaltbare Verzögerungsschaltung (61,64) und eine Rechenschaltung (69) zur Bildung der Wurzel aus der Quadratsumme aus den Signalen in beiden Kanälen enthält.

   13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung zur phasenrichtigen Gleichrichtung einen der ersten Addierschaltung (28) nachgeschalteten Multiplizierer (70) zur wahlweisen Multiplikation des addierten.Signals mit

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   sin ujt oder cos u>t und einen dem Kathodenstrahloszillographen vorgeschalteten Gleichrichter enthält (75).

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