DE2353071C2 - Fokussier- und Ablenksystem für die Schallbilderzeugung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Schallbildablenkung mit einem im Strahlengang der Schallwellen angeordneten Linsensystem der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 genannten Gattung.

Eine hinsichtlich der Fokussierung ähnliche Vorrichtung ist bereits vorgeschlagen worden (ältere Patentanmeldung P 23 45 088.6-35). Zur Sichtbarmachung des Schallbildes wird ein Hybridwandler, bestehend aus einer linearen Reihe getrennter piezoelektrischer Elemente, verwendet, die mit hoher Geschwindigkeit elektronisch abgetastet werden, während die ganze Reihe der Wandler selbst ruht.

An die sogenannten »Akustiklinsen« werden höchste Anforderungen an die Genauigkeit des Fokussierens besonders dann gestellt, wenn mit solchen Vorrichtungen Spezialaufgaben wie die zerstörungsfreie Prüfung von Gegenständen gelöst werden sollen. Dabei ist es wichtig, daß verzerrungsfreie Abbildungen hergestellt werden. Sollen lebende Organismen, die der optischen Beobachtung nicht ohne weiteres zugänglich sind, untersuch! werden, so ist es oft auch erwünscht, die Abbildung in kurzer Zeit zu crmö^irhen. da sich die Lage und Form des betreffenden Organes oft ändert. Wünschenswert hierbei ist das "Trennen sämtlicher Schallwellen, die eine Bildinformation enthalten, und das Erzeugen eines möglichst verzerrungsfreien »Schallbildes« unier geringstem Verlust an Schallenergie innerhalb eines Sekundenbruchteils.

Fs wurde gefunden, daß ein erheblicher Verlust an Schallenergie. die sonst fur die Schallbilderzeugung verfügbar wäre, durch die »Modusumwandlung« an der Trennfläche zwischen einem flüssigen und einem festen Schallwellenleiter. wie einer Linse oder einem Bildablenkungselement, verursacht wird. Wegen des Schubsp-innungsgleichgewicht=, an der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Feststoff tritt keine Modusumwandlung auf. wenn die einfallende Druckwelle zur Auftreff-Fläche des Feststeifes im rechten Winkel steht. Wenn jedoch der Einfallwinkel von der Normalen zunehmend abweicht (dies ist als zunehmender Winkel zu betrachten), wird ein wachsender Anteil der Druckwelle in Schubwellenenergie umgewandelt, und es gibt dann schließlich einen Winkel, bei dem die einfallende Druckwelle im wesentlichen vollständig in eine Schubwelle umgewandelt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgäbe zugrunde, ein Ultraschallwellenfeld periodisch abzulenken und zur Bilderzeugung an einer insbesondere linearen Wandleranordnung so vorbeizuführen, daB kein nennenswerter Betrag von Modusverlusten auftritt.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.

In der Optik ist es an sich bereits bekannt (Naumann, Optik für Konstrukteure, 1949, Seite 63, und US-PS 37 20 454), den Lichtstrahlengang durch zwei hintereinander im Strahlengang angeordnete gleichartige Prismen zu lenken und durch gegensinniges Antreiben derselben den Lichtstrahl abzulenken oder optische Feldkurven dadurch abzutasten und zu korrigieren, daß der Lichtstrahl -]urch gleichsinnig rotierende Prismen gelenkt wird, deren parallele Drehachsen sich im Abstand voneinander befinden.

Bei der Erfindung ist der Diagnostiker in der Lage, ein Organ bei Veränderung des Anblickes oder während der Bewegung des Organs durch Muskeltätigkeit durch den Patienten selbst kontinuierlich zu beobachten.

Die Vorrichtung zur Verwendung insbesondere in flüssigen Medien ist mit zwei oder mehr massiven Linsen und Bildablenkungselementen ausgestattet, zwischen denen sich ein flüssiges Füllmedium befindet. Die Materialien des Satzes akustischer Linsen und BiIdabicnkungsclcrncntc sind derart gewählt, daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schallwelle^ in dem Medium an mindenstens einer Seite der zusammengesetzten Anordnung zwischen der Schallwellengeschwindigkeit in den Medien der Linsen und als Prismen ausgebildeten und zur Schallbrechung dienenden Bildablenkungselemente und in dem flüssigen Füllmedium liegt. Durch geeignete Wahl des Verhältnisses zwischen der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schall wellen in den Linsen und Prismen, dem diese umgebenden flüssigen Umgebungsmedium und dem flüssigen Füllmedium in der zusammengesetzten Anordnung wird der Einfallwinkel des Druckbildfeldes auf die Oberfläche der Linsen und Bildablenkungselemente erheblich verringert (dem rechtwinkligen Einfall möglichst angenähert) und im wesentlichen sogar so weit vermindert, daß eine Modusumwandlung an den Trennflächen der flüssigen und festen Medien im wesentlichen ausgeschaltet wird und dennoch die gewünschte . .bbildung und Bildablenkung ermöglicht werden. Der Krümmungsradius der Linsenelemente wird also erheblich erhöht und der Winkel ebener Flächen von Bildablenkungselementen in bezug auf die Einfallachse eines Druckbildfeldes erheblich vermindert.

Die Erfindung schafft also im wesentlichen eine zusammengesetzte Schallabbildungs- und Schallablenkungsvorrichtung zur Bildung von Schallbildern mit einfallenden Schallwellen und zum gleichzeitigen Ablenken und Vorbeibewegen des so erzeugten Bildes über ein Bildfeld in solcher Weise, daß das ganze betreffende Schalldruckbildteld von einer linie (in der Praxis von einer linearen Anordnung von Wandlern zürn Umwandeln des einfallenden Schalldruckbildfeldes in ein gleichwertiges elektrisches Signal) bestrichen wird, die in einer Ebene bzw Kugelsegmentfläche enthalten ist. in der auch die Achse des einfallenden Schallbildfeldes hegt. Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung sind die Linsen und Prismen durch Schaffung zweckentsprechender Linsenprofile zu prismatischen Linsen vereint, indem beispielsweise an der einen Seite jeder Einheit ein Fokussierlinsenprofil und an der anderen Fläche desselben die geneigte ebene Fläche eines Prismas angeordnet sind. Außerdem sind Mittel zum gegenläufigen Antrieb der Linsenelemente Vorgesehen, so daß die kombinierten Linsen- und Prismenelemente sowohl Jas Fokussieren als auch die Bildablenkung übernehmen. Zur Verminderung des Krümmungsradius der Linsenelemente und/oder der Neigung der Prismenflächen in soichem .ViaO, daß eine Modusumwandlung an den Trennflächen zwischen flüssigem und festem Stoff im wesentlichen ausgeschaltet wird, während für die erforderliche Bilderzeugung und Ablenkung (Brechung) gesorgt ist, sind die Materialien der Linsen, Prismen und der mitgeführten flüssigen Medien derart gewählt, daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit akustischer Wellen in dem Medium an mindestens einer Seite des Linsensatzes zwischen der Ausbreitungsgeschwindigkeit in dem Füllmedium und dem Medium der Linsen und Prismen liegt.

In der Zeichnung ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beispielsweise dargestellt; darin zeigen

Fig. 1 und 3 vertikale Längsschnitte (entlang der Schnittlinie 1-1 in F i g. 2) durch die Biidablenkungs- und Fokussiervorrichtung gemäß zweier Alternativen.

Fig. 2 ist eine teilweise weggebrochene Stirnansicht der Vorrichtung gemäß Fig. 1 und "* ur Veranschaulichung der räumlichen Anordnung der linsen und Ablenkelemente und des Ablenkantriebes im Gehäuse. Das Fokussieren (Abbilden) erfolgt bei dem dargestellten Schallabbildungs- und Bildablenkungss., stern mittels zweier massiver Linsen 10 und 12, die beide im allgemeinen von bikonkaver Form sind und in axialer Ausrichtung in einem Abstand voneinander liegen, so daß zwischen ihnen e:n Hohlraum 13 gebildet ist. Die Beschreibung der in eiern Hohlraum Π zwischen den Linsen 10 und 12 untergebrachten Elemente wird zunächst zurückgestellt, da diese einen Teil des Bildablenkungssystems bilden, das später noch eingehend beschrieben wird. Der Hohlraum 13 ist im ubrigen mit einem flüssigen Füllmedium 14 ausgefüllt. Die zusammengesetzte Schall-Linsenanordnung ist zur Verwendung in einem flüssigen Medium bestimmt; sie ist daher beim dargestellten Ausführungsbeispiel in einem als zylindrisches Rohr ausgebildeten Gehäuse 15 untergebracht, das in ein flussiges Umgebungsmedium 16 eingetaucht ist. Der Hohlraum 13 innerhalb der aku tischen Linsenanordnung ist vom Umgebungsmedium 16 durch die Linsen 10 und 12 und durch die diese tragenden und umschließenden Wände 29 bzw. 31 dichtend getrennt. Jede der ringförmigen Einbau- und Verschlußwände 29 und 31 ist entlang i'nres UrrJanges dichtend mit der Innenseite des rohrförmigen Gehäuses 15 verbunden, und die Linsen 10 und 12 sind innerhalb der kreisförmigen öffnungen 33 b/w 35 in den beiden Stütz- und Verschlußwänden 29 und 31 hermetisch abgedichtet. Bei der dargestellten Ausführungsform ist im oberen Teil des Gehäuses 15. d.h. oberhalb der Linsen tO und 12. ein Raum für das Antriebsgetriebe vorgesehen, indem die kreisförmigen öffnungen 33 und 3Ί in den Einbau- und Verschlußwänden 29 und 31 exzentrisch sind. Wi? dargestellt, sind die kreisförmigen Öffnungen 33 und 35 in den scheibenförmigen Einbau- und Verschlußwänden 29 und 31 gegen den Boden des Gehäuses 15 versetzt. Wichtig ist jedoch, daß jede Linse 10 und 12 zusamm η mit der zugeordneten Einbau- und Verschlußwind 29 und 31 einen hermetischen Abschluß bildet, der einen Leckaustausch zwischen dem Medium im Hohlraum 13 und dem Umgebunksmedium 16 verhindert.

Bevorzugt wird das Material der Linsen 10 und 12 so gewählt, daß die Geschwindigkeit der Schallwellen in diesen im Vergleich zur Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wellen im Umgebungsmedium 16 hoch ist: daraus

ergibt sich die konkave oder bikonkave Linsenform. Dieses allgemeine Profil ist vorzuziehen, da unter den Bedingungen der vorliegenden Anwendung dine konkave Linse (eine Schallbeschleunigungslinsc) eine geringere Aberration und Reflexion erzeugt als eine konvexe Linse (Schallverzögerungslinse); es ist daher besser. Schall-Linsen aus Substanzen herzustellen, in denen die Ausbreitungsgeschwindigkeit größer als in der Umgebung ist.

Der Teil der Gesamtanordnung, der das Abbilden to oder Fokussieren besorgt, ist nun beschrieben. Man betrachte nun die als Keilelemente ausgebildeten Prismen 18 und 20, die zwischen die Linsen IO und 12 eingefügt sind und das einfallende Druckbildfeld in solcher Weise bewegen sollen, daß eine im wesentlichen lineare Anordnung von getrennten Wandlerelementen in die Lage versetzt wird, das volle Bildfeld in elektrische Signale umzuwandeln, die in eine optisch wahr nphmhare Darstellung des Bildfeldes, beispielsweise auf dem Schirm eines Oszilloskops. umsetzbar sind. Man betrachte zunächst die »Akustikkeile« bzw. Prismen 18 und 20 in der in F i g. I dargestellten Ruhestellung, in der das Bild im wesentlichen ohne Änderung seines Charakters oder Anblicks übertragen oder abgelenkt wird. Als nächstes ziehe man die Bildablenkung in Betracht, die durch die gegenläufige Drehung der Prismen 18, 20 erzeugt wird, und anschließend den zu gehörigen Antrieb, der die Prismen 18,20 zur Erzeugung der richtigen Ablenkung gegenläufig antreibt.

Die dargestellten Keile bzw. Prismen 18, 20 bestehen aus dem gleichen Material wie die Linsen 10 und 12 und sind entlang der Bahn axial ausgerichtet, in der ein durch die Linsen 10 und 12 fokussiertes Druckbildfeld einfällt. Die Prismen 18 und 20 sind mit den Linsen 10 und 12 axial ausgerichtet, indem sie in öffnungen 37 bzw. 39 von scheibenförmigen Einbau- und Verschlußwänden 41 und 43 drehbar montiert sind. Jede dieser ringförmigen Einbau- und Verschlußwände 41 und 43 ist. wie die Verschlußwände 29 und 31 für die Linsen 10 und 12. mit ihrem Mantel der Innenseite des rohrförmigen Genauses 15 schmiegend angepaßt, und die kreisförmigen Pnsmenhalteöffnungen 37 und 39 sind in bezug auf die Wände 41 und 43 derart exzentrisch angeordnet, daß sie mit den entsprechenden exzentrischen Öffnungen 13 und 35 in den Linseneinbauwänden 29 und 31 axial fluchten Auf diese Weise sind die Prismen 18,20 und die Linsen 10,12 axial ausgerichtet befestigt.

Das Prisma 18 (in der Darstellung links) ist derart ausgerichtet, daß sich sein Abschnitt größter Dicke unten und der Abschnitt kleinster Dicke oben befindet. Es hat zwei ebene Grenzflächen 22 und 24. Die innere ebene Grenzfläche 24 liegt, wie dargestellt, zur Längsachse des Gehäuses 15 der Anordnung unter rechtem Winkel, und die äußere ebene Grenzfläche 22 ist gegenüber jener geneigt. Wenn sich das Schallprisma 18 in Ruhe befindet, wird die Ausbreitungsrichtung eines einfallenden Schallwellenfeldes um einen Winkelbetrag nach oben verschoben, der durch die Neigung der Grenzflächen 22 und 24 bestimmt ist Bei der dargestellten Vorrichtung hat das Prisma 18, gleich den Linsen 10 und IZ einen kreisförmigen Außenumriß. Der von den ebenen Grenzflächen 22 und 24 eingeschlossene Neigungswinkel 21 beträgt 3,7°, und die Dicke des Prismas 18 an seiner dünnsten Stelle beträgt 6,3 mm und an seiner dicksten Stelle 19 mm.

Das Prisma 20 (rechts in der Darstellung) stimmt mit dem Prisma 18 in jeder Beziehung überein, ist jedoch gegenüber jenem um 180° um seine Längsachse verdreht. Das Schallprisma 20 besteht also aus dem gleichen Material, hat zwei ebene Grenzflächen 26 und 28, die einen Winkel von 3,7° einschließen, und der Ort geringster Dicke (63 mm) liegt in der Darstellung unten, und der Ort dickster Abmessung (19 mm) befindet sich oben. Die ebene Grenzfläche 26 des Prismas 20, die der vertikalen ebenen Grenzfläche 24 des Schallprismas 18 direkt benachbart liegt, ist ebenfalls zur Achse des Gehäuses 15 der Anordnung unter rechtem Winkel ausgerichtet. Bei der dargestellten Stellung wird also die Ausbreitungsrichtung eines einfallenden Wellenfeldes vom keilförmigen Schallprisma 20 genau um den gleichen Winkelbetrag nach unten abgelenkt, um den es vom Prisma 18 nach oben abgelenkt wurde. Ein Schallwellenfeld, das in der Anordnung von links nach rechts wandert, wird also derart fokussiert, daß durch die Linsen 10 und 12 ein Schallbild geschaffen wird, dessen allgemeine Stellung in der Bildebene (Anblick) durch die keilförmigen Prismen 18 und 20 unverändert bleibt.

Zur genaueren Beschreibung sei erwähnt, daß sich die Innenflächen der ebenen Teile der Linsen 10 und 12 in einem Abstand von ca. 86 mm voneinander befinden und die vertikalen ebenen inneren Grenzflächen 24 und 26 der Prismen 18 und 20 jeweils ca. 36 mm von der zunächst liegenden Linse entfernt sind. Die Prismen 18 und ?0 sind also zwischen den Linsen 10 und 12 symme'risch angeordnet und befinden sich in einem Abstand von ca. 14,3 mm voneinander.

Die erste Grenzfläche 22 des Prismas 18, auf die ein von links nach rechts (in der Figur) wanderndes Schallwellenfeld auftrifft, ist also genau parallel zur Ausgangs- bzw. Grenzfläche 28 des Prismas 20. und die (vertikale) ebene Austritts- bzw. Grenzfläche 24 des Prismas 18 ist zur Schalleintritts- bzw. Grenzfläche 26 des Prismas 20 bei der dargestellten Stellung parallel

Daraus folgt, daß dann wenn die Prismen 20 und 18 gegenläufig zueinander je um 180° verdreht werden, die beiden geneigten Grenzflächen 22 und 28. die in der in F i g. I dargestellten Stellung zueinander parallel waren, abermals zueinander parallel liegen, jedoch im entge gensetzten Sinn geneigt sind. Nach einer solchen Verdrehung liegen also der dickste Abschnitt des Prismas 18 und der dünnste Abschnitt des Prismas 20 im Gehäuse 5 der Anordnung oben. Ein Druckbildfeld, das auf die äußere ebene Grenzfläche 22 des Prismas 18 auftrifft, wird also nun vom Prisma 20 anstatt, wie im vorigen Fall, nach oben um genau den gleichen Betrag nach unten verschoben. Auch bei dieser Stellung wird dann das einfallende Schallbild beim Ausgang aus der Fokussier- und Ablenkeinrichtung nicht verschoben.

Obwohl andere Betriebsarten möglich sind, ist es am zweckmäßigsten, das System so auszubilden, daß durch die Keilelemente bzw. Prismen 18 und 20 keine sphärische Aberration erzeugt wird, d. h. daß sämtliche durch die Prismen 18, 20 hindurchgehenden Wellen eben sind. Dies wird dadurch erreicht, daß die abzubildende Dingebene im Abstand der Brennweite von der Linse Hegt, auf die die Bildebene einfällt

Das Abbildungs- und Ablenkungssystem in der dargestellten Form wandelt also das ganze Druckbitdfeld in elektrische Signale um, die anschließend in eine optisch wahrnehmbare Darstellung umsetzbar sind. Das vollständige Bildfeld wird insbesondere quer zu der Linie linearer Wandleranordnungen ohne Drehung des Bildes hin- und herbewegt Dies bedeutet daß die nicht dargestellte lineare Anordnung hinter der Fokussierund Ablenkanordnung in einer Ebene angeordnet ist, die

horizontal ist und durch die Zentralachse des rohrförmigen Gehäuses 15 der Linsen- und Ablenkanordnung hindurchgeht (und die auch als eine zur Ausrichtungs- »chse unter rechtem Winkel stehende Linie definiert ist, die in einer Ebene liegt, die die Ausrichtungsachse enthält). Bei dem Ablenksystem wird nun das Bild rechtwinkelig ohne Drehung und ohne seitliche Verschiebung über diese Linie geführt.

D« die Prismen 18 und 20 mit gleicher Drehzahl (d. h. um eine gleiche Anzahl von Winkelgraden je Sekunde) gegenläufig umlaufend angetrieben sind, nimmt der Winkel zwischen den ursprünglich parallelen äußeren Grenzflächen 22 und 28 von Null bei der dargestellten Stellung bis zu einem Maximum bei der um je 90" verdrehten Stellung der Prismen 18, 20 fortschreitend zu und dann wieder bis zu Null bei der um je 180' verdrehten Stellung der beiden Prismen 18,20 ab. Wenn diese nun weiter verdreht werden, nimmt der Winkel zwisi hen den ursprünglich geneigten, jedoch parallelen Grenzflächen 22 und 2S wiederum bis zu einem Maximum (bei einer Verdrehung von 270°) in der entgegengesetzten Richtung zu und wieder auf Null bei der Ausgangsstellung (Verdrehung um 360°) ab. Die Kombination der beiden mit gleicher Drehgeschwindigkeit gegenläufig umlaufenden Prismen 18, 20 wirkt also wie ein Keil mit veränderlichem Winkel. Das einfallende Schalldruckbildfeld wird also in wirksamer Weise an einer unter rechtem Winkel zur Achse der Ausrichtung der Elemente in einer diese Ausrichtungsachse enthaltenden Ebene liegenden Linie vorbei auf- und abbewegt. Diese bestreichende Wirkung erfolgt für jede volle Umorehung der beiden Prismen 18, 20 ohne Verdre hung oder seitliche Verschiebung je einmal in beiden Richtungen.

Die Prismen 18 und 20 sind in den Öffnungen 37 und 39 der Stützwände 41 und 43 in Lagern drehbar gelagert. Bei der dargestellten speziellen Ausführungsform sind ringartige Schutzbänder oder Fassungen 30 bzw. 32 an dem Mantel der Prismen 18 und 20 schmiegend eingepaßt oder z. B. mittels eines Epoxydklebers angeklebt. Innerhalb der öffnungen 37 und 39 in den Stützwänden 41 und 43 sowie um die ringartigen Schutzbänder 30 und 32 an den betreffenden Prismen 18 und 20 sind zwei herkömmliche Kugellagerringe eingesetzt, so daß die Prismen 18. 20 in ihren Stützwänden frei umlaufen können. In der Darstellung sind zwei Lagemnge bzw. Lager für das Prisma 18 links in der Darstellung mit 34 sowie zwei Laufringe bzw Lager für das Prisma 20 auf der rechten Seite mit 36 bezeichnet. Für die Übertragung der Drehantriebskräfte auf die Prismen 18, 20 sind die ringartigen Bänder 30 und 32 ferner mit Zahnkränzen 38 bzw. 40 versehen, die sich über deren Mantelfläche an einem über die Lagerringe hinaus vorspringenden Teil derselben erstrecken.

Der Sinn der (nach unten in der Darstellung) exzentrisch versetzten Anbringung der Linsen- und Prismenanordnungen in dem zylindrischen Gehäuse 15 besteht darin, im oberen Teil des Gehäuses 15 unter einem Mindestaufwand an Gesamtgehäuseraum möglichst viel Platz für die Unterbringung des Antriebsgetriebes für die Prismen 18, 20 zu schaffen. Dies ist am besten aus Fig.2 ersichtlich, in der der Zahntrieb oberhalb der Linsen- und Keilanordnung schematisch dargestellt ist

Zum besseren Verständnis der Auflagerung des Antriebs und seiner Wirkungsweise sei auf F i g. 1 verwiesen. Der Antriebsmotor 42 ist über dem zylindrischen Gehäuse 15 in herkömmlicher und nicht besonders dargestellter Weise mittels einer am Gehäuse 15 starr angebrachten Molorgehäusekonsole 44 montiert. Der Antriebsmotor 42 ist ein herkömmlicher Elektromotor mit einer Drehzahl von 1800 U/min und dient zum Antrieb des Getriebes, das seinerseits die Prismen 18,20 mit der geeigneten Drehzahl, die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel 450 U/min beträgt, gegenläufig antreibt.

ίο Zum Verständnis des Antriebes verfolge man den Antriebszug von der Welle 46 des Motors 42 über das Zahngetriebe zu den gegenläufig angetriebenen Prismen 18 und 20. Die spezielle Anordnung des Antriebes ist jedoch natürlich nicht entscheidend. Die Motorwelle 46 erstreckt sich vom Motor 42 durch die Wand der Konsole 44. Im Interesse der Beschreibung sei angenommen, daß die Motorwelle 46 in herkömmlicher Weise im Uhrzeigersinn umläuft und das eine Prisma 18 im Gegenuhrzeigersinn und das andere Prisma 20 im Uhrzeigersinn antreibt. Die Antriebsgetriebe und -riemen für das eine Prisma 18 können also als gegenuhrzeigersinnige und die Teile zum Antrieb des anderen Prismas 20 als uhrzeigersinnige Antriebselemente bezeichnet werden. Die Motorwelle trägt zwei Antriebsritzel 48 und 50, die einen Teil der uhrzeigersinnigen bzw. der gegenuhrzeigersinnigen Antriebsanordnung bilden.

Man verfolge nun zunächst den uhrzeigersinnigen Getriebezug für den Antrieb des Prismas 20 im Uhrzeigersinn. Dieser uhrzeigersinnige Antrieb weist einen endlosen Zahnriemen 52 auf, der von dem uhr/eigersinnigen Antriebsritzel 48 angetrieben ist und um ein angetriebenes Zahnrad 54 (unmittelbar unter dem uhrzeigersinnigen Antriebsritzel 48) läuft. Das angetriebene Zahnrad 54 wird am einen Ende einer hohlen Antriebswelle 56 getragen, die sich durch einen Teil der Konsolenplatte 44 erstreckt, der an der oberen Wand des Gehäuses 15 vorbei nahezu bis zur Oberseite der Linsen 10, 12 und Prismen 18, 20 nach unten reicht.

und in diesem Teil der Konsolenplatte 44 drehbar gelagert ist. Die uhrzeigersinnige Antriebshohlwelle 56 erstreckt sich auch durch die benachbarte Linseneinbau- und -tragwand 31 und die zunächst benachbarte Prismeneinbau- und tragplatte 43. Die Tragwände 31 und 43 bilden eine Abstützung für die Antriebshohlwelle 56 und halten deren Lager und Dichtungen, so daß die Welle 56 zwar frei umläuft, jedoch kein Medium in den inneren Hohlraum 13 ein- bzw aus diesem aussickert. Um einen Riemenschlupf 7u vermeiden, sind die uhrzeigersinnigen Antriebsjahnräder 48 und 54 mit Außenverzahnungen versehen, die mit Innenverzahnun gen an dem Zahnriemen 52 kämmen, der über die Außenflächen der beiden Antriebszahnräder herumge fübrt ist. Auf diese Weise wird auch das uhrzeigersinnige Antriebszahnrad 54 an der Antriebshohlwelle 56 im Uhrzeigersinn angetrieben.

Bei der dargestellten speziellen Ausführungsform der Erfindung sind die Beziehungen der Durchmesser der uhrzeigersinnigen Antriebszahnräder 48 und 54 und der

ω Zähnezahlen derart gewählt, daß das Antriebszahnrad 54 mit 3240 U/min umläuft und die Welle 56. an der es montiert ist. mit gleicher Drehzahl antreibt. Der uhrzeigersinnige Antrieb für die Drehung des Prisma 20 im Uhrzeigersinn wird durch ein uhrzeigersinniges Zahnrad 58 vervollständigt, das an der uhrzeigersinnigen hohlen Antriebswelle 56 direkt oberhalb der Antriebsverzahnung 40 an dem Schutzband 32 für das Prisma 20 montiert ist. Um das uhrzeieersinnise

Antriebszahnrad 58 an der Hohlwelle 56 und um die Verzahnung 40 des Schutzbandes 32 des rechten Prismas 20 ist ein Zahnriemen 60 geführt. Die Verzahnungen des Zahnriemens 60 und der Zahnräder 54 und 58 verhindern einen Riemenschlupf. Die Beziehungen der Durchmesser und Zähnezahlen der Zahnräder sind bei der dargestellten Ausführungsform derart gewählt daß das Prisma 20 vom Motor 42 mit einer Drehzah! von 450 U/min im Uhrzeigersinn angetrieben werden kann.

Man betrachte nun den Antriebszue für den Drehantrieb des Prismas 18 im Gegenuhrzeigersinn, ausgehend von dem gegenuhrzeigersinnigen Antriebsritzel 50 (das selbst natürlich im Uhrzeigersinn umläuft) am rechten äußeren Ende der Motorwelle 46. Zur Erzielung der erforderlichen Drehsinnumkehr ist in einer an Prismas Motorkonsole 44 unter der Motorwelle 42 starr montierten, rohrförmigen Verlängerung 71 eine drehsinnumkehrende Zwischenwelle 62 montiert. Der rohrförmige Ansatz 61 ist mit Lagerringen 63 ausgestattet, die die Zwischenwelle starr, jedoch frei drehbar lagern. Für die Drehsinnumkehr sorgt ein Zwischenzahnrad 64, das direkt unterhalb des gegenuhrzeigersinnigen Antriebszahnrades 50 montiert ist. und dessen Verzahnung direkt mit den Zähnen des Antriebsritzels 50 kämmt. In dieser Weise wird die drehsinnumkehrende Zwischenwelle 62 (in bezug auf die Motorwelle 46) im Gegenuhrzeigersinn angetrieben. Auch hier sind die Zahnraddurchmesser und Zähnezahlen derart gewählt, daß die drehsinnumkehrende Zwischenwelle 62 mit 450 U/min angetrieben wird.

Zur Vervollständigung der Antriebsanordnung ist an j der Zwischenwelle 62 (mit dieser im Gegenuhrzeiger-

sinn umlaufend) ein zweites gegenuhrzeigersinniges

Antriebszahnrad 66 montiert, das einen innenverzahnten Riemen 68 antreibt, der über ein gegenuhrzeigersinniges Antriebszahnrad 70 geführt ist und mit dessen Verzahnung kämrrt. Das gegenuhrzeigersinnige Antriebszahnrad 70 ist direkt unter dem gegenuhr/eiger sinnigen Zwischen/ahnrad 66 an einer Welle 72 montiert, die konzentrisch im Inneren der uhrzeigersinnigen Antriebswelle 56 (und in bezug auf diese drehbar) angeordnet ist. Außerdem erstreckt sich die gegenuhrzeigersinnige Antriebswelle 72 weiter durch die Stützwand 41 für das im Gegenuhrzeigersinn umlaufende Prisma 18. Die Lager für die frei drehbare Aufnahme der Antriebswelle 72 in der Stützwand 41 sind wiederum nicht dargestellt. Die Beziehung der Verzahnungsdurchmesser und Zähnezahlen an dem gegenuhrzeigersinnigen Zwischenzahnrad 66 und dem Antriebszahnrad 70 ist auch hier so gewählt, daß die gegenuhrzeigersinnige Antriebswelle 72 mit 3240 U/min angetrieben wird.

Der gegenläufig umlaufende Mechanismus wird durch ein weiteres gegensinniges Antriebszahnrad 74 vervollständigt, das am gegenüberliegenden Ende der gegenläufigen Antriebswelle 72 direkt über der Verzahnung 38 an dem Schutzband 30 für das gegensinnig umlaufende Prisma 18 montiert ist Um das Band 30 herum ist ein endloser Zahnriemen 76 geführt, der mit den Zähnen der gegenläufigen Antriebswelle 74 und des Bandes 30 im Eingriff steht, das am gegenläufig anzutreibenden Prisma 18 befestigt ist, so daß dieser im Gegenuhrzeigersinn angetrieben wird. Auch hier sind die Durchmesser der Zahnräder und deren Zähnezahlen so gewählt, daß das gegenläufig umlaufende Prisma 18 n?it 450 U/min usnläuft.

Daraus ist ersichtlich, daß die beiden Prismen IS und 20 mit genau übereinstimmender Drehzahl gegenläufig umlaufen, so daß ein einfallendes Druckbildfeld, das durch die Linsen i0 und 12 fokussiert wird, an einer zur Achse der Ausfluchtung unter rechtem Winkel stehenden Linie vorbei, ohne Verdrehung und seitliche ■> Verschiebung, einmal in jeder Richtung für jede volle Umdrehung der beiden Prismen 18, 20 aufwärts und abwärts abgelenkt wird.

An dem äußeren Ende der Zwischenwelle 62 ist eine Taktgeberscheibe 80 montiert. Diese wird dazu

ίο verwendet, auf elektromagnetischem Weg eine elektrische Zeitablenkung zu erzeugen, die in bezug auf die umlaufenden Prismen 18 und 20 derart synchron gekoppelt ist, daß das durch die Prismen 18, 20 abgelenkte Druckwellenfeld auf einem Fernsehschirm reproduziert werden kann.

Zur Erzielung der einwandfreien Fokussierwirkung soll der Krümmungsradius der konkaven Linsenflächen, beispielsweise der Flächen der konkaven Linsen 10 und 12, ziemlich klein sein, und die Flächen jeder Linse 10,12 sollen daher einen hohen Krümmungsgrad aufweisen; zur Erzielung einer Bildablenkung, die für die Abtastung eines Druckbildfeldes praktischer Größe ausreicht, sollten ferner die Schallprismen 18 und 20 normalerweise ebene Flächen aufweisen, die gegenüber dem einfallenden Feld steil geneigt sind. Es ist bekannt, daß. wenn Schallwellen nicht unter rechtem Winkel, sondern schräg zwischen einem flüssigen und einem festen Material übertreten, in dem festen Material zusätzlich zu den longitudinalen Wellen auch Schubwellen erzeugt werden. Diese Erscheinung ist als »Modusumwandlung« bekannt.

Das erfindungsgemäße Linsen· und Bildablenkungssystem vermindert die Modusumwandlung und sämtliche übrigen bekannten Nachteile von Akustiklinsen und Bildablenkungselementen, nämlich Energieverluste infolge der Modusumwandlung. Energieabsorption durch die Materialien. Aberrationen und Reproduktionsfehler infolge innerer Erhii/ung. Dabei wird die Energieabsorption teilweise durch die sorgfältige Auswahl des Materials der Linsen 10. 12 und Prismen 18, 20 auf ein Mindestmaß beschränkt. Beispielsweise wird als Material Polystyrol gewählt, da seine Schallabsorption im Vergleich zu derjeniger solcher Materialien wie beispielsweise das Polymethacrylester Lucite und Glas niedrig ist und auch seine Reflexionsfähigkeit im Wasser nur gering ist. Aberrationen werden durch Wahl der Konstruktionsparameter sowie durch Verwendung der beschleunigenden Linsenanordnung auf ein Mindestmaß beschränkt.

Die Mittel und Strukturen der Linsen 10, 12 ermöglichen außerdem eine Verminderung des für das Fokussieren erforderlichen Krümmungsgrades der Linsen 10, 12 und der für die einwandfreie Bildablenkung erforderlichen Neigung der Grenzflächen der Prismen 18, 20. Energieverluste und innere Erhitzung infolge der Modusumwandlung sowie Absorption werden also auf ein Mindestmaß beschränkt Durch die Verminderung der erforderlichen Krümmung der Linsen 10, 12 sowie der Neigung der Prismenfiächen werden auch die Dicken der Linsen 10, 12 und der Schallprismen 18,20 vermindert, was zu einer weiteren Verminderung der Energieabsorption führt Modusumwandlung und Energieabsorption sind übrigens für die innere Erhitzung verantwortlich, die Reproduktionsfehler verursacht

Solche Vorteile werden dadurch erzielt, daß die Materialien des flüssigen Füllmediums 14, der massiven Linsen 10, 12 und der Prismen 18, 20 sovie des

Umgebungsmediums 16 in geeigneter Weise ausgewählt werden. Für das dargestellte Ausführungsbeispiel wird als Um^ebungsflüssigkeit Wasser gewählt, da es zu dem Medien gehört, die bekanntermaßen am besten für die Koppelung mit biologischen Materialien geeignet sind, da deren spezifische Schallimpedanz der des Wassers annähernd gleich ist. Wasser ist daher ein als Umgebungsmedium 16 zweckmäßiges Material. Als Material der Linsen 10, 12 und Prismen 18, 20 wird Polystyrol bevorzugt.

Siliconöle, Frigone und andere fluorierte Kohlenwasserstoffe werden als Füllmedien 14 bevorzugt. Von besonderem Nutzen sind die im Handel erhältlichen fluorierten Kohlenwasserstoffe der Gattung, die von der Herstellerfirma Minnesota Mining and Manufacturing Company als »Fluorinert« bezeichnet wird. Speziell geeignet als flüssiges Füllmedium 14 ist der fluorierte Kohlenwasserstoff FC 75 Schallwellen mit einer Frequenz von 33 MHz (der Frequenz, für die das System ausgelegt ist) htben eine Geschwindigkeit von 2400 m/s in Polystyrol, '500 m/s in Wasser und 600 m/i in FC 75. Die mittlere Wichte von Polystyrol ist 1.1 g/cm³ und die für destilliertes Wasser ist annähernd 1 g/cm^J bei 25°C. und die Dichte von FC 75 beträgt 1.77 g/cm³.

Die akustischen Eigenschaften von Polystyrol oder der Materialien für das Füllmedium 14 allein unterscheiden sich nicht genügend von denjenigen von Wasser, um die Linsenkrümmungen und die Neigungen der Keilflächen zu vermindern, jedoch liefert die geeignete Kombination dieser Materialien eine erfolgreiche Wirkung. Zu beachten ist. daß die Wahl der Materialien für die Linsen 10, 12, die Prismen 18, 20. das flüssige Füllmedium 14 und das Umgebungsmedium 16 derart getroffen ist, daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit der einfallenden Schallwellen in dem Medium mindestens an der Seite der zusammengesetzten Schall-Linsen- und Bildablenkungsanordnung, an der die Schallwellen auftreffen, zwischen der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwellen in den Medien der Linsen IC, 12 und der Prismen 18, 20 und in dem flüssigen Füllmedium 14 liegt.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Schall-Linsen- und Bildablenkungsanordnung ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwellen in den massiven Elementen (in den Linsen 10.12 und den Prismen 18,20) höher als im Umgebungsmedium 16. Das Füllmedium 14 ist daher derart gewählt, daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schallwellen in diesen niedriger als im Umgebungsmedium 16 ist. Ferner sind die Verhältnisse der Brechungsindizes der Materialien groß gewählt. Dies führt für die Linsen von gegebener Brennweite zu einer Verminderung der Aberration.

In Weiterbildung der Erfindung kann das Auflösungsvermögen dadurch verbessert werden, daß auf der Bildseite der Anordnung anstatt Wasser das FüIImedium 16 (im Beispielsfall FC 75) verwendet wird. Bei einer praktischen Konstruktion für eine wichtige Anwendung der Erfindung haben die Linsen 10,12 und die Prismen 18,20 einen Außendurchmesser von 240 mm, wobei der wirksame Teil der Elemente (die gekrümmten Flächen eo der Linsen 10, 12 bzw. die Ablenkflächen der Prismen 18, 20) einen Durchmesser von 215 mm hat Der Krümmungsradius der Linsen 10, 12 an der dem Umgebungsmedium 16 zugewendeten Seite beträgt ca. 320 mm und der Krümmungsradius der gegenüberliegenden (dein flüssigen Füllmedium i4 zugewendeten) Flächen 925 mm. Diese Abmessungen ergeben für den Schafl-Lmsensatz eine Brennweite von ca. 152 mm.

In manchen Fällen ist es zweckmäßig, die gleiche Fokussier- und Bildablenkungswirkung wie oben mit weniger Elementen zu ermöglichen. Eine solche Anordnung ist in F i g. 3 veranschaulicht. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die allgemeine Anordnung des Gehäuses und des Antriebes die gleiche wie oben für das Ausführungsbeispiel der F i g. 1 und 2 beschrieben. Der Hauptunterschied zwischen den beiden Ausführungsformen besteht darin, daß bei der Ausführungsform gemäß Fig.3 ein einziges Paar von gegenläufig drehend angetriebenen Linsen- und Prismeneinheiten sowohl die Abbildungs- als auch die Ablenkfunktion übernimmt Solche Einheiten können als »Prisma-Linsen« bezeichnet werden. Beide Flächen der Prismalinspn 110,112 können gekrümmt und geneigt sein, die hier dargestellten und beschriebenen sind jedoch von d;r einfachsten Konstruktion und am leichtesten zu Verwirklichen. Es ist jedoch zu bemerken, daß jede eeeignet konstruierte Prismalinc? MQ₁ 112, d.h. eine solche, die die beschriebene Funktion einwandfrei erfüllt, vom Schutzumfang erfaßt sein soll.

Die äußeren Linsenflächen 114 und 116 der beiden Linsen 110, 112 erhalten die erforderliche konkave Krümmung für das einwandfreie Fokussieren der einfallenden Druckbildfelder. Da die beiden als Bildfokussier- und Ablenkelemente dienenden Linsen-Prismen-Einheiten 110, 112 vollständig symmetrisch sind, kann das Bildfeld von der einen oder von der anderen Seite einfallen. Um die gewünschte Bildablenkung zu erzielen, sind di€ inneren Prismengrenzflächen 118 und 120 eben, zueinander parallel und in bezug auf die zentrale Längsachse des Gehäuses (die zugleich die zentrale Längsachse der Abbildungs- und Bildablenkungs-Einheiten 110 und 112 ist) unter einem Winkel geneigt. Da die beiden Flächen zueinander parallel sind, ist zu erkennen, daß ein Druckbildfeld, das von der einen oder anderen Seite her die Anordnung durchwandert, durch die Linsen 110 und 112 einer Fokussierwirkung unterworfen wird, ohne daß ledoch durch die Gesamtkombination der beiden Elemente das Aussehen verändert wird. Wenn jedoch die Linsen 110 und 112 mil gleicher Drehzahl gegenläufig angetrieben werden, wird das Druckbiidfeld in der gleichen Weise nac* oben bzw. nach unten verschoben, wie dies für das tristere AusführungsbeiFpiel beschrieben wurde.

Die Verwendung der Kombination von Materialien einschließlich des Umgebungsmediums 16 und der Linsen und Prismen ermöglichen die gewünschte Fokussier- und Ablenkungswirkung unter Verwendung von Linsenkrümmungen und Ablenknenen, die die Modusumwandlung an den Flächen aufs äußerste vermindern. Der Neigungswinkel 21 der ebenen Grenzflächen der Prismen 18, 20 bzw. Prismenlinsen 110, 112 müßte zur Erzielung der erforderlichen Bildablenkung notwendigerweise so groß gewählt werden, daß die Modusumwandlung untragbar würde, es sei denn, daß das mitgeführte Füllmedium 13 so gewählt wird, daß die Geschwindigkeit in der Umgebungsflüssigkeit zwischen derjenigen in den Linsen und Prismen und der in dem mitgeführten flüssigen Medium liegt Die Verwendung eines mitgeführten Füllmediums mit geringer Geschwindigkeit ermöglicht größere Ablenkungen oder statt dessen kleinere PrismenwinkeL Sie gestattet auch eine bessere Korrektur von Linsenaberrationen.

Die beschriebenen Grundsätze können jedoch auch in abgewandelter Ausführung angewendet werden. Beispielsweise kann die Anordnung aus einer beüebisen

Zahl von Linsen und Ablenkelementen oder Elementen anderer Profilierung oder räumlicher Form, beispielsweise plan-konkav, konvex-konkav usw, bestehen, oder einzelne Linsen können aus Linsenkombinationen aufgebaut sein. Ferner können zur Verminderung der Aberration Anschläge in beliebiger Zahl vorgesehen und beispielsweise zwischen den Elementen der Anordnung eingesetzt sein. Die Linsenflächen können zur Verminderung der Reflexion beispielsweise mit einem Überzug versehen oder geätzt sein, um eine Rauhheit oder Oberflächenporen zu erzeugen.

Falls die Ablenkung statt der Sinusform eine andere

Form, beispielsweise eine angenäherte Dreiecksform aufweisen soll, können die Prismen 18, 20 mit nicht konstanter Drehzahl angetrieben sein. Es kann z. B. durch einen magnetisch gekoppelten Antrieb der Prismen eine Durchführung der Antriebsmechanismen durch die Wand der dicht verschlossenen Kammer vermieden werden, wodurch Abdichtungsprobleme entfallen. Außerdem, wenn eine elliptische Verflechtung in einer Richtung unter rechtem Winkel zu der der

ίο mechanischen Abtastung erwünscht .st, können die ebenen Flächen der Prismen 18, 20 von der parallelen Lage auch leicht abweichend ausgebildet sein.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (13)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Schallbildablenkung, mit einem im Strahlengang der Schallwellen angeordneten Linsensystem mit mindestens einer vorderen und mindestens einer hinteren Linsenfläche, durch die der Strahlengang hindurchgeht, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Strahlengang der Schallwellen zwischen den Linsenflächen (114, 116) mindestens ein Paar akustische Prismen (18, 20) derart angeordnet sind, daß sie gegenläufig und mit gleicher Winkelgeschwindigkeit um im wesentlichen entlang der Strahlenachse verlaufende Drehachsen drehbar sind, daß sie unabhängig von ihrer jeweiligen Drehstellung im wesentlichen zueinander parallele, ebene Grenzflächen (22, 28; 118, 120) aufweisen, die mit der Strahlenachse einen Neigungswinkel (21) einschließen und das Schallbild bei jeder vollen Umdrehung einmal rechtwinklig an einer Linie vorbeibewegen, die sich in einer Ebene befindet, d··· sich in der Strahlachse und im wesentlichen rechtwinklig dazu erstreckt, und an ein solches Massiges Füllmedium (14) angrenzen, daß sich die Schallwellen-Ausbreitungsgeschwindigkeit in dem an mindestens eine Linsenfläche (114) angrenzenden Umgebungsmedium (16) zwischen der Schallausbreitungsgeschwi: digkeit in den Prismen (18,20) und der Schallausbreitungsgeschwindigkeit im Rillmedium (14) befindet.

2. Vorrichtung nach Anspruch !.dadurch gekennzeichnet, daß das Linsensystem zwei im Abstand voneinander ..!geordnete Linsen (10, 12) aufweist, zwischen denen das Füllme^ium (14) und die drehbaren Prismen (18, 20) angeordnet sind (F ig. 1).

3. Vorrichtung nach Anspruch ' oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Prismen (18, 20) als Keile ausgebildet und symmetrisch zwischen den Linsen (10,12) angeordnet sind

4. Vorrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekenn zeichnet, daß das Linsensystem zwei im Abstand voneinander angeordnete Linsen (110,112) aufweist, die gleichzeitig jeweils eine der ebenen Prismen grenzflächen (118, 120) aufweisen, zwischen dener das Füllmedium angeordnet ist (F ι g. 3).

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallausbreitungsgeschwindigkeit in den Linsen (10, 12; UO, 112) wesentlich größer als die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Umgebungsmedium (16) ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Prismen (18, 20) aus einem Material bestehen, dessen Schallausbreitungsgeschwindigkeit im wesentlichen gleich derjenigen in den Linsen (10,12) ist

7. Verrichtung nach einem der vorhergehenden Anspniche. dadurch gekennzeichnet, daß die Linsen (10,12; 110,112) aus Polystyrol bestehen.

8 Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Füll· medium (14) aus Silikonöl besteht.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Füllmedium (14) aus Frigon besteht.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Füllmedium (14) aus einem fluorierten Kohlenwasserstoff mit einer Schallausbreitungsgeschwindigkeil von etwa 600 m/s bei einer Frequenz von 3,5 MHz

besteht.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Umgebungsmedium (16) aus Wasser besteht.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel (21) der Prismen (18, 20) etwa 3,7° beträgt.

13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsen (10,12; 110,112) und Prismen (18, 20) so angeordnet sind, daß sich die abzubildende Dingebene im Abstand der Brennweite der Linse (10,110) befindet, auf die die SchallbildeHene einfällt.