DE2417743B2

DE2417743B2 - Vorrichtung zum Detektieren eines akustischen Bildes

Info

Publication number: DE2417743B2
Application number: DE2417743A
Authority: DE
Inventors: Cornelis Martinus Van Der Eindhoven Burgt (Niederlande)
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1973-04-24
Filing date: 1974-04-11
Publication date: 1979-04-26
Also published as: GB1460056A; FR2227630A1; ES425556A1; DE2417743A1; SE393219B; US3973235A; FR2227630B1; AU6816774A; JPS5243046B2; JPS5014217A; IT1009946B; NL7305667A; CA1001746A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches. Eine solche Vorrichtung ist im wesentlichen aus der GB-PS 841025 bekannt. Allerdings ist dabei keine piezo- ^r>5 elektrische Schirmplatte vorgesehen.

Eine derartige Vorrichtung wird in der Industrie für verschiedene Zwecke verwendet, und zwar z. B. zum Detektieren innerer Fehler in sich gegebenenfalls bewegenden Werkstücken, bei Unterwasserforschung to zum Ausfindigmachen von Hindernissen oder verlorenenGegenständenoderzurBeobachtungz. B; eines Bohrgeländes auf dem Seeboden, in Spitälern für Ultraschalldiagnostik, ζ. B. zur Erkennung von Tumoren im Gehirn, in den Brüsten oder im Uterus, oder bei « der Beobachtung der Herzwirkung. In all diesen Fällen wird eine visuelle Bilddarstellung mit mindestens vollständigen Bildern pro Sekunde angestrebt, so daß auch sich schnell bewegende Gegenstände oder Teile von Gegenständen (pulsierende Arterien, Herzklappe, Fötus) genau beobachtet und erwünschtenfalls auf Film oder Bildband aufgenommen werden können.

Es ist bekannt, für diesen Zweck den zu prüfenden Gegenstand mit akustischen Wellen zu bestrahlen oder zu durchstrahlen (unter akustischen Wellen sind hier hörbare sowie Ultraschallwellen, z. B. bis zu einer Frequenz von 10 MHz, zu verstehen). Die akustischen Wellen treffen dann nach Fokussierung auf eine sogenannte Sokolov-Röhre auf, in der der genannte Wandler aufgenommen ist, wobei an der Auftreffstelle ein den akustischen Bildern entsprechendes Ladungsbild erzeugt wird, das dann mit einem Elektronenstrahl abgetastet werden kann.

Die Sokolov-Röhre weist den Nachteil auf, daß der piezoelektrische Wandler, der zugleich auch eine Wand der Röhre bildet, sehr dünn sein muß, um die höchste Empfindlichkeit und das größte Auflösungsvermögen für die zu detektierenden akustischen Wellen aufzuweisen. Um diesen Nachteil zu vermeiden, wurde vorgeschlagen, die Röhre mit einer äußeren Schirmplätte zu versehen, so daß sie eine größere Beständigkeit gegen den Unterschied zwischen den Drücken innerhalb und außerhalb der Röhre, aufweist, wodurch mit preiswerten großen Schirmen gearbeitet werden kpnn. Der Erfindung liegen folgende Erwägungen zugrunde:

1. Die Mindestabmessung eines noch erkennbaren Bildelements ist etwa gleich der Dicke der piezoelektrischen Aufnahmeplatte (Wandler) der Sokolov-Röhre, welche Dicke vorzugsweise etwa gleich einer halben akustischen Wellenlänge ist. Bei Anwendung eines einkristallinen Quarzmaterials im X-Schnitt bedeutet dies eine Dicke von etwa 2 bzw. 1 mm bei akustischen Wellen mit einer Frequenz von etwa 1,5 bzw. 3 MHz. Das Auflösungsvermögen ist dabei doch noch ungenügend.

2. Bei der genannten geringen Dicke der Quarzplatte kann diese an sich den Druckunterschied von 1 atm nur bei einem geringen Durchmesser aushalten. Für andere piezoelektrische Materialien als Quarz ist der höchstzulässige Durchmesser noch geringer. Es wird ein viel größerer Durchmesser, d. h. eine hohe lineare Apertur, angestrebt.

3. Akustische Strahlen, die die piezoelektrische Aufnahmefläche unter einem Einfallswinkel von mehr als 3 bis 4° erreichen, erzeugen nicht lediglich die gewünschten Dickenschwingungen in dem Wandler; längs der Plattenoberfläche werden sich nämlich auch Biegungs- oder Oberflächenwellen fortpflanzen, die das Bild stören. Diese »Winkelapertur« ist unbefriedigend niedrig·

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß sich ein größeres Auflösungsvermögen, eine größere lineare Apertur und eine größere Winkelapertur ergeben, ohne daß durch Beugung der Schallwellen an den Grenzflächen zwischen Flüssigkeit und Schirmplatte und zwischen Schirmplatte und Wandler neue Störungen erzeugt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im zennzeichnenden Teil des Hauptanspruches angegebenen Merkmale gelöst.

Durch das Anbringen der Schirmplatte verschiebt sich das durch den genannten atmosphärischen Druckunterschied herbeigeführte Problem zu einem Element, das möglichst genau an die weitere akustische Anordnung angepaßt ist. Im allgemeinen wird als flüssiges Medium Wasser gewählt und wird das Material der Schinnplatte, vorausgesetzt, daß seine Fortpflanzungsgeschwindigkeit für akustische Wellen in bezug auf die von Wasser nicht zu hoch ist. nur eine geringe Beugung der akustischen Wellen an der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Schirmplatte herbeiführen. Außerdem müssen die gegebenenfalls herbeigeführten Beugungs- oder Oberflächenwellen möglichst schnell weggedämpft werden, um so das auf dem Wandler erzeugte akustische Bild möglichst wenig zu trüben. Die beiden Bedingungen werden von einem Polymer mit einer nicht zu hohen Fortpflanzungsgeschwindigkeit für akustische Wellen, wie Polyäthylen oder Polystyrol, erfüllt.

Dadurch, daß der Wandler erheblich, z. B. um einen Faktor 50, dünner ais die Schinnplatte ist und die Fortpflanzungsgeschwindigkeiten für akustische Wellen dieser beiden Teile nur wenig voneinander verschieden sind, tritt an der Grenzfläche zwischen Schirmplatte und Wandler nur ein geringer störender Effekt auf, so daß ein möglichst großes Auflösungsvermögen erhalten bleibt. Dabei ist es außerdem wichtig, daß bei Anwendung der genannten Materialien für die Schirmplatte und den Wandler unerwünschte Oberflächenwellen weggedämpft werden.

Ein besonders geeignetes Material für einen solchen Wandler ist Polyvinylidenfluorid in Form einer gereckten und gepolten Folie. Eine solche Folie kann auf mechanischem Wege einachsig oder zweiachsig bei hoher Temperatur, z. B. 100 bis 150° C, zu zwei- oder dreimal ihrer ursprünglichen Abmessungen gereckt werden. Gleichzeitig oder nachher wird die gereckte Folie einem starken elektrischen Feld, z. B. mit einer Feldstärke vor, 300 bis 1000 kV/cm, während etwa einer Stunde bei 50 bis 150° C ausgesetzt, so daß eine starke remanente elektrische Polarisation in der Folie zurückbleibt, nachdem mit nahezu ungeänderter Feldstärke auf Zimmertemperatur abgekühlt ist. Es ist von besonderer Bedeutung, daß sich eine solche Folie sehr gut an die Form der Schirmplatte anpaßt; die Schinnplatte kann dazu z. E. etwas nach außen gekrümmt werden, damit sie den genannten Druckunterschied besser aushalten kann, wobei die Folie leicht dieser gekrümmten Form folgt.
Im Vergleich zu dem genannten Quarzmaterial des Wandlers wird, wie gefunden wurde, das Auflösungsvermögen in dem Verhältnis zwischen den Fortpflanzungsgeschwindigkeiten für akustische Wellen von Quarz und Polyvinylidenfluorid um einen Faktor von

ίο gut 2 verbessert.

Die Figur zeigt eine Ausführungsform der Erfindung. Die Ultraschallquelle wird durch einen aus Quarz bestehenden Halbwellenlängenschwinger 1 gebildet, dessen Schwingungen einen Gegenstand 10 bestrahlen. Dieser Gegenstand steht in direktem akustischem Kontakt mit einem Raum 11, der von einer biegsamen Gummimembran 3 verschlosen ist und über eine viskose Kupplungsschicht 2 an dem Gegenstand 10 anliegt. Der Raum 11 ist mit einer Flüssig-

•?o keit, z. B. Wasser, gefüllt und enthält weiter eine akustische Linse 4 aus z. B. Plexiglas, von der die akustischen Schwingungen auf einem Wandler 6 abgebildet werden können, der in einer Elektronenröhre 12 derart angebracht ist, daß er auf einer Schirmplatte 5 montiert ist, die gegen den atmosphärischen Druckunterschied zwischen der Flüssigkeit in dem Raum 11 und dem Vakuum innerhalb des Raumes 12 beständig ist. Die Schirmplatte kann dazu nötigenfalls vorher nach außen gekrümmt werden, so daß sie

3« nach Evakuierung der Röhre 12 flachzieht. Der dünne Wandler 6 in Form einer Folie kann dabei den Formänderungen der Platte 5 leicht folgen. Dies hat den Vorteil, daß die Schirmplatte etwas dünner sein kann.

Durch die obenstehenden Bedingungen für das Material der Schirmplatte S, z. B. Polystyrol oder Polyäthylen, und für das Material des Wandlers 6, z. B. Polyvinylidenfluorid, wird das genannte große Auflösungsvermögen in Verbindung mit einem

•»ο Schirm mit geeignet großen Abmessungen erhalten. Das auf dem Wandler erzeugte elektrische Ladungsbild wird auf übliche Weise mit Hilfe eines Elektronenstrahls abgetastet und in ein elektrisches Signal umgewandelt, das seinerseits entweder auf einem Film oder auf einem Bildband festgelegt werden kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Detektieren eines akustischen Bildes, wobei die akustischen Wellen über akustische Abbildungsmittel, die wenigstens ein flüssiges Medium und eine akustische Linse enthalten, auf einem in einer Elektronenröhre angebrachten Wandler abgebildet werden, der akustische Schwingungen in ein Ladungsbild umwan- ι ο delt, das elektronisch abgetastet werden kann, wobei der Wandler durch eine auf der Elektronenröhre montierte, gegen Atmosphärendruck beständige, nichtpiezoelektrische Schirmplatte von dem flüssigen Medium getrennt ist, ge ke η η-zeichnet durch folgende Kombination:

a) die Schirmplatte (5) ist aus einem Polymer mit einer Fortpflanzungsgeschwindigkeit für akustische Wellen, die weniger als l,8mal größer ist als die Fortpflanzungsgeschwindigkeit in der Flüssigkeit, hergestellt;

b) die Dicke des Wandlers (6) ist erheblich kleiner als die der Schirmplatte (5) und etwa gleich dem 0,5fachen der akustischen Wellenlänge;

c) der Wandler (6) ist ebenfalls aus einem Polymer hergestellt, und zwar aus einem Polymer mit remanenter elektrischer Polarisation, und ist als dünne Folie auf der Schirmplatte (5) angebracht;

d) das Verhältnis der Fortpflanzungsgeschwindigkeit für akustische Wellen im Wandlermaterial zu der Fortpflanzungsgeschwindigkeit in der Flüssigkeit ist ebenfalls geringer als 1,8.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für den Wandler (6) Polyvinylidenfluorid gewählt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schirmplatte (5) ·»» aus Polystyrol oder Polyäthylen hergestellt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schirmplatte (5) wenigstens vor der Evakuierung der Elektronenröhre (12) eine nach außen gekrümmte Form aufweist.