DE2424582B2

DE2424582B2 - Ultraschallwellensende- und empfangsgeraet

Info

Publication number: DE2424582B2
Application number: DE19742424582
Authority: DE
Inventors: Einoshin Tokio·; Iinuma Kazuhiro Yokohama; Itamura (Japan)
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1973-05-21
Filing date: 1974-05-21
Publication date: 1976-11-11
Also published as: DE2424582C3; DE2424582A1; JPS565536B2; FR2231016B1; FR2231016A1; GB1472130A; US3919683A; JPS508557A

Description

Die Erfindung betrifft ein Ultraschallvvellensende- und Empfangsgerät mit einer Anordnung aus elektroakustischen Wandlerelementen und mit diesen verbundenen elektronischen Schaltern, die gruppenweise zusammengefaßt in einer bestimmten Folge erregt werden, so daß ein wandernder Fokussierpunkt entsieht, der jeweils von e^;ner bestimmten Anzahl von elektroakustischen Wandlerelementen erzeugt wird.

Aus der US-PS 36 93 415 ist ein Uliraschallvvellensende- und Empfangsgerät bekann;, bei dem ein Steuersignal in zirkulierender Weise erzeugt wird. Mit Hilfe von elektronischen Schaltern werden vorbestimmte Verzögerungen erreicht, wobei die elektronischen Schalter aus Torschaltungen bestehen, um mehrere elektroakustische Wandlerelemente anzusteuern, so daß fokussierte Ultraschallstrahlen erzeugt werden. Bei diesem bekannten Ultraschallwellensende- und Empfangsgerät besteht auch die Möglichkeit, einen wandernden Fokussierpunkt beispielsweise auf der Oberfläche eines zu untersuchenden Werkstückes zu erzeugen, was dadurch erreicht wird, indem man mehrere elektroakustisch^ Wandlerelemente in Gruppen zusammengefaßt aufeinanderfolgend ansteuert. Bei diesem bekannten Gerat sind die elektroakustischen Wandlerelemente jedoch auf einem Kreis angeordnet und die Wandlerelemente werden in festen zeitlichen Intervallen aufeinanderfolgend erregt, wobei die aufeinanderfolgende Erregung der einzelnen Wandlerelemente in jeder Gruppe derart erfolgt, daß die von den Wandlerelementen ausgesendeten Impulse im wesentlichen gleichzeitig und in Phase an einem Fokussierpunkt anlangen. Bei der kreisförmigen Anordnung der elektroakustischen Wandlerelemente befindet sich der jeweilige Fokussierpunkt im Inneren des Kreises und bei einem aufeinanderfolgenden Erregen der Wandlerelemente der einzelnen Gruppen entstehen Fokussierpunkte, die auf einem Kreisumfang wandern, der konzentrisch zu dem Kreis gelegen ist, auf welchem die Wandlerelemente angeordnet sind.

Aus der US-PS 30 90 030 ist ein Ultraschallwellen-Eropfangsgerät mit einer Wandleranordnung bekannt, die aus einer kreisrunden Scheibe und einem diese Scheibe umgebenden Ring besteht Die von einer punktförmigen Schallquelle ausgehenden Schallsignale treffen bei senkrechter Anordnung der Wandlerelemente relativ zur Schallquelle zunächst auf den mittleren Bereich des Wandlers und erst dann auf den äußeren ringförmigen Bereich des Wandlers auf, so daß bei einer sichtbaren Anzeige des aufgefangenen Schallsignals zwar das vom mittleren Bereich des Wandlers stammende Empfangssignal und das vom ringförmigen äußeren Bereich des Wandlers stammende Empfangssignal für sich scharf dargestellt werden kann, jedoch diese beiden Signale nicht gleichzeitig dargestellt werden können, da sie zeitlich verschoben sind bzw. mit einen, Phasenunterschied behaftet sind.

Um bei dieser Anordnung dennoch eine gleichzeitige Darstellung der zwei Empfangssignale zu ermöglichen, wird das vom mittleren Bereich des Wandlers stammende tmpfangssignal relativ zu dem Empfangssignal des äußeren Wandlerbereiches zeitlich verzögert und erst dann zur Anzeige gebracht.

Die der Erfindung zugrunde liegende \ufgabe besteht darin, das Ultraschallwellensende- und Empfangsgerät der eingangs definierten Art insbesondere hinsichtlich der erzielbaren Auflösung, der Anwendungsmöglichkeiten und Variationsmöglichkeilen ?u verbessern.

Ausgehend von einem Ultraschallwellensende- und Empfangsgerät der eingangs definierten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß von dem symmetrisch zu einer Ebene angeordneten elektroakustischen Wandlerelementen wenigstens zwei Wandlerelemente bzw. elektronische Schalter einer jeweiligen Gruppe gleichzeitig erregt sind, und daß die jeweils weiteren elektronischen Schalter bzw. Wandlerelemente der jeweiligen Gruppe mit unterschiedlicher Zeitverzögerung relativ zu den wenigstens zwei elektronischen Schaltern bzw. elektroakustischen Wandlerelementen erregbar sind.

Durch die vorliegende Erfindung wird somit eine Möglichkeit geschaffen, bei einer Anordnung von elektroakustischen Wandlerelementen entsprechend einer geraden Linie einen wandernden Fokussierpunkt zu erzeugen, wobei der besondere Vorteil erreicht wird. daß bei dieser Anordnung der Wandlerelemente jede Art von Werkstück bzw. Gegenstand abgetastet werden kann, also beispielsweise auch Werkstücke, die keine zylindrische Form haben oder einen kreisrunden Querschnitt besitzen.

Durch das zweite Merkmal, wonach die jeweils weiteren elektronischen Schalter bzw. Wandlerelemente der jeweiligen Gruppe mit unterschiedlicher Zeitverzögerung relativ zu den wenigstens zwei elektronischen Schaltern bzw. Wandlerelementen erregt werden, wird das Gerät nach der vorliegenden Erfindung universal verwendbar, da sich dadurch auch unterschiedliche Tiefenbereiche eines zu untersuchenden Gegenstandes mit Ultraschallstrahlen untersuchen lassen, also die Lage des Fokussierpunktes relativ zur Reihenanordnung der elektroakustischen Wandlerelemente veränderbar ist.

Durch eine unterschiedliche Einstellung der Zeitverzögerung der jeweils nachfolgend erregten elektronischen Schalter bzw. Wandlerelemente einer Gruppe läßt sich daher ein Gegenstand Schicht für Schicht durch Ultraschallstrahlen abtasten, wobei jedoch auf Grund

der Fokussierung der Strahlen der jeweiligen Gruppe ein besonders gutes Auflösungsvermögen erreicht wird.

Besonders zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 5.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels unter Hinweis auf die Zeichnungen näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 ein Schaltdiagramm des Ultraschallwellen-Senders des erfindungsgemäßen Geräts,

Fig. 2 ein Schaltdiagramm des Ultraschallwellen-Senders, der zum Antrieb von jeweils sechs piezoelektrischen Elementen vorgesehen ist, um fokussierte Ultraschallwellen zu erzeugen,

Fig. 3 ein Schaltdiagramm zur Darstellung der Steuerimpuls-Generatoreinheiten und der Antriebsimpuls-Generatoreinheiten der F i g. 2,

F i g. 4 Zeitdiagramme der von den entsprechenden Teilen des Schaltdiagramms der Fig. 3 erzeugten Signale.

F i g. 5 den Zusammenhang /wischen den Verzögerungszeiten des Verzögerungsschallkreises und dem Punkt, im! den die Ultraschallweüenstrahlen fokussiert w erden.

F i g. 6 ein Diagramm zur Darstellung der Beziehung zwischen der Verzögerungszeit und einer Entfernung \ zwischen dem Brennpunkt der Ultraschallwellensirahlen und den Ebenen der piezoelektrischen Elemente,

Fig. 7 ein Schaltkreisdiagramm zur Darstellung der .Schaltkreisanordnung des Schalter-Schaltkreise«· nach F i g. 2.

Fig. 8A ein Blockschaltdiagramm zur Darstellung eines Schaltkreises, der den Signalgenerator zur Erzeugung von Steuersignalen für die Steuerung des Schalter-Schaltkreises der F i g. 7 steuert,

Fig. 8B Diagramme der von entsprechenden Teilen der F i g. 8A erzeugten Signale.

Fig. 9 ein Schaltdiagramm zur Darstellung der Ultraschallwellen-Empfangsschaltung des Ultraschall sende- und -empfangsgerätes gemäß der Erfindung.

Fig. 10 ein Schaltdiagramm zur Darstellung des Schaltkreises für die empfangenen Informationssignale des Ultraschallwellen-Empfangsschaltkreises der Fig. 9,

Fig. 1IA ein Schaltkreisdiagramm zur Darstellung eines Ultraschallwellenempfangssignal-Schaltkreises zur Steuerung des Signalgenerators für die Steuerung des Ultraschallweilenempfangssignal-Schalterschahkreises der Fi g. 10,

Fig. HB Zeitdiagramme der dem Schaltkreis der F i g. 10 zugeführten Signale und

Fig. 12 ein Diagramm zur Illustration der Richtungseigenschaften des Ultraschallwellen-Sendeschaltkreises des erfindungsgemäßen Gerätes.

In F i g. 1 ist eine Steuersignal-Generatoreinheit 50 so aufgebaut, daß sieTaktimpulssignalc Cl,C 2, C Ϊ ... Cn aufeinanderfolgend zu den vorgeschriebenen Zeilintervallen erzeugt, und ein Verzögerungsimpuls Generator 51 ^;st so aufgebaut, daß er mehrere Verzögerungsimpulssignale d\. dl. J3 ... dn auf Grund der entsprechenden Steuerimpulssignale der genannten Steuersignal-Generatoreinheit 50 erzeugt. Die Verzögerungsimpulssignale werden entsprechenden Antriebsimpuls-Generatoreinheiten Pl. /'2, P3 ... Pn zugeführt, die so aufgebaut sind, daß sie auf Grund der ent£prechenden Verzögerungsimpulssignale Aniriebsimpulse erzeugen. Der Ausgang der genannten Antriebsimpuls-Generatoreinheit P\ ist über Schalter 51, S/n+1... des

Schalter-Schaltkreises 52 mit Elementen 1, m+\... einer Vielzahl von elektroakustischen Wandlerelementen, z. B. piezoelektrischen Elementen, verbunden, die aufeinanderfolgend in der gleichen Ebene angeordnet sind. Der Ausgang der Antriebsimpuls-Generatoreinheit Pl ist über Schalter 52. Sm+2 ... mit Elementen 2, /Π + 2... verbunden. In gleicher Weise sind die Antriebsimpuls-Generatoreinheiten P 3 bis Pn über entsprechende Schalter mit elektroakustischen Wandlerelementen verbunden.

Wenn in der oben dargestellten Schaltkreiskonstruktion von den Antriebsimpuls-Generatoreinheiten Pi bis Pn in entsprechend vorgeschriebenen Verzögerungszeiten Antriebsimpulse erzeugt werden und wenn z. B. eine Anzahl m von Schaltern 51.S2... S m geschlossen sind und die verbleibenden Schalter geöffnet sind, werden die elektroakustischen Wandlerelemente 1, 2, 3 ... /77 so in Betrieb gesetzt, daß sie einen Ultraschallwellenstrahl erzeugen, der auf einen vorgeschriebenen Punkt fokussiert ist. Wenn dann darauffolgend die Schalter 5 2, S 3 ... S m + 1 geschlossen werden und die verbleibenden Schalter geöffnet sind und die Verzögerungszeiten der Verzögerungsimpulse, die entsprechend den Antriebsimpuls-Generatoreinheiten PX bis Pn zugeführt werden, von Impuls zu Impuls verschoben werden, wird der Brennpunkt der Ultraschallwellenstrahlen in eine Stellung verschoben, die um ein elektroakustisches Wandlerelement parallel zur Anordnung der Elemente verschoben ist. Wenn in der oben beschriebenen Weise die geschlossenen Schaller des Schaltkreises um jeweils einen verschoben sind und wenn gleichzeitig die Verzögerungszeiten der Verzögerungsimpulse um jeweils einen Impuls verschoben sind, um wiederum die elektroakustischen Wandlerelemente in Betrieb zu setzen, wird der Brennpunkt der Ultraschallwellen dazu gebracht, die Objektsubsianz parallel zur Anordnung der Elemente abzutasten.

Für eine genauere Erläuterung der Erfindung soll nun an Hand der Fig.2 und 3 ein Gerät beschrieben werden, bei dem die piezoelektrischen Elemente in einer Weise angetrieben werden, daß jeweils eine Verschiebung um Einheiten von sechs Elementen entsteht, um auf diese Weise das Abtasten mittels der fokussiertcn Ultraschallwellen zu erreichen.

In Fig. 2 sind die Steuerimpuls-Generatorcinheit 50, der Verzögerungsimpuls-Generator 51, die Impulsgeneratoreinheiten Pi bis P6. der elektronische Schaltkreis 52 und die elektroakustische Wandlereinheit 53 in der gleichen Weise miteinander verbunden, wie es in F i g. 1 gezeigt ist. In F i g. 3 sind die konkreten Schaltkreiskonstruktionen der Steuerimpuls-Generatoreinheit 50 und des Verzögerungsimpuls-Generators 51 gezeigt. Die Steuerimpuls-Generatoreinheit 50 ist so aufgebaut daß Taktimpulssignale von einem Taktimpuls-Generator

501 einem Schieberegister 502, einem Zähler 503 und Verzögerungs-Schaltkreisen 170,171 und 172 zugeführt werden.

Die Ausgänge des Zählers 503 werden den Eingängen von einem N AND-Tor 504 zugeführt dessen Ausgang mit einem Eingang eines NAN D-Tores 505 verbunden ist dessen Ausgang einem Schieberegister

502 zugeführt wird. Die Ausgangssignale Ci bis C 6, die von dem Register 502 erzeugt werden, werden einem Verzögerungsimpuls-Generator 51 zugeführt, und das Ausgangssignal Cb wird zudem noch dem anderen Eingang des NAND-Tores 505 zugeführt. Der Verzögerungsimpuls-Generator 51 ist so aufgebaut daß entsprechende erste Eingänge von ODER-Toren 113, 124 und 135 mit dem Ausgang Cl des Registers 502 verbunden sind; der zweite Eingang des ODER-Tores 113 und die entsprechenden ersten Eingänge von ODER-Toren 123 und 134 sind mit dem Ausgang C2 verbunden; der zweite Eingang des ODER-Tores 123 und die entsprechenden ersten Eingänge der ODER-Tore 114 und 133 sind mit dem Ausgang C3 verbunden; die entsprechenden zweiten Eingänge der ODER-Tore 124 und 133 und der erste Eingang eines ODER-Tores

ίο 115 sind mit dem Ausgang C4 verbunden; die entsprechenden zweiten Eingänge der ODER-Tore 115 und 134 und der erste Eingang eines ODER-Tores 125 sind mit dem Ausgang C5 verbunden; die entsprechenden zweiten Ausgänge der ODER-Tore 114, 125 und

is 135 sind mit dem A'isgang Cb verbunden. Die Ausgänge der ODER-Tore 113 bis 115, 123 bis 123 und 135 bis 135 sind entsprechend mit entsprechenden zweiten Eingängen von UND-Toren 110 bis 112, IiK) bis 122 und 130 bis 132 verbunden, und die entsprechenden

ίο zweiten Eingänge der UND-Tore 140,142,150,152,160 und 162 s'nd mit den Ausgängen von ODER-Toren 115, 113, 125. 123, 135 und 133 verbunden. Der Ausgang des Verzögerungs-Schaltkreises 170 ist mit entsprechenden ersten Eingängen der UND-Tore 110,120, 130, 140, 150

2s und 160 verbunden, der Ausgang des Verzögemngs-Schaltkreises 171 ist mit entsprechenden ersten Eingängen der UND-Tore 111. 121 und 131 verbunden, und der Ausgang der Verzögerungs-Schaltkreises 172 ist mit den entsprechenden ersten Eingängen der

yo UND-Tore 112, 122, 132, 142, 152 und 162 verbunden. Die Ausgänge der UND-Tore 110 bis 112. 120 bis 122 und 130 bis 132 sind entsprechend an Eingänge von ODER-Toren 101, 102 und 103 angeschlossen, während die Ausgänge von UND-Toren 140 und 142, 150 und 152 und 160 und 162 entsprechend mit den Eingängen von ODER-Toren 104, 105 und 106 verbunden sind Die entsprechend verbleibenden Eingänge der ODER-Tore 104,105 und 106 sind mit den Ausgängen der UND-Tore 111, 121 und 131 verbunden. Die Ausgänge der ODER-Tore 101 bis 106 werden entsprechend den Antriebsimpuls-Generatoreinheiten Pl bis Pb zugeführt.

Wenn bei der oben genannten Schaltkreisanordnung die Schalter S1 bis S6 des Schaltkreises 52 geschlossen

4s und die verbleibenden Schalter S7 bis Sn alle geöffnet sind und wenn das Schieberegister 502 der Steuerimpuls-Generaioreinheit 50die Steuerimpulse Cl erzeugt, liefern die ODER-Tore 113,124 und 135 Ausgangssignale, und gleichzeitig erzeugen die Verzögerungs-Schaltkreise 170, 171 und 172 Verzögerungs-Ausgangssignale zu Verzögerungszeiten D₀, D\ und D₂, wie in den Zeitdiagrammen der Fig.4 dargestellt ist Zu diesem Zweck werden die ODER-Tore 101 und 106 entsprechend dazu gebracht Verzögerungsimpulssignale in der Verzögerungszeit D₀ auf Grund der Ausgangssignale von den UND-Toren HO und 160 zu erzeugen, die mit Ausgangssignalen von dem ODER-Tor 113 und dem Verzögerungs-Schaltkreis 170 versorgt werden. Die ODER-Tore 102 und 105 werden entsprechend dazu gebracht Verzögerungsimpulssignale in der Verzögerungszeit Di auf Grund eines Ausgangssignals von dem UND-Tor 121 zu erzeugen, das mit Ausgangssignalen von dem ODER-Tor 124 und dem Verzögerungs-Schaltkreis 171 versorgt wird. Die ODER-Tore 103 und 104

6s werden entsprechend dazu gebracht Verzögerungsimpulssignale in der Verzögerungszeit D₂ auf Grund von Signalen der UND-Tore 132 und 142 zu erzeugen, die mit Ausgangssignalen von den ODER-Toren 113 und

135 und des Verzögerungs-Schaltkreises 172 versorgt werden.

Die Antriebsimpuls-Generatoreinheiten PX bis Pb werden in entsprechender Weise dazu gebracht, die Antriebsimpulssignale pl bis p6 auf Grund der Verzögerungsimpulssignale d\ bis db der ODER-Tore 101 bis 106 zu erzeugen. Diese Antriebsimpulssignale p\ bis ρ 6 werden in der Verzögerungszeit D₀ erzeugt, die Antriebsimpulssignale ρ 2 und ρ 5 werden in der Verzögerungszeit D₁, die Antriebsimpulssignale ρ 3 und ρ 4 in der Verzögerungszeit Dj erzeugt. Wenn die Länge der Verzögerungszeit so festgelegt ist, daß Do kurzer ist als D\ und D\ kürzer als D2, so treiben die Antriebsimpulssignale pl und ρ 6, die anfänglich erzeugt werden, die elektroakustischer» Wandlerelemente. z. B. piezoelektrische Elemente 1 und 6, über die Schalter SI bzw. S 6 und veranlassen die Elemente 1 und 6, Ultraschallwellen zu erzeugen. Darauf werden in einer vorgegebenen Zeitverzögerung gegenüber den Antriebsimpulssignalen ρ 1 und ρ 6 die Antriebsimpulssignale ρ 2 und ρ 5 erzeugt, die in entsprechender Weise die elektroakustischen Wandlerelemente 2 und 5 über die Schalter S2 bzw. S5 in Betrieb setzen, um diese Elemente 2 und 5 zur Abgabe von Ultraschallwellen zu veranlassen. Als nächstes werden die gegenüber den Antriebsimpulssignalcn ρ 2 und ρ5 leicht verzögerten Antriebsimpulssignale ρ 3 und ρ 4 erzeugt, die entsprechend die Elemente 3 und 4 über die Schalter S3 bzw. S4 in Betrieb setzen, um die Elemente 3 und 4 zur Abgabe von Ultraschallwellen zu veranlassen.

Wenn Ultraschallwellen erzeugt werden, die voneinander Bit um Bit gegeneinander in der oben beschriebenen Weise verzögert sind, werden sie auf einen Punkt X1 fokussiert. Wenn als nächstes die Schalter S 2 bis Sn geöffnet sind, und das Schiebcregistcr 502 das Steuerimpulssignal CI erzeugt, erzeugen die UND-Tore 110 und 120 Ausgangssignalc in einer Verzögerungszeit Do auf Grund von Ausgangssignalen von den ODER-Toren 113. 123 und 134 auf Grund des C2-Signals und der Ausgangssignale von den Verzögerungs-Schaltkrcisen 170,171 und 172. und das UND-Tor 131 erzeugt das Ausgangssignal in der Verzögcrungszeit D₁. und die UND-Tore 142 und 152 erzeugen entsprechend die Ausgangssignale in der Verzögerungszeit D₂. Die ODER-Tore 101 bis 106 erzeugen die Verzögerungsimpulssignale dX bis db auf Grund der Ausgangssignale von den UND-Toren 110,120,131,142 und 152.

Diese Verzögerungsimpulssignale d 1 und d2 werden in der Verzögerungszeit D₀ erzeugt, die Signale c/3 und de in der Ver/ögerungszeit Dx und die Signale d4 und d5 in der Verzögerungszeit D?. Die Antriebsimpuls-Generatoreinheiten PI bis P6 erzeugen die Antriebsimpulse pl bis ρ6 in Verzögerungszeiten, die den Verzögerungszeiten der Verzögerungsimpulse d\ bis db entsprechen, auf Grund der genannten Verzögerungsimpulssignale d\ bis db. Zuerst betreiben die Antriebsimpulse pl und ρ7 die piezoelektrischen Elemente 2 und 7 über die Schalter 52 und S 7. Als nächstes betreiben die Impulse ρ3 und pb die piezoelektrischen Elemente 3 und 6 mit einer leichten Verzögerung über die Schalter S3 und S6. und die Impulse ρ A und ρ 5 betreiben die piezoelektrischen Elemente 4 und 5 mit einer weiteren leichten Verzögerung über die Schalter S 4 und S 5. Wenn in der oben beschriebenen Weise die entsprechenden piezoelektrischen Elemente 2 bis 7 mit einer vorgeschriebenen Zeitverzögerung in Betrieb gesetzt werden, werden Ultraschallwellenstrahlen von diesen Elementen auf einen Punkt X 2 fokussiert, wie in gebrochenen Linien angedeutet ist. Dieser Punkt X 2 ist um ein piezoelektrisches Element von dem Punkt X 1 parallelverschoben. Wenn in der oben beschriebenen Weise die Schaltoperationen der Schalter Sl bis Sn des Schaltkreises 52 Schalter um Schalter verschoben werden, und wenn simultan dazu die Verzögerungszeiten Do, D-, und Dj der Verz_ögerungsimpulse entsprechend festgelegt werden, können die Brennpunkte Xl, X2... Xn der Ultraschallwellenstrahlen nacheinander in der angegebenen Reihenfolge verschoben werden, wodurch es den Ultraschallwellen ermöglicht wird, die Objektsubsianz abzutasten. Tabelle 1 zeigt den Zusammenhang zwischen den Brennpunkten XI. X2, X3, X4, X5, X6 ... X /J — 5 und den Verzögerungszeiten Do. Di und D: der Verzögerungsimpulse d 1 bis db.

:o Tabelle 1	d\	d2	di	c/4	c/5	db
Brennpunkt	Do	Dx	Di	D:	Di	Do
XI	Do	Do	Dx	Di	Ch	Dx
^:s X 2	Dx	Do	Do	Dx	Di	Di
X 3	Di	Dx	Di	Do	Dx	Di
X4	Di	Di	Dx	Do	D)	Dx
X5	Dx	Di	Di	Dx	Do	Do
X6

Xn-5

Do

Dx

Di

Wie aus der obigen Tabelle 1 ersichtlich ist. werden die Brennpunkte nacheinander durch regelmäßiges Wiederholen der Verzögerungszeiten Do. D₁ und D₂ der Verzögerungsimpulse d\ bis db in der Form von Do

₄., (= 0)— D₁- D₂- D₂- Di- D₀- Di verschoben.

Es soll nun die Art und Weise beschrieben werden, durch die Verzögerungszeiten Do. D₁ und D₂ festgelegt werden, siehe dazu F i g. 5. Wenn der Abstand zwischen dem Punkt, der den Mittelpunkt der Reihe der

■45 piezoelektrischen Elemente 1. 2, 3...6 bildet und auf der Oberfläche des mittleren Elementes liegt, und dem Punkt X. der auf einer Linie senkrecht zu dieser Reihe liegt, mit ν bezeichnet wird, werden die Differenzen Δχ. Δλ2 und ΔXi zwischen dem Abstand ν und den Abständer

^o zwischen den entsprechenden Ebenen der piezoelektrischen Elemente und dem Punkt X durch die folgender Gleichungen ausgedrückt:

Lx, = I x² + (d 2)² - χ (I)

Ix₂= Ix² + (3d2)²-.x (2)

Iv,= I x² + (5d 2)² - χ (3)

wobei d den Abstand /wischen zwei angrenzende Elementen ausdrückt. Wenn entsprechend die Gc schwindigkcit, mit der die Ultraschallwellen durch ei Medium hindurchlaufen, mit Cbczcichnet wird, werde Zeitdifferenzen von Δη. Δΐι- J/i von den I MtraschalKvc len benötigt, um den Punkt Λ von den entsprechende

)iezoelekirischen Elementen zu erreichen, wobei sich lic Zeitdifferenzen wie folgt berechnen:

Ii₁ -	Ix₁ <■	(4)
Ii₂ =		(5)
i'i =	I.V., c·	(6)

Wenn entsprechend die Zeitveivögcrungszcit Do der Antriebsimpulse, die den piezoelektrischen Elementen 1 und 6 zugeführt werden, auf 0 gesetzt werden, und wenn D₀ als Bezug verwendet wird, beträgt die Verzögerungszeit Di der den piezoelektrischen Elementen 2 und 5 zugeführten Impulse

D, = Δ ti- Δ f₂ = {Δ X₃ - Δ X₁)Ic.

Die Verzögerungszeit D? der den piezoelektrischen Elementen 3 und 4 zugeführten Impulse drückt sich durch die Gleichung

D₂ = ZIf₃-^f! =(Axs-A\\)/c

aus. Wenn die Verzögerungszeiten Do, Di und D: entsprechend auf diese Weise festgelegt werden, können die Ultraschallwellenstrahlen, die von den piezoelektrischen Elementen 1 bis 6 erzeugt werden, in die Nähe des Punktes Xfokussiert werden.

Setzt man den Abstand d zwischen zwei angrenzenden piezoelektrischen Elementen auf 2 mm und die Geschwindigkeit cder Ultraschallwellen auf 1500 fest ergibt sich eine Beziehung zwischen den Verzögerungszeiten Di und D₂ zur Entfernung ν zwischen dem Punkt X und den piezoelektrischen Elementen, wie sie in F i g. 6 gezeigt ist. Aus F i g. 6 läßt sich erkennen, daß bei Veränderung der Verzögerungszeiten Di und D₂ die Stellung des Brennpunktes X der Ultraschallwellenstrahlen verändert werden kann. Entsprechend werden, wie in F i g. 3 gezeigt, mehrere Ausgangsanschlüsse von den Verzögerungs-Schaltkreiscn 170, 171 und 172 abgenommen und in geeigneter Weise gewechselt, wodurch die Stellung des Brennpunktes X verändert werden kann, wodurch die Ultraschallwellenstrahlen veranlaßt werden, einen vorgeschriebenen Bereich der Objektsubstanz abzutasten, ohne daß die Stellung des Gerätes verändert wird.

Der schon erwähnte Schaltkreis 52 arbeitet elektronisch und ist in F i g. 7 dargestellt.

Die in F i g. 7 gezeigte Anaiog-Schahkreiseinheit besitzt Analogschalter Sl bis Sn von gleicher Konstruktion. Zur Erläuterung sei beispielsweise der Analogschalter Sl beschrieben. Die Primärwicklung des Transformators Γι ist mit einem Ende an der Antriebsimpuls-Generatoreinheit Pl und dem Ultraschallwellenempfangssignal-Behandlungsgerät Q1 verbunden, und am anderen Ende mit dem Kollektor eines Transistors Ts^. dessen Basis über einen Widerstand R_n mit dem geerdeten Emitter verbunden ist. Die Sekundärwicklung des Impulstransformators Γι ist mit dem einen Ende an dem Kollektor des Transistors Γη. der Kathode einer Diode Di und dem piezoelektrischen Element 1 verbunden, während das andere Ende geerdet und mit der Anode der Diode D\ sowie mit dem Emitter des Transistors Γη und über einen Widerstand R₂₁ mit dessen Basis verbunden ist. Die Basis des Transistors Ts\ ist über einen Widerstand Ri\ mit dem Ausgangsansehluß eines Inverters G_n verbunden, während die Basis des Transistors Γη über den Inverter G21 mit dem Ausgangsansehluß des Inverters Gu

verbunden ist. Der Eingiingsansehluß des Inverters Gu ist mit einem Ausgangsansehluß eines Schaltersteuer-Schaltkrciscs .SX" verbunden. Dieser Schaltersteucr-Schaltkreis ist /. B. so aufgebaut, wie es in F i g. 8A gezeigt ist. Ein Signal, wie es in F i g. 8B (b/ gezeigt ist. das von einem Taktimpuls-Generator 501 erzeugt wird, wird einem Binärzählcr 503 zugeführt und durch einen Flip-Flop-Schaltkreis FF geführt, um ein Signal /u erhallen, w ic es in F i g. 8B (c) gezeigt ist. Dieses Signal (c) und das Signal (b) von dem Taktimpuls-Gencrator 501 werden eiiicm Schieberegister zugeführt, um Signale SC 1. SC2. SC3 ... SCη /u erhalten, wie es in Fig. 8B gezeigt ist. Die Ausgange SCl bis SCn von dem Schahersteuer-Schaltkreis SC werden entsprechend den Analogschaltern S 1 bis S π zugeführt.

Zur Erklärung der vorgenannten Schaltkreise S 1 bis Sn sei gesagt, daß zuerst die Ausgangssignale SCl bis SC6 von dem Schahersteuer-Schaltkreis SC den Schaltern S1 ')is S6 zugeführt werden. Zur Erläuterung nur des Betriebs des Schalters Sl sei gesagt, daß das Ausgangssignal SCl von dem Schaltkreis SCaIs eine positive Vorspannung zur Vorspannung des Transistors Tsi über den Inverter G\) und den Widerstand R31 zugeführt wird, um diesen Transistor leitend zu machen. Andererseits wird der Ausgang des Inverters Gn als negative Vorspannung der Basis des Transistors Γη über den Inverter G21 zugeführt, um diesen Transistor zu sperren. Somit setzen die Antriebsinipulse von der Antriebsimpuls-Generatoreinheit PI das piezoelektrische Element 1 über die Primärwicklung des Impulstransformators Γι, den Kollektor und Emitter des Transistors Tsi und der Sekundärwicklung des Impulstransformators Γ, in der genannten Reihenfolge in Betrieb. Die verbleibenden Schalter S 2 bis S6 werden in der gleichen Weise betätigt. Wenn als nächstes die Ausgangssignale SC2 bis SC7 von dem Schaltersteuer-Schaltkreis SCerzeugt werden, werden die Schalter S 2 bis S 7 leiterd gemacht und die Schalter S8 bis Sn nichtleitend gemacht. Das heißt, im Schalter Sl wird der Transistor 7s, abgeschaltet und der Transistor Γη eingeschaltet. Der obengenannte Schaltkreis wurde nur als Beispiel erläutert, er kann von jeder beliebigen Konstruktion sein, wenn er nur die Schaltoperaiionen auf elektronische Weise mit den vorgeschriebenen Steuersignalen ausführt.

Die vorgenannte Beschreibung bezog sich auf den Betrieb, bei dem die Objektsubstanz von den fokussiertcn Ultraschallwellenstrahlen abgetastet wurde, nämlich bei dem Ultraschallwellen-Sendebetrieb. Im folgenden wird der Betrieb beschrieben, bei dem das Bild der Objektsubstanz erhalten wird, indem die von dei Objektsubstanz reflektierten Ultraschallwellenstrahler wieder in elektrische Signale umgesetzt werden nämlich dem Ultraschallwellen-Aufnahmebetrieb.

In dem Ultraschallwellen-Empfangsschaltkreis de Fig.9 werden von der Objektsubstanz reflektiert Ultraschallwellenstrahlen in Informationssignale /1 bi /6 durch die gleichen piezoelektrischen Elemente 1 bis 1 der elektroakustischen Wandleremheit 53 umgewan delt. wie sie zur Aussendung der Ultraschallwelle benutzt werden. Die Informationssignale /1 und / werden in der Verzögerungszeit D? empfangen, di Signale /2 und /5m dei Ver?ogerungszeit D₁. und di Signale /1 und /4 in der Verzögerungszeit D₀. Die; lnformationssignale werden in entsprechender Wei« Verstärkern 4 ! bis A 6 über die gleichen elektror sehen Schalter Sl bis Sb des Schaltet -Schaltkreise;.! zugeführt, wie sie zur Aussendung der Ultraschallwell«

verwendet wurden. Die uiif diese Weise verstärkten Informationssignale /1 bis /6 werden entsprechend Ultraschall wellen aufnehmenden signalschaltenden Schaltkreisen Ri bis R_b zugeführt, die in gleicher Weise gezeigt sind. Diese schaltenden Schaltkreise R) bis R_h werden entsprechend durch drei elektronische Schalter aufgebaut, nämlich durch IV₁1 bis IVu, IV₂1 bis IV₂J, IV31 bis IV₃₃, VV₄₁ bis IV₄₃, IV₅I bis W₅₃ und »V_bi bis lV_bJ. Die Informationssignalc /1 und /6 werden über die entsprechenden geschlossenen Schalter IV_n und H-'_b| der schaltenden Schaltkreise Rt und R_b einem Vcrzögerungs-Schaltkrcis 271 mit der Verzögerungszeit D₀ zugeführt, die Signale /2 und /5 werden über die geschlossenen Schalter W₂₂ und IV₅₂ einem Verzögerungs-Schaltkreis 272 mit der Verzögerungszeit D\ zugeführt, und die Signale /3 und /4 werden über die geschlossenen Schalter W₃₃ bzw. W₄₃ einem Verzögerungs-Schaltkreis 273 mit einer Verzögerungszeil D₂ zugeführt. Die Informationssignale /1, /6; 12, /5 und /3,/4, die in den verschiedenen Verzögerungszeiten D₂. D\ und Do erzeugt werden, werden durch diese Verzögerungs-Schaltkreise 271, 272 und 273 dazu gebracht, zeitlich zusammenzufallen, und sie werden zusammengesetzt und dann einem Verstärker 300 zugeführt. Die zusammengesetzten Informationssignale, verstärkt durch den Verstärker 300, werden z. B. einem Kathodenstrahl-Oszillographen CRT zugeführt, wodurch ein Bild der Objektsubsianz auf dem Oszillographenschirm dargestellt wird. Die Informationssignale /2 bis 17, entsprechend dem nächsten Abtastpunkt X 2, werden den Ultraschallwellen aufnehmenden signalschaltenden Schaltkreisen R₂ bis /?_b und R\ über die Schalter 52 bis 57 und die Verstärker Al bis A 6 zugeführt. Die Informationssignale / 2 bis / 7, die diesen schaltenden Schaltkreisen zugeführt werden, werden durch die Schalter IV₂1, W_i2, IV₄₃, W₅₃, W_b2 und '.V_n ' geleitet, die durch Schaitersteuersignaie geschlossen sind. Dann werden die Signale /2 und /7 in den Verzögerungsschaltkreis 271 geführt, die Signale /3 und /6 in den Verzögerungs-Schaltkreis 272 und die Signale /4 und /5 in den Verzögerungs-Schaltkreis 273. Die über die Verzögerungs-Schaltkreise 271 bis 273 zusammengesetzten Informationssignale bewirken, daß ein Bild des Abtastpunktes X 2 auf dem Kathodenstrahl-Oszillographen abgebildet wird. Die schaltenden Schalt- 4s kreise R) bis R_b sind in genaueren Einzelheiten in Fig. 10 dargestellt. Die Analog-Tore W_u bis H'_hJ sind von MOS-Bauart und werden durch Steuersignale CSw bis C5„2 gesteuert, die durch die Zeitdiagramme der F i g. 11 B dargestellt sind, wobei diese Zeitsteuersignale von dem Schieberegister 502 durch einen Schaltkreis gemäß Fig. 1IA erhalten werden.

Wie oben dargestellt, wird ein vorgeschriebenes Bild auf die Kathodenstrahlröhre projiziert auf Grund der reflektierten Anteile der LJhraschallwellenstralilen. die ununterbrochen die Objcktsubstan/ abtasten. Die vorliegende Ausfülirungsform betrifft ein Gerät, bei dem die piezoelektrischen F.lemenie in Einheiten von sechs Elementen betrieben werben, aber diese Anzahl von Elementen kann beliebig verändert werden.

Wie schon dargestellt, ermöglicht die Erfindung die Erzeugung von fokussiertcn Ultraschallwellcnstrahlen. indem piezoelektrische Elemente in einer vorgeschriebenen Anzahl mit einer relativen Verzögerung zueinander betrieben werden, wobei die Elemente einzeln voneinander einen Abstand aufweisen, wodurch gute Richtungseigenschaften des Gerätes erhalten werden. Wenn z. B. die Breite eines piezoelektrischen Elementes, die Oszillationsfrequeiiz. eine Entfernung ν zwischen dem Brennpunkt und der Reihe von piezoelektrischen Elementen und die Anzahl der gleichzeitig betriebenen piezoelektrischen Elemente auf die Werte 2 mm, 2MHz. b cm und b festgelegt werden, können die in Fig. 12 gezeigten ausgezeichneten Richtungseigenschaften erhalten werden.

Die in F i g. 12 gezeigten Richtungseigenschaf ten smuI die. die man im Falle der Anwendung von Ultraschallwellen erhält, jedoch erhält man die zusammengesetzte Richtcharakteristik von Ultraschallwellen-Aussenduni und -empfang durch Quadrieren der Richtungskennlinicn der Fig. 12. Entsprechend weist das erfindungsgemäße Gerät eine extrem gute Auflösung auf. Mn anderen Worten, die Intensität der Ultraschallwellen in der Nähe des Brennpunktes und die Ultraschallwcllen-Empfangssignalspannung entsprechend der von der Nähe des Brennpunktes reflektierten Wellen sind höher, als es bei dem bekannten Gerät (Kurve a) der Fall ist. das kein Fokussiers\ stern für die Ultraschallwellen verwendet. Weiterhin besitzt das erfindungsgemäße Gerät eine Empfindlichkeit, die proportional zur zweiten Potenz der Empfindlichkeit des bekannten Gerätes isi.

Hierzu 11 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Ultraschallwellensende- und Empfangsgerät mit einer Anordnung aus elektroakustischer! Wandlerelementen und mit diesen verbundenen elektronischen Schaltern, die gruppenweise zusammengefaßt in einer bestimmten Folge erregbar sind, so daß ein wandernder Fokussierpunkt entsteht, der jeweils von einer bestimmten Anzahl von elektroakusti sehen Wandlerelementen erzeugt ist, dadurch gekennzeichnet, daß von den symmetrisch zu einer Ebene angeordneten elektroakustischen Wandlerelementen (1,6; 7, 12; n-5-, n) wenigstens zwei Wandlerelemente bzw. elektronische Schalter (S 1,56; S7...) einer jeweiligen Gruppe gleichzeitig err?gt sind; und daß die jeweils weiteren elektronischen Schalter (52, 55; 58, 511; 5/J-4, 5/7-1, usw.) bzw. Wandierelemente (2, 5; 8, 11; n-4, n- 1, usw.) der jeweiligen Gruppe mit unterschiedlicher Zeitverzögerung relativ zu den wenigstens zwei elektronischen Schaltern bzw. elektroakustischen Wandlerelemente erregbar sind.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallwellensender folgende Einrichtungen und Merkmale aufweist:

eine Steuersignal-Generatoreinheit (40) mit einer Vielzahl von Ausgängen (Ci- C6), an welchen ein Steuersignal in zirkulierender Weise erzeugbar ist; ^o

eine Verzögerurgsimpulssignal-Generatoreinheit (51), die an die Generatoreinheit (50) gekoppelt ist und in Abhängigkeit von dem Steuersignal mehrere Verzögerungssignale mit vorbestimmter Verzögerungszeit erzeugt, wobei zu einem Zeitpunkt wenigstens zwei der Verzögerungssignale erzeugt sind;
mehrere Impulstreibersignal-Generatoreinheiten (Pl- P6), die an die Verzögerungsimpulssignal-Generatoreinheit (51) gekoppelt sind, um in Abhängigkeit von einem entsprechenden Verzöge.-ungssignal ein Treibersignal zu erzeugen;

eine Schaltkreiseinheit (52) mit mehreren elektronischen Schaltergruppen (S\—Sn), die jeweils mit den Treibersignal-Generatoreinheiten (P\ — P6) verbunden sind.wobei die elektronischen Schalter aller elektronischen Schaltergruppen in der Anordnungsfolge aufeinanderfolgend betätigbar sind und eine mit den Impulstreibersignal-Generatoreinheiten (Pi- P6) gleiche Zahl von elektronischen Schaltern zu einem Zeitpunkt betätigbar ist.

3. Gerät nach den Ansprüchen I und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ultraschall ellenempfangsgerät über die betätigten elektronischen Schalter mit solchen durch die elektroakustischer! Wandierelemente erzeugten Empfangssignalen gespeist ist. die durch reflektierte Ultraschallwellen erhalten sind und die ihrerseits mit vorbestiminter Verzögeningszeit. und zwar wenigstens zwei zu einem Zeitpunkt, erzeugbar sind, und daß Mittel (271—273) zur Entzerrung bzw. Gleichmachung der Verzögerungszeiten der empfangenen Signale oder zum Zusammensetzen der empfangenen Signale vorgesehen sind.

4. Gerät nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß jeder elektronische Schalter einen Impulstransformator (Tn) aufweist, der eine mit einer vorbestimmten Treibersignal-Generatoreinheit (Pn) verbundene Primärwicklung und eine Sekundärwicklung besitzt, weiter ein erstes Halbleiter-Schaltelement (Tsn). welches in Abhängigkeit von dem Steuersignal aus der Schalicr-Steuerschaltung (SC) /um Schließen eines Kreises der Primärwicklung leitend wird, und ein /weites Halbleiter-Schaltelement (Tin) vorgesehen ist. welches in Abhängigkeit von dem Steuersignal nicht leitend wird, um einen Kiir/schlußkreis der Sekundärwicklung zu öffnen.

5. Cjerät nach Anspruch 3. dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallwellen-Empfangseinrichtung eine Vielzahl von Verstärkern ^1 — ^0) zur entsprechenden Verstärkung der über die betätigten Schalter der SchJtkreiseinheil (52) empfangenen Ultraschallwellensignale umlaßt, daß mehrere weitere elektronische Schalter (W) vorgesehen sind, die selekti\ die Empfangssignaie von den Verstärkern zuvor bestimmten .Signalleitungen zuleiten, und daß mehrere Ver/ogerungs-Schaltkreiseinheiten

;271-273) vorgesehen sind, die /um Gleichmachen (.Lt Ver/ogerungs/eiten der Empfangssignale jeweils mil den Signalleitungen verbunden sind, und daß Einrichtungen (JOO) zum Zusammensetzen dn Ausgangssign.ile aus den Ver/ögerungs-Schaltkreisei'ihciten (271—273) vorgesehen sind.