DE2424582B2 - Ultraschallwellensende- und empfangsgeraet - Google Patents
Ultraschallwellensende- und empfangsgeraetInfo
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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
Di
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 Rn
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 Gn 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 Rb zugeführt, die in gleicher Weise
gezeigt sind. Diese schaltenden Schaltkreise R) bis Rh
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 »Vbi bis lVbJ. Die
Informationssignalc /1 und /6 werden über die entsprechenden geschlossenen Schalter IVn und H-'b|
der schaltenden Schaltkreise Rt und Rb 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, Wi2, IV43, W53, Wb2 und '.Vn '
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 Rb sind in genaueren Einzelheiten in
Fig. 10 dargestellt. Die Analog-Tore Wu 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 (5)
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;
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.
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