DE2543278A1

DE2543278A1 - Akustisches abbildungsgeraet mit grauskalenanzeige

Info

Publication number: DE2543278A1
Application number: DE19752543278
Authority: DE
Inventors: Henry Albert Ferriera Rocha
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1974-10-03
Filing date: 1975-09-27
Publication date: 1976-04-08
Also published as: FR2287041B1; FR2287041A1; US3918297A

Description

Akustisches Abbildungsgerät mit Qrauskalenanzeige

Die Erfindung betrifft ein akustisches Abbildungsgerät für die innere und äußere Sichtdarstellung von Gegenständen und insbesondere ein System mit einer Sichtanzeige mit einer Helligkeitsmodulation. Typische Anwendungsmöglichkeiten sind die zerstörungsfreie Prüfung von festen Gegenständen auf Fehlerstellen und die Sichtdarstellung von biologischen Strukturen.

In der US-Patentschrift 3 780 572 wird ein akustisches Abbildungsgerät beschriebenj das einen Sender benutzt, um periodische akustische Impulse auf das Objekt zu richten, sowie einen ebenen akustischen Bildwandler mit Meßfühlern in Reihen und Spalten zur Umwandlung der fokussierten Echosignale in elektrische Signale. Durch Torsteuerung oder Gattersteuerung der verstärkten Ausgangssignale der piezoelektrischen Meßfühler in ausgewählten Zeitintervallen nach der Erzeugung eines akustischen Echosignals

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wird ein Bild eines ebenen Bereichs in einer bestimmten Tiefenlage im Innern des Objektes auf einer Anordnung von lichtabgebenden Dioden oder auf einem anderen Sichtanzeigegerät gebildet. Für jeden auftreffenden akustischen Impuls ist ein einziges zweidimensionales Bild vorhanden, wobei noch Vorrichtungen vorhanden sind zur Änderung des Zeitpunktes der Torsteuerung, um in Sequenz andere Tiefenlagen im Innern des Objektes abzubilden. Es wurde weiterhin ein Gerät vorgeschlagen, das Vorrichtungen zur dreidimensionalen Abbildung enthält, welche durch die koinzidente Anzeige von Bildern von mehreren ebenen Bereichen in dem Objekt erhalten wird. Nach jedem akustischen Impuls werden die reflektierten Echosignale von verschiedenen Tiefenlagen im Objekt in Sequenz erfaßt und als binäre Daten in einem Mehrstufen-Schieberegister gespeichert, das jedem piezoelektrischen Meßfühler zugeordnet ist. Die einzelnen Schieberegister sind für eine schnelle Auslesung in Reihe verbunden. Mehrere Bilder als Ergebnis jedes periodischen akustischen Impulses können daher koinzident in Realzeit wiedergegeben werden, beispielsweise als eine Stereo-Sichtanzeige, um eine Tiefenwahrnehmung zu erhalten.

In beiden Systemen kann jedes Bild der Anzeige entsprechend einem Meßfühler in dem ebenen akustischen Bildwandler ein heller Fleck sein, wenn das reflektierte Echosignal einen vorgegebenen Schalldruckpegel übersteigt, und der Fleck ist dunkel oder abgeschaltet für Schalldrucke unterhalb dieses Pegels. Solche binären Systeme können für viele Zwecke verwendet werden. Sie sind jedoch nicht geeignet für die Verwendung in denjenigen Anwendungsfällen oder für solche Betriebsarten, bei denen die Amplitude des Echosignals benötigt wird oder traditionsgemäß gemessen wurde, um die gewünschte Information zu erhalten. Akustische Abbildungs- und Prüfsysteme messen oft die Reflektivität oder den Reflexionsgrad von Zielobjekten oder von Heterogenitäten durch Verwendung einer Reihe von periodischen Impulsen akustischer Energie mit einer konstanten Amplitude, welche auf das untersuchte Objekt auftreffen und durch Messung der Amplitude der y„on jedem Zielpunkt erzeugten Echos. Diese Messung der Reflektivität kann dazu benutzt werden, die Größe eines kleinen Zielobjektes

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abzuschätzen, das eine Größe unterhalb einer Wellenlänge besitzt und damit in den Rayleigh'sehen Streubereich fällt und im Falle von großen spiegelnd reflektierenden Zielobjekten kann dies zu einer Abschätzung der Winkelorientierung des Zielobjektes und seiner akustischen Impedanz führen. Eine alternative Methode zur Abschätzung der Reflektivität einer akustischen Heterogenität wird hier beschrieben.

Erfindungsgemäß sind in einem akustischen Abbildungssystem der vorstehend beschriebenen Art Einrichtungen zur Änderung der Empfindlichkeit des Systems vorgesehen, und es wird eine Folge von periodischen akustischen Impulsen oder "Bursts" erzeugt, deren Amplituden variabel und vorzugsweise gemäß einem vorgegebenen Schema variabel sind. Die resultierende Folge von akustischen Echosignalen besitzt eine variable Intensität in Abhängigkeit vom Reflexionsgrad der akustischen Heterogenität und der Amplitude der akustischen Impulse. Die Echosignale variabler Intensität von jeder Heterogenität in einem ebenen Objektbereich werden periodisch durch einen akustischen Bildwandler erfaßt und in binäre elektrische Daten umgewandelt, welche die Amplituden der erfaßten Echosignale oberhalb und unterhalb eines vorgegebenen Vergleichspegels darstellen.

Wie bereits zuvor beschrieben, umfassen der akustische Bildwandler und die Gatter- oder Torsteuerungsschaltung daher eine Anordnung von Wandlern und zugeordneten Signalverarbeitungskanälen, die zweckmäßigerweise einen Verstärker und Detektor und ein individuelles Schieberegister zur periodischen Auslesung von binären Ausgangsdaten enthalten. Die Amplitude der binären Ausgangsdaten wird gegenläufig zu den entsprechenden akustischen Impulsen geändert. Nach Zuführung zu einem Sichtanzeigegerät werden die codierten Ausgangsdaten variabler Amplitude periodisch wiedergegeben, um Bilder zu erzeugen, deren Helligkeitsmodulation eine Anzeige des Reflexionsgrades der Heterogenität ergibt. · "

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Vorzugsweise werden die akustischen Impulse und die binären Ausgangsdaten, die sich aus jedem akustischen Impuls ergeben, in wiederholenden Reihen gegenläufig amplitudenmoduliert, wobei fortschreitende stufenmäßige Veränderungen in Stufen von Dezibel in jeder Reihe angewendet werden. Es kann ein. synchronisierender Generator vorgesehen werden, um komplementäre und synchrone Spannungen als Stufenwelle zur Steuerung der Modulationsschaltung zu erzeugen, die sich periodisch ändern. In einer Ausführungsform mit einer einzigen Kathodenstrahlröhre oder einer Anzeigeeinrichtung mit lichtabgebenden Dioden wird ein zweidimensionales Bild eines ausgewählten ebenen Objektbereiches periodisch mit Grauskala abgebildet. In einer zweiten Ausführungsform mit einer Stereo-Sichtanzeige, wie beispielsweise zwei gleichzeitig betrachteten Kathodenstrahlröhren, werden mehrfache Bilder verschiedener ebener Bereiche in verschiedenen Tiefenlagen im Objekt koinzident in jeder Periode des akustischen Impulses abgebildet, um eine dreidimensionale Anzeige zu erhalten. Typische Anwendungsmöglichkeiten bestehen für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung und die medizinische Diagnose, wie dies bereits zuvor erwähnt wurde.

Figur 1 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht des akustischen Bildgerätes gemäß der vorliegenden Erfindung in seiner Verwendung zur Sichtdarstellung kleiner Fehlerstellen in einem Werkstück, die als Streustellen wirken, und zeigt in Form eines Blockschaltbildes die Verarbeitung der Ausgangsdaten zur Grauskalenanzeige zwecks Anzeige des Reflexionsgrades oder der Größe solcher Fehlerstellen.

Figur 2 ist ein Blockschaltbild eines einzigen Signalverarbeitungskanals, der einem einzelnen piezoelektrischen Meßfühler zugeordnet ist mit Möglichkeit zur Speisung und Auslesung in Binärform für die erfaßten Signale, und der Schaltung zur Erzeugung akustischer Impulse und der Schaltung zur Signalverarbeitung für die Anzeige. .-u-

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Figur 3 ist eine vereinfachte Darstellung der Hauptbestandteile des akustischen Abbildungsgerätes und der Schaltung zur Erzeugung einer Helligkeitsmodulation in einer zweidimensionalen Sichtanzeige.

Figuren 4a und 4b sind WellenformendarStellungen der komplementär ansteigenden und absteigenden gestuften Spannungswellenformen, welche periodisch für die Modulation des Senders und die Modulation der Anzeige verwendet werden.

Figuren 4c bis 4f sind Kurven, welche die zeitliche Lage und die relative Amplitude der auftreffenden akustischen Impulse und weiterhin der Echosignale zeigen, welche von den großen, mittleren und kleinen Streustellen oder Defektstellen erzeugt werden.

Figur 4g zeigt die Wellenform der binären Reihenausgangsdaten, welche durch Auslesen des akustischen Bildwandlers erhalten werden.

Figuren 4h bis 4j sind Wellenformen der modulierten Signale, die in Sequenz der Kathodenstrahlröhre oder einer anderen Anzeigeeinrichtung zugeführt werden, um die Bilder der großen, mittleren und kleinen Streustellen oder Defektstellen zu bilden.

Figur 5 ist eine schematische Darstellung unter Verwendung von Blockschaltbildern für die Verarbeitungseinheit für die Ausgangsdaten zur Stereo-Anzeige auf zwei gleichzeitig betrachteten Kathodenstrahlröhren.

Es folgt nachstehend eine Beschreibung der bevorzugten Aus.führungsformen. In dem akustischen Abbildungssystem, das in Figur schematisch dargestellt ist, werden sowohl das Objekt als auch das gesamte Gerät mit Ausnahme der Steuerschaltung und der Sisfcttanzeigeeinrichtung in einen Tank mit Wasser oder einer anderen geeigneten Flüssigkeit eingetaucht. Das Objekt ist eine Welle

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oder ein anderes festes Werkstück, das auf innere Defektstellen untersucht wird. Wie bereits erwähnt, besteht eine andere große Klasse von Anwendungsmöglichkeiten neben der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung in der Unter suchtung von biologischen Organen und Geweben. Das akustische Bildgerät wird im einzelnen in bezug auf die Sichtdarstellung des ungefähren Reflexionsgrades oder der Größe von relativ kleinen akustischen Heterogenitäten erläutert, die Abmessungen von weniger als einer Wellenlänge der auftreffenden akustischen Druckwellen besitzen, wie beispielsweise die verschiedene Abmessungen besitzenden Defektstellen 11a, 11b und lic, die nicht als spiegelnde Reflektoren, sondern als Rayleigh'sche Streubereiche wirken. Eine weitere Anwendung für das akustische Bildgerät mit variabler Empfindlichkeit und Möglichkeit zur Grauskalenanzeige zur Abschätzung der Orientierung oder akustischen Impedanz eines großen, spiegelnd reflektierenden Zielobjektes wird noch später erwähnt.

Bei der Verwendung des akustischen Bildgerätes werden akustische Energiestöße oder Impulse periodisch durch einen Sender-Wandler erzeugt und auf das Werkstück 11 gerichtet. Die reflektierten akustischen Echos von der Vorderseite und der Rückseite des Werkstückes 11 und die akustischen Echos von den inneren Diskontinuitäten 11a, 11b und lic werden zu verschiedenen Zeitpunkten nach dem Aussenden des akustischen Impulses erzeugt in Abhängigkeit von der Entfernung vom Sender. Diese akustischen Impulse besitzen typischerweise eine Folgefrequenz von 30 bis 1000 pro Sekunde, um ein genügend großes Zeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen zuzulassen, so daß akustische Echos im Innern des Objektes, dem mit Flüssigkeit gefüllten Tank und den verschiedenen Komponenten des Gerätes abklingen können. Die Folge von refelktierten akustischen Echos wird durch eine geeignete aku*- stische Fokussierungslinse 13 oder durch ein geeignetes Spiegelsystem (nicht gezeigt) fokussiert und trifft anschließend auf einen ebenen akustischen Bildwandler 14 mit einer zweidimensionalen Anordnung von akustischen Wandlern. Die Anordnung von akustischen Wandlern wandelt die räumliche Verteilung der auf einer Oberfläche derselben auftreffenden akustischen Druckwellen in

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eine entsprechende Anordnung von elektrischen Signalen um, die jeweils erfaßt und selektiv in Binärform in einem einstufigen oder mehrstufigen Schieberegister gespeidiert werden. Durch geeignete zeitliche Lage der Gatterung oder Torsteuerung der erfaßten elektrischen Signale in die Schieberegister mit Paralleleingang, bezogen auf die Aussendung jedes akustischen Impulses, werden elektrische Daten gespeichert, aus denen ein Bild von einem oder mehreren ebenen Bereichen in dem Objekt 11 gebildet werden kann, beispielsweise der Ebenen Pl, P2 und P3. Für eine dreidimensionale Anzeige werden mehrere Bilder an verschiedenen Tiefenlagen in dem Objekt innerhalb einer kurzen Zeitperiode benötigt. Im Interesse der Klarheit der Darstellung wird die bevorzugte Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Abbildung des einzigen Ebenenbereiches Pl in jeder akustischen Impulsperiode zur Bildung eines zweidimensionalen Bildes beschrieben.

Wenn die Abmessungen der akustischen Heterogenitäten 11a bis lic, die Hohlräume oder Risse in dem Metall sein können, klein genug sind, so daß sie im Rayleigh'sehen Streubereich liegen, dann folgen die aus der Streuung resultierenden akustischen Echosignale nicht dem Gesetz der spiegelnden Reflexion und neigen daher dazu, gleichfömig kugelförmige Wellenformen zu besitzen. Die Intensität der gestreuten akustischen Energie ist analog zur Streuung des Lichtes proportional der Auftreffintensität und dem Quadrat des Volumens des Streuobjektes. D.h. der Schalldruckpegel der Echosignale von einem großen Streuobjekt ist höher als von einem kleineren Streuobjekt. Die Basis zur Erzielung einer Grauskalenanzeige besteht darin, daß die Amplitude der akustischen Impulse in Sequenz in bekannter Weise abgeändert wird, anstatt wie zuvor üblich konstant gehalten zu werden, um in der Endauswirkung die Empfindlichkeit des Systems zu verändern. So erzeugen kleine Streuobjekte mit niedrigem Reflexionsgrad nur dann erfaßbare Echosignale, wenn die Amplitude des auftreffenden akustischen Impulses groß ist. Andererseits erzeugen große Streuobjekte mit hohem Reflexionsgrad erfaßbare Echosignale für aku-" stische Impulse mit niedriger Amplitude und auch mit höherer ' Amplitude. Dementsprechend wird die Amplitude der entsprechenden

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elektrischen Ausgangsdaten, welche der Anzeigeeinrichtung zugeführt werden, in eine komplementären oder gegenläufigen Weise wie die Amplitude der ausgesendeten Impulse geändert, um die Modulation der Helligkeit des entsprechenden Teils des Bildes auf der Anzeigeeinrichtung zu modulieren mit dem Endergebnis, daß die großen Streuobjekte helle Bilder ergeben und die kleinen Streuobjekte dunklere Bilder ergeben. In jedem Bildrahmen (Teilbild) (Einzelbild) für die akustischen Impulse werden gespeicherte binäre Daten in dem akustischen Bildwandler 14 in Reihe mit einer schnellen Taktfrequenz ausgelesen und einem Signalverarbeitungsgerät 16 zugeführt, das mindestens Vorkehrungen zur Modulation der Amplitude der binären Ausgangsdaten besitzt, bevor diese der Anzeigeeinrichtung 17 mit Grauskala zugeführt werden. Die Anzeigeeinrichtung 17 kann beispielsweise eine Kathodenstrahlröhre oder eine ebene Anordnung von lichtaussendenden Diodenelementen sein.

Es wird nunmehr Bezug genommen auf die Figur 2. Der akustische Bildwandler 14 enthält eine Wandleranordnung, bestehend aus piezoelektrischer Wandlerplatte 20, welche die akustischen Druckwellen in elektrische Potentialdifferenzen umwandelt, die zwischen ihren gegenüberliegenden Flächen erzeugt werden. Die Wandlerplatte 20 ist aus Blei-Zirkonat-Titanat oder einem anderen geeigneten Material hergestellt und besitzt einen kontinuierlichen metallischen überzug 21 auf ihrer äußeren Fläche und eine Vielzahl von allgemein quadratischen metallischen Kontakten 22 auf ihrer inneren Fläche. Alternativ kann sie eine Vielzahl von diskreten Kontakten auf jeder Fläche enthalten mit einer durchgeführten Verbindung oder einer anderen Einrichtung zur Erzeugung eines Leitungsweges vom vorderen zum rückwärtigen Kontakt. Die einzelnen Kontakte 22 aind in Spalten und Reihen angeordnet und enthalten beispielsweise eine 10 χ 10 Matrix von Untereinheiten, die jeweils ihrerseits eine 10 χ 10 Matrix von piezoelektrischen Meßfühlern enthalten, womit man eine Gesamtzahl von 10 000 Meßfühlern oder Abbildungsplätzen erhält. Akustische Spannungen,"" die auf die äußere Oberfläche der Platte 20 in Form einer räumlichen Verteilung reflektierter oder gestreuter akustischer

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Echosignale ausgeübt werden, erzeugen Spannungen zwischen den Kontakten 22 und dem leitenden Überzug 21, welche sich mit der ausgeübten akustischen Spannung ändern. Daher ist die Spannungsverteilung repräsentativ für die Verteilung der akustischen Druckwellen, welche auf der äußeren Fläche der piezoelektrischen Platte 20 auftreffen. Jedem einzelnen Meßfühler ist ein Signalverarbeitungskanal zugeordnet, von denen einer im einzelnen gezeigt und allgemein bei 23 bezeichnet ist, um eine zeitlich gesteuerte Verstärkung Punkt für Punkt sowie einen Pegelwertvergleich, eine binäre Speicherung und eine schnelle Auslesemöglichkeit für die gespeicherte Information zu erhalten. Jeder einzelne Signalverarbeitungskanal 23 enthält einen Eingangsverstärker und Detektor 24 für das Wandlersignal, der durchlässig gemacht oder zur Erzeugung eines Ausgangssignals nur dann befähigt wird, wenn ein Steuerstroboskopimpuls an seinem Steuereingangsanschluß oder Gittereingangsanschluß 24a zugeführt wird. Das Ausganngssignal ist eine binäre EINS oder NULL in Abhängigkeit davon, ob das erfaßte elektrische Signal und damit der auftreffende Schalldruckpegel oberhalb oder Unterhalb eines vorgegebenen Vergleichspegels liegt. Es sei angenommen, daß sich der Schalter 25 mit zwei Schaltstellungen in der Stellung Speicherung befindet. Dann wird ein Ausgangssignal für eine binäre EINS der ersten Stufe eines individuellen zugeordneten Schieberegisters 26 zugeführt. Zur Abbildung eines einzigen ebenen Bereichs Pl in dem Objekt ist ein Schieberegister mit einer Stufe ausreichend. Die zusätzlichen Stufen 2 und 3 werden jedoch benötigt, um in Sequenz Daten für die anderen ebenen Bereiche P2 und P3 für eine Stereo-Anzeige mit Tiefenwahrnehmung zu speichern und zu verschieben. Um eine binäre Speicherung zu erhalten, können die einzelnen Schieberegister 26 in Reihe verbunden werden, um in der Endauswirkung ein langes Schieberegister für die Serienauslesung der gespeicherten Information zu bilden. Dies wird gegen Ende der akustischen Impulsperiode durch Betätigung des Schalters 25 bewirkt, welcher ein Pestkörperschalter sein kann, und zwar in seiner Stellung "Datenausgabe", um hierdurch die letzte Stufe des vorhergehenden

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Schieberegisters mit der ersten Stufe des folgenden Schieberegisters zu verbinden. Dies ist schematisch durch die Verbindung von zusätzlichen Signalverarbeitungskanälen 23· dargestellt, die anderen Wandlern in der Anordnung zugeordnet sind. Die Auslesetaktimpulse werden parallel über ein Leiternetzwerk 27· allen Schieberegistern zugeführt, um in Sequenz ein Verschieben der gespeicherten Daten von einem Schieberegister in das nächste usw. zu bewirken. Da Taktimpulsfolgefrequenzen bis zu 10 Megahertz möglich sind, kann der Auslesezyklus sehr kurz sein. Anstelle einer einzigen Datenausgangsleitung von der letzten Stufe aller Schieberegister für die gesamte Wandleranordnung kann die Information auch parallel von verschiedenen Unteranordnungen ausgegeben werden.

Eine typische Anordnung der übrigen elektronischen Schaltung ist ebenfalls in Form eines Blockschaltbildes in Figur 2 enthalten. Ein Synchronisierungsgenerator 30 stellt die Periode für die akustischen Impulse ein und gemäß der Erfindung wird sein Ausgang durch einen Transmittermodulator 31 geführt, in dem das Signal während η-Zyklen amplitudenmoduliert wird. Vorzugsweise geschieht dies durch Verminderung des Signals in einem konstanten Verhältnis, so daß die Änderung in Dezibel pro Stufe ausgedrückt werden,kann. Das amplitudenmodulierte.Ausgangssignal wird einem Impulsgenerator 32 zur Erzeugung kurzer Impulse elektrischer Wellen zugeführt, die üblicherweise bei Frequenzen im Bereich von 500 kHz bis 20 Megahertz liegen. Der Impulsgenerator 32 erzeugt eine Folge von beabstandeten periodisch amplitudenmodulierten elektrischen Erregersignalen für den Sender-Wandler 12. Der Sender 12 ist ζweckmäßigerweise ein Wandler, welcher die wiederholte Folge von akustischen Impulsen erzeugt, die in Sequenz amplitudenmoduliert sind, sich durch die Flüssigkeit fortpflanzen und auf das Objekt 11 auftreffen. Der Synchronisationsgenerator 30 koordiniert auch noch die zeitliche Lage der Steuer- und Auslesetaktimpulse für einen Signalverarbeitungskanal 23 in dem akustischen Bildwandler 14. Beispielsweise werden die Synettronisationsimpulse einem Generator 33 für variable Verzögerung zugeführt, der zur zeitlichen Festlegung der Betätigung eines

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Steuer- und Auslesetaktimpulsgenerators 34 benutzt wird. In dieser Anordnung stellt der Leiter 27 eine Verbindung zum Steuereingangsanschluß 24a des Meßverstärkers und Detektors 24 her und getrennte Leiter 27' stellen die Verbindung zu jeder Stufe des Schieberegisters 26 her. Gemäß der Erfindung wird das Ausgangssignal des Synchronisierungsgenerators 30 auch noch einem Anzeigemodulator 35 zugeführt, in dem die binären Serienauslese- - _ daten periodisch während n-zyklen amplitudenmoduliert werden, und zwar in einer entsprechenden gegenläufigen Weise. Die amplitudenmodulierten Ausgangsdaten erzeugen ein helligkeitsmoduliertes Bild in der Anzeigeeinrichtung 17, wie dies zuvor erläutert wurde.

Die Arbeitsweise des akustischen Bildwandlergerätes mit Möglichkeit zur Darstellung in Grauskala wird unter Bezugnahme auf das vereinfachte Blockschaltbild der entsprechenden Bauteile des Systems nach Figur 3 und der typischen Wellenform- und Taktimpulskurven nach den Figuren 4a bis 4j weiter erläutert. Aus den Figuren 4a und 4b ist ersichtlich, daß der Synchronisierungsgenerator 30 zwei gestufte Spannungswellenformen erzeugt, die jeweils η-Stufen besitzen und untereinander synchron sind, jedoch einen entgegengesetzten Verlauf besitzen. Die absteigende gestufte Spannung (Figur 4a) wird dem Sendermodulator 31 zugeführt, während die komplementäre aufsteigende gestufte Spannung (Figur 4b) dem Anzeigemodulator 35 zugeführt wird. Für den dargestellten Fall ist η = 3 und im allgemeinen ist η eine geeignete ganze Zahl. Es wird die Annahme getroffen, daß die Bilder in Realzeit wiedergegeben werden, obwohl im allgemeinen eine Verzögerung vor Einspeisung der Ausgangsdaten zur Anzeigeeinrichtung 17' vorhanden sein kann, die hier als Kathodenstrahlröhre gezeigt ist, und es lediglich notwendig ist, daß die modulierenden Spannungen koordiniert sind.

Der Sendermodulator 31 moduliert die Amplitude der vom Impulsgenerator 32 zur Anregung des Sender-Wandlers 12 erzeugten akustischen Impulse. Wie in Figur 4c gezeigt, besitzt die Folge .akustischer Energie impulse, wie sie vom Sender 12 erzeugt wird, efinen gleichen Abstand mit der Periode T, wobei die Amplituden während

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η-Zyklen abnehmen und automatisch am Ende des η-ten Zyklus auf den Ausgangswert eingestellt werden. Die Amplitude der Echosignale, welche sich aus der Streuung an den Rayleigh'sehen Streubereichen 11a bis lic mit verschiedener Größe ergibt, ist abhängig von der Amplitude des auftreffenden akustischen Impulses und dem Reflexionsgrad oder der Größe des Streubereiches. Aus der Betrachtung der drei gestrichelten akustischen Strahlen nach Figur 3 ergibt sich, daß die Echosignale, welche von der großen Defektstelle oder akustischen Heterogenität lla, der Defektstelle 11b mit mittlerer Größe und der Defektstelle lic mit kleiner Abmessung erzeugt werden, durch die Linse 13 fokussiert werden und von getrennten piezoelektrischen Wandlern in der akustischen Bildwandler-Meßfühleranordnung erfaßt werden. In den drei Taktkurven der Figuren 4d, 4e und 4f stellt die horizontale gestrichelte Linie den Vergleichspegel des Meßverstärkers und Detektors 24 dar, der jedem einzelnen Meßfühler zugeordnet ist. Daher wird im Schieberegister 26 eine binäre EINS gespeichert, wenn die Amplitude des erfaßten Echosignals den Pegelwert 37 übersteigt, und es wird eine binäre NULL für Echoamplituden unterhalb dieses Wertes gespeichert. Die erfaßten Echosignale, welche von der großen Defektstelle lla erzeugt werden (s. Figur 4d), besitzen eine ausreichend große Amplitude und übersteigen den Vergleichspegel 37 in jeder der drei aufeinanderfolgenden Perioden entsprechend der Folge von drei amplitudenmodulierten akustischen Impulsen. Die Amplitude der erfaßten Echosignale, die an der Defektstelle 11b mit mittlerer Abmessung gestreut werden (s. Figur 4e), ist so groß, daß das dritte Echo in jeder Folge der von drei Echosignalen unterhalb des Vergleichspegels 37 liegt, während die von der kleinen Defektstelle lic erzeugten Echos relativ schwach sind, so daß das erfaßte Signal in der zweiten und dritten Periode der Folge unterhalb des Vergleichspegels 37 liegt.

Figur 4g zeigt die binären Serienauslesedaten, die durch Verbindung aller einzelnen Schieberegister 26 als ein einzelnes langes Schieberegister erzeugt werden. In.jedem Satz von drei Perioden, während dem die Empfindlichkeit des Systems fortschreitend verringert wird, beträgt die Auslesung in der ersten Periode drei

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binare EINSEN, in der zweiten Periode zweimal die binäre EINS und in der dritten Periode nur eine binäre EINS. Die synchronisierte aufsteigende gestufte Spannung nach Figur 4b wird dem Anzeigemodulator 35 zugeführt und ist wirksam zur periodischen Modulation der Amplitude der binären Ausgangsdaten, welche in Serie der Kathodenstrahlröhre 17' zugeführt werden. Wie an sich bekannt, bestimmt der Gleichspannungspegel der dem Helligkeitssteuerelement der Kathodenstrahlröhre zugeführten Datenbitinformation die Helligkeit der entsprechenden Bildstelle auf dem Schirm der Kathodenstrahlröhre, wie sie vom menschlichen Auge gesehen wird. In Figur 3 stellen die helligkeitsmodulierten Bildstellen 11a', 11b' und lic' jeweils die Bilder der drei Streubereich oder Defektstellen 11a, lib und lic dar. Die Figur 4h zeigt die amplitudenmodulierten Ausgangsdaten, die zur Erzeugung der hohen Bildhelligkeit lla¹ des großen Streubereiches 11a verwendet werden. Da die Amplitude des erfaßten Echosignals den Vergleichspegelwert in allen drei Perioden des Satzes übersteigt, wird ein Bild auf dem Schirm der Kathodenstrahlröhre in jeder der drei Perioden erzeugt, wobei sich die Helligkeit in der zweiten und dritten Periode in Stufen infolge der Modulation durch die in Figur 4b gezeigte Spannung erhöht. Diese Bilder werden zwar in Sequenz wiedergegeben, sie werden jedoch auf dem Schirm der Kathodenstrahlröhre überlagert und durch das Auge oder den fotografischen Film integriert. In analoger Weise (s. Figur 4i) werden Bilder 11b¹ mit niedrigem und mittlerem Wert der Helligkeit nur in der ersten und zweiten Periode erzeugt und in der ersten Periode jedes Satzes von drei Perioden wird nur ein einziges Bild lic' mit geringer Helligkeit erzeugt (s. Figur 4j). Obwohl die drei Bilder in Figur 3 mit verschiedener Qröße wiedergegeben sind, besitzen die Bildflecke auf dem Schirm etwa die gleiche Größenabmessung und die Helligkeit ergibt einen Schätzwert der Größe des Streubereiches oder der Defektstelle in dem Objekt.

In der zweiten Ausführungsform der Erfindung, die unter Bezugnahme auf die Figuren 2 und 5 erläutert wird, ist eine Grau-· skalenanzeigemoglichkeit in Realzeit in Form einer kontinuierlichen Stereo-Sichtanzeige mit Tiefenwahrnehmung vorgesehen.

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Anstelle eines zweidimensionalen Bildes für jede akustische Impulsperiode werden mehrere Ebenen in verschiedenen Tiefenlagen in dem Objekt koinzident auf zwei gleichzeitig betrachteten Kathodenstrahlröhren wiedergegeben, um einen dreidimensionalen Effekt zu erzeugen. Wie zuvor erwähnt, wird ein Mehrstufenschieberegister 26 benötigt, wobei die Anzahl der Stufen mindestens gleich der Anzahl von Ebenenbereichen in verschiedenen Tiefenlagen im Objekt ist, die koinzident in jedem zeitlichen Rahmen jedes akustischen Impulses dargestellt werden sollen, wie beispielsweise die Ebenen Pl, P2 und P3 in Figur 1. Während des Eingangszyklus jedes einzelnen Signalverarbeitungskanals (Figur 2) wird eine Folge von Steuerimpulsen mit richtiger zeitlicher Lage parallel dem Meßverstärker und Detektor 24 und jeder Stufe des Schieberegisters zugeführt. Infolgedessen werden binäre Daten in die erste Stufe eingelesen und dann gleichseitig durch das Schieberegister geschoben mit dem anschließenden Einlesen weiterer Daten in die erste Stufe. Während des Auslesezyklus ist die Arbeitsweise die gleiche wie zuvor, wobei alle einzelnen Schieberegister in Form eines einzigen langen Schieberegisters verbunden sind, durch welche die gespeicherten binären Daten verschoben und in Reihe an der letzten Stufe des letzten einzelnen Schieberegisters ausgegeben werden.

Es wird nunmehr auf die Figur 5 Bezug genommen. Die binären Ausgangsdaten werden in einen Gedächtnisspeicher 15 eingelesen, um eine Decodierung und Trennung der Information für mehrere Ebenen zu ermöglichen. In jeder akustischen Impulsperiode werden die Ausgangsdaten für die entsprechenden Objektebenen Pl, P2, P3 gleichzeitig einer linken Signalverarbeitungseinheit l6a und einer rechten Signalverarbeitungseinheit 16b zugeführt, bevor sie der linken bzw. rechten Kathodenstrahlröhre 17'a und 17^!b zugeführt werden. In der linken Verarbeitungseinheit 16a werden die Serienausgangsdaten weiter verarbeitet, um eine seitliche Verschiebung der in Sequenz erzeugten Bilder Pl¹, P2' und P3' nach rechts zu erhalten, welche der verschiedenen Tiefenlage im Ob-n. jekt entspricht. Wahlweise werden die Daten in Sequenz verarbeitet, um die Größe der Bilder zu verringern, wie dies dargestellt ist. Die Verarbeitungseinheit l6a kann auch noch die Funktion

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des Anzeige—inodulators ergeben, wobei dann die binären Ausgangsdaten amplitudenmoduliert werden, um eine entsprechende Helligkeitsmodulation jedes Bildes in einer verschiedenen Tiefenlage zu erhalten. In der rechten Verarbeitungseinheit l6b bewirkt die Datenverarbeitung eine seitliche Verschiebung in Sequenz nach links, eine fortschreitende Größenverringerung und die Helligkeitsmodulation in der gleichen Weise, wie dies zuvor erläutert wurde. Die Verarbeitung der Daten zur Helligkeitsmodulation ist in dem linken und rechten Kanal identisch. Mit Hilfe einer mittleren Scheidewand werden die beiden Kathodenstrahlröhren jeweils getrennt durch das linke bzw. das rechte Auge betrachtet, um eine dreidimensionale Anzeige zu erhalten.

Zusammengefaßt kann festgestellt werden, daß das vorstehend beschriebene akustische Abbildungsgerät so betrieben wird, daß man eine Sichtdarstellung in Grauskala erhält, bei der die Helligkeitsmodulation in Beziehung zum Reflexionsgrad der inneren Heterogenitäten steht. Das Gerät kann dazu benutzt werden, die Größe von kleinen Zielobjekten oder Heterogenitäten zu schätzen, welche Abmessungen von weniger als einer Wellenlänge der auftreffenden akustischen Energie besitzen, und im Falle von großen spiegelnd reflektierenden Zielobjekten oder Heterogenitäten kann es zu einer Schätzung der. Winkellage und der akustischen Impedanz des Zielobjektes dienen. Die Amplitude des Echos ist eine Punktion des Winkels des auftreffenden Strahls zur Ebene der Zielobjektoberfläche, d.h. die Amplitude des Echos ist groß, wenn der auftreffende Strahl einen rechten Winkel mit der Zielobjektoberfläche bildet und wird mit Verringerung des Winkels fortschreitend kleiner. Im Suchbetrieb werden der Sender-Wandler oder die Wandler räumlich so lange bewegt, bis man die maximale Amplitude des Echos erfaßt und die Winkellage des Zielobjektes wird auf diese Weise geschätzt. Ein gutes Beispiel der Abschätzung der akustischen Impedanz in der Anwendung auf die medizinische Diagnostik ist der Fall, in dem das Zielobjekt ein Tumor ist. In diesem Falle ist der Reflexionsgrad manchmal abhängig von der_l; Natur des Tumors.

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Claims

Patentansprüche

Akustisches Abbildungsgerät mit Grauskalenanzeige, gekennzeichnet durch: Einrichtungen (12) zur periodischen Erzeugung von akustischen Impulsen, die auf ein Objekt (11) gerichtet sind und von einer akustischen Heterogenität in einem ebenen Objektbereich reflektiert werden zur Erzeugung einer Folge von akustischen Echosignalen mit verschiedener Intensität in Abhängigkeit von Reflexionsgrad der Heterogenität und der Amplitude des akustischen Impulses,

akustische Bildwandlereinrichtungen (lIj) und Steuereinrichtungen (30), bestehend aus einer Anordnung (20) von Wandlern und Signalverarbeitungskanälen (23) zur individuellen Erfassung der akustischen Echosignale und zur periodischen Erzeugung und Auslesung von binären Ausgangsdaten für die Anordnung (20), welche die Amplituden der erfaßten Echosignale oberhalb und unterhalb eines vorgegebenen Vergleichspegels darstellen, Einrichtungen (3D zur Änderung der Amplitude der akustischen Impulse und in entsprechend gegenläufiger Weise zur Änderung der Amplitude der periodisch ausgelesenen binären Ausgangsdaten zur effektiven Änderung der Empfindlichkeit des Gerätes und eine visuelle Anzeigeeinrichtung (17) zur periodischen Anzeige oder Widergabe der Ausgangsdaten variabler Amplitude zur Erzeugung von Bildern mit einer Helligkeit als Anzeige des Reflexionsgrades der Heterogenität.
2. Akustisches Abbildungsgeräte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß durch die Einrichtung (3D zur gegenläufigen Änderung der Amplitude der akustischen Impulse und binären Ausgangsdaten eine Folge von akustischen Impulsen mit einer variablen Amplitude gemäß einem vorgegebenen Verlaufsmuster erzeugbar ist, wobei die Amplituden der binären Ausgangsdaten entsprechend in gegenläufiger Weise geändert sind. .π-

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3. Akustisches Abbildungsgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die wiederholte Folge von akustischen Impulsen variabler Amplitude und binärer Ausgangsdaten fortschreitende Amplitudenänderungen in Dezibelstufen besitzen.
4. Akustisches AbbiIdungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß jeder einem der Wandler in der akustischen Bxldwandlerexnrichtung zugeordnete Signalverarbeitungskanal (23) einen Meßverstärker und Detektor (24) umfaßt zur Erzeugung eines Ausgangssignals, wenn jedes in Sequenz erfaßte Echosignal oberhalb des Vergleichspegels ist, sowie ein einzelnes einstufiges Schieberegister (26) zur Speicherung der Ausgangssignale des Meßverstärkers und Detektors (24) als binäre Daten, und Einrichtungen (27) zur Reihenverbindung der einzelnen Schieberegister (26) zur Auslesung der gespeicherten Daten als binäre Ausgangsdaten, wobei die Sichtanzeigeeinrichtung (17) eine einzige Anzeigeeinrichtung zur periodischen Wiedergabe von zweidimensionalen Bildern des ebenen Objektbereiches besitzt.
5. Akustisches Abbildungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß jeder einem der Wandler in der akustischen Bxldwandlerexnrichtung zugeordnete Signalverarbeitungskanal (23) einen Meßverstärker und Detektor (24) zur Erzeugung eines Ausgangssignals besitzt, wenn jedes in Sequenz erfaßte Echosignal oberhalb des Vergleichspegels ist, sowie ein einzelnes Mehrstufen-Schieberegister (26) zur Speicherung und sequenzmäßigen Verschiebung der Ausgangssignale des Meßverstärkers und Detektors (24) als binäre Daten und Einrichtungen zur Reihenverbindung der einzelnen Mehrstufenschieberegister zum Auslesen der gespeicherten Daten als binäre Ausgangsdaten, wobei die visuelle Anzeigeeinrichtung eine visuelle Stereo-Anzeige (17»a, 17 ^fb) zur periodischen und koinzidenten Anzeige von mehrfachen Bildern einer Vielzahl der _ti.. ebenen Objektbereiche an verschiedenen Tiefenlagen im Objekt besitzt.

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6. Akustisches Abbildungsgerät mit einer Grauskalenanzeige zur Abschätzung des Reflexionsgrades von inneren Heterogenitäten in einem Objekt, gekennzeichnet durch: Einrichtungen (12) zur Erzeugung einer wiederholten Folge von periodisch gesteuerten akustischen Impulsen, welche in jeder Serie gestuft amplitudenmoduliert und auf ein zu untersuchendes Objekt gerichtet sind,

eine .Fokussierungseinrichtung (13) zur Fokussierung einer Folge von akustischen Echosignalen, die durch Reflexion an einer akustischen Heterogenität (11a, 11b, lic) im Innern des Objektes (11) erzeugt sind und verschiedene Intensität in Abhängigkeit vom Reflexionsgrad der Heterogenität und der Amplitude der entsprechenden akustischen Impulse besitzen, eine akustische Bildwandlereinrichtung und Gattereinrichtung (30) für dieselbe, wobei die Bildwandlereinrichtung eine ebene Anordnung (20) von Wandlern umfaßt, die jeweils die fokussierten Echosignale in ein variables elektrisches Signal umwandeln, sowie eine Vielzahl von Signalverarbeitungskanälen (23), die jeweils mit einem der Wandler verbunden sind und einen Meßverstärker und Detektor (24) zur Erzeugung eines Ausgangssignals enthalten, wenn die Amplitude des erfaßten Echosignals oberhalb eines vorgegebenen Vergleichspegels liegt, und weiterhin ein einzelnes Schieberegister (26) zur Speicherung der Ausgangssignale, als binäre Daten und Einrichtungen (27) zur Reihenverbindung der einzelnen Schieberegister zur periodischen Auslesung der gespeicherten Daten als binäre Ausgangsdaten, eine Signalverarbeitungseinrichtung für die binären Ausgangsdaten einschließlich Einrichtungen (35) zur periodischen Modulation der Amplitude der binären Ausgangsdaten gegenläufig zur modulierten Amplitude der akustischen Impulse in jeder wiederholten Folge und eine visuelle Anzeigeeinrichtung (17) zur periodischen Anzeige der amplitudenmodulierten Ausgangsdaten zur Erzeugung von Bildern mit einer Helligkeit als Anzeige des Reflexionsgrades der Heterogenität.
7. Akustisches Abbildungsgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung (12) zur

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Erzeugung einer wiederholten Folge von periodisch gesteuerten akustischen Impulsen, welche abgestuft amplitudenmoduliert sind., die Steuereinrichtung (30) für die akustische Bildwandlereinrichtung (20) und die Einrichtung (35) zur gegenläufigen Modulation der Amplitude der binären Ausgangsdaten alle koordiniert sind durch einen Synchronisationsgenerator (30).
8. Akustisches Abbildungsgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung zur Erzeugung einer wiederholten Folge von periodisch gesteuerten akustischen Impulsen, welche abgestuft amplitudenmoduliert sind, und die Einrichtung (35) zur gegenläufigen Modulation der Amplitude der binären Ausgangsdaten durch synchronisierte komplementäre abgestufte Spannungswellen gesteuert sind,
9. Akustisches Abbildungsgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die einzelnen Schieberegister (26) jeweils eine einzige binäre Speicherstufe besitzen und die Sichtanzeigeeinrichtung eine einzige Kathodenstrahlröhre (17) zur periodischen Wiedergabe eines helligkeitsmodulierten Bildes eines ausgewählten ebenen Bereichs innerhalb des Objektes ist.
10. Akustisches Abbildungsgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die einzelnen Schieberegister (26) jeweils eine Vielzahl von binären Speieherstufen zur Speicherung und Verschiebung von in Sequenz erzeugten Ausgangssignalen des Meßverstärkers und Detektors (24) besitzen und die visuelle Anzeigeeinrichtung eine visuelle Stereo-Anzeige ist, die ein Paar von Kathodenstrahlröhren (17^fa, 17'b) zur periodischen und koinzidenten Anzeige von helligkeitsmodulierten mehrfachen Bildern einer Vielzahl von ebenen Objektbereichen in verschiedenen Tiefenlagen im Innern des Objektes umfaßt.

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