DE2552643C3 - Ultraschallwandler - Google Patents
UltraschallwandlerInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen
Gattung. Derartige Ultraschallwandler lassen sich sowohl als Ultraschallsender wie auch als Ultraschallempfänger
einsetzen.
Man unterscheidet zwischen Ultraschallwandlern des Ringtyps und solchen des Flächentyps. In Fig. 1
ist ein bekannter Ultraschallwandler 1 des Ringtyps gezeigt, der an einer beliebigen Stelle mit einer Elektrode
2 versehen ist. Als piezoelektrisches Material ist bei dem Ultraschallwandler 1 beispielsweise gesin-
■5 tertes Blei-Titanat-Zirkonat verwendet, und der Ring
mag einen Radius rvon IOcm und eine Breite D von
1 mm haben.
Unter der Voraussetzung, daß die Breite P des Rings wesentlich kleiner ist als der Durchmesser 2r
ίο des Ultraschallwandlers (was bei den oben angegebenen
Werten der Fall ist), sind alle Wellenfronten auf
der Achse dieses ringförmigen Ultraschalilwandlers in Phase und verstärken daher einander durch Interferenz.
Demgegenüber weisen Wellenfronten an Stellen
r> außerhalb der Wandlerachse zueinander entgegengesetzte
Phasen auf, so daß sie aufgrund der Interferenz einander auslöschen. Ein Ultraschallwandler des
Ringtyps vermag daher längs der Wandlerachse ein dünnes Ultraschall-Strahlungsbündel zu erzeugen.
Daher eignet sich ein derartiger Ultraschallgeber zur Erzeugung von Ultraschallwellen mit kleiner Bundeibreite.
Eines der Anwendungsgebiete für derartige Ultraschallwandler besteht in der Diagnose, wo es
beispielsweise darauf ankommt, in einer Eindringtiefe
2r> von 30 cm ein Strahlenbündel mit einer Breite von
etwa 1 bis 3 mm zur Verfugung zu haben, um eine möglichst hohe Auflösung zu erreichen.
Wegen der oben erläuterten hohen Richtwirkung ist der Ultraschallwandler des Ringtyps demjenigen
jo des Flächentyps, hei-ism die abstrahlende Fläche von
einer flachen oder konkaven Scheibe gebildet wird, weit überlegen. Dagegen weist der Ultraschallwandler
des Ringtyps gegenüber dem Ultraschallwandler des Flächentyps die nachstehenden Nachteile auf, deret-
r> wegen er in der Praxis nur wenig Verwendung gefunden
hat:
(1) Wegen der durch die sphärische Ausbreitung hervorgerufenen Dämpfung is! die Empfindlichkeit
bei großen Eindringtiefen uirht zufriedenstellend.
(2) Bei der Arbeit in gewissen Ausbreitungsmedien wird /wischen den Ultraschallwandler und das
Medium eine Paste gebracht; ist der Kontakt /wischendem Ultraschallwandler und dem Aus-
4-, breitungsmedium infolge von Luftblasen und
dergleichen in der Paste schlecht, so wird die Ausrichtung des Strahlenbündels gestört.
(3) Die Strahlungscharakteristik weist Nebenkeulen hoher Amplitude auf.
Aus der deutschen Offcnlegungsschrif t 2 025 T-)4 ist
ein Ultraschallwandler der eingangs angegebenen Gatt'ing bekannt. Dieser Ultraschallwandler stellt insofern
einen Mischtyp aus dem bekannten Ultraschallwandler des Ringtyps und dem des Flächentyps
dar, da er mit einer sattelförmigen Wandlerfläche arbeitet, so daß sich in Richtung ihrer konkaven Wölbung
eine Bündelung, in Richtung ihrer konvexen Wölbung dagegen eine Streuung der von der Flache
abgestrahlten Ultraschallwellen ergibt. Die durch die
6ς konkave Wölbung hervorgerufenen Konvergen/-punkte
der Ultraschallwellen beschreiben dabei einen geometrischen Ort, der einen der konvexen Wölbung
der Wandlerfläche entsprechend verlaufenden Bogen bildet. Bei Verwendung dieser Flächenkonfiguration
als Ultraschallsender verlaufen die Ultraschallwellen durch den genannten Bogen strahlenförmig
nach außen, wodurch die bei der bekannten Vorrichtung beabsichtigte Streuung der Energie er-
reicht wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschallwandler zu schaffen, der außer der ausgezeichneten
Richtwirkung des Ultraschallwandlers vom Ringtyp eine zufriedenstellende Empfindlichkeit
hei großen Eindringtiefen besitzt und bei dem die Strahlenbündelausrichtung ungestört ist.
Die Lösung dieser Aufgabe ist im Kennzeichen des Patentanspruchs i angegeben. Danach ist die die Ultraschallwellen
abstrahlende bzw. aufnehmende Fla- ln
ehe so gestaltet, daß eine Ausbreitungscharakteristik der Ultraschallwellen ähnlich wie bei einem Wandler
des Ringtyps erreicht wird, obwohl das aktive Element
eine kontinuierliche Fläche ist. Dadurch wird einerseits die hohe Richtwirkung des Ultraschaüwandlers Ι5
vom Ringtyp erreicht, gleichzeitig aber die bei den bekannten Ultraschallwandlern dieses Typs auftretende
Nebenkeule und damit die Energiestreuung verringert.
Aus der deutschen Offenlegungsschrif 12 244 762 ist -"
ferner eine Vorrichtung bekannt, bei der mehrere ebene Flächenwandler derart angeordnet sind, daß die
von ihnen abgestrahlten Ultraschallwellen konvergieren.
Zum einen handelt es sich dort jedoch nicht um eine kontinuierliche aktive Fläche, zum anderen findet ^r>
die Konvergenz nicht längs eines Kreises statt, so daß diese Druckschrift von der Erfindung weit entfernt
ist.
Ähnlich handelt es sich auch bei der Anordnung nach der deutschen Offenlegungsschrift 22021JS1J um
mehrere diskrete Wandlerelemente und nicht um eine kontinuierliche ultraschallaktive Fläche, und es wird
auch dort mit einer Konvergenz in einem Punkt, nicht in einem Kreis, gerarbeitet. Aus den obigen Darlegungen
haben diese bekannten Anordnungen mit Γι punktföirmiger Konvergenz nicht die bei dem erfindungsgemäßen
Ultraschallwandler vorhandene hohe Richtwirkung.
Bevorzugte Ausführungsbeispielc der Erfindung ■ werden nachstehend anhand der Zeichnungen näher
erlauteri:. Es zeigt
Fig. 1 .auf die oben schon Bezug genommer» wurde, einen Ultraschallwandler des Ringtyps in Aufsicht,
Fig. 2 A uns 2B in Aufsicht bzw. im Querschnitt einen Wandler vom Flächentyp, der bei dem erfin- 4>
dungsgemäßen Ultraschallgeber verwendet wird,
Fig. 3 A und 3 B in Aufsicht bzw. im Querschnitt einen weiteren Wandler νο,τι Flächentyp, der beim
erfindungsgemäßen Ultraschallgeber verwendet wird,
Fig. 4 ein Diagramm mrt Kenn- und Meßwerten
für die in den Fig. 2 A und 2 B dargestellte Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 5 und 6 eine Ausführungsform der Erfindung,
bei der eine akustische Linse mit dem Wandler vom Flächentyp zusammenwirkt. r>
Fig. 7 ein Diagramm mit den Kenn- und Meßwerten für die in Fig. Λ dargestellte Ausführungsform der
Erfindung,
Fig. H den tatsächlichen konstruktiven Aufbau der
in Fig. fi dargestellten Ausführungsform, ^Q
Fig. 9 ein Diagramm mit den Kenn- und Meßwerten, die hei dem in Fig. 8 dargestellten Aufbau auftreten,
Fig. lÜAund lüB weitere Ausführungsformen der
Erfindung und
Fig. 11 ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 2Azeigt in Aufsicht einen konkaven Wandler, der als Wandler vom Flächentyp ausgebildet ist und
den Ultraschallgeber bei der vorliegenden Erfindung bildet. In Fig. 2 A ist ein Punkt O1 der Mittelpunkt
eines Kreises C2 und eines gestrichelt dargestellten
Kreises CY, der den tiefsten Teil der Vorderfläciie des Kreises C, angibt. In Fig. 2B ist der in Fig. 2 A
in Aufsicht dargestellte konkave Wandler im Querschnitt dargestellt, wobei die Querschnittsfläche in
beliebiger Weise liegt, jedoch durch den Mittelpunkt O2 geht. Wie aus diesen Figuren ersichtlich ist, wird
bei dem konkaven Wandler die Höhe (bezüglich des Kreisbereiches CV) niedriger, wenn der Abstand vom
Mittelpunkt O1 größer und der Abstand vom Kreis
CV kleiner wird, wobei die Höhe auf dem Kreis CV am niedrigsten ist. Die Höhe wird größer, wenn der
Abstand vom Kreis CY nach außen hin größer wird bzw. wenn der Abstand vom Kreisumrang C2 kleiner
wird, wobei die Höhe am Kreisumfang des Wandlers am größten ist (die Höhe am Kreisumfang weist dann
dieselbe Höhe wie am Mittelpunkt O <uf). Mit anderen
Worten besitzt der konkave Wandler "inen Vorsprung im Mittelpunkt O1 (wobei die Höhe des Vorsprungs
gleich der Höhe des Umfangsbereiches ist). Wie in Fig. 2B dargestellt ist. weist der konkave
Wandler i'.e Form eines Rotationskörpers auf, wobei
die um die Achse des Wandlers rotierende Bogenfläche aus zwei paarweise angeordneten, konkaven Bogen
besteht. In Fig. 2B sind die Achse des Wandlers mit l-V und die Krümmungsmittelpunkh; der jeweiligen
konkaven Bogenflächen mit A und A' bezeichnet. Der geometrische Ort der Krümmungsmittelpunkte
bildet vor der Vorderfläche des konkaven Wandlers einen Ring, dessen Achse die Gerade I-Γ ist, die zwischen
den Krümmungsmittelpunkten A und A' verläuft (die Pfeile in I-ig. 2 B sind auf die Vorderseite
oder auf die in der Figur von den konkaven Bögen rechts liegende Seite gerichtet, die als Vorderseite des
Wandlers bezeichnet werden soll).
Bei einem solchen konkaven Wandler konvergieren die auf der Vorderfläche des Wandlers erzeugten Ultraschallwellen
in den Krümmungsmittelpunkten A und A'. Daher entsprechen die Wellenfronten, die von
einem Ultraschallgeber mit Krümmungsradien ausgesandt werden, den Wcllenfronten, die von einem
Wandler vom Richttyp erzeugt werden. Mit anderen Worten erzeugt der Ultraschallgcber, der einen
Wandler mit der zuvor beschriebenen konkaven Oberfläche aufweist, einen Ultiaschallstrahl. der
gleich dem eines Ultraschallgebers ist, hei dem ein Wandler vom Ringtyp verwendet wird.
Der in Fig. 2 A dargestellte konkave Wandler wird in der vorgegebenen Form durch Sintern mit Blei-Titanat-Zif-onat
gebildet, wobei die in Fig. 2 B dargestellte Qrersehnittsdicke 1 mm beträgt. Dieser Wandler
erzeugt Ultraschallwellen mit Frequenzen bis /u 5 MHz.
Der Wandler vom Flächentyp für den erfindungsgemäßen Ultraschallgeber kann beispielsweise dadurch
hergestellt werfen, daß ein allgemein bekanntes piezoelektrisches Material, beispielsweise Blei-Titanat-Zirconat
(PZT), Quarz, Lithiumsulfat (LiSO4), Lithiumniobat (LiNbO3) usw. in einer vorgegebenen
Gestalt geformt sind, und daß Metallelektroden aus Gold oder einem anderen Material auf beiden Obcflächen
des Formkörper aufgebracht werden.
In Fig. 3 A ist in Aufsicht ein konvexer Wandler vom Flächentyp dargeteilt, der den Ultraschallgeber
gemäß der Erfindung bildet. In Fig. 3 A ist O, der
Mittelpunkt eines Kreises C3 und eines gestrichelt
dargestellten Kreises C3'. Der auf dem gestrichelt dar
gestellten Kreis C3' liegende Bereich weist eine gc*
fingere Höhe auf als der Umfangsbereich auf dem Kireis C3. In Fig. 3B ist der in Fig. 3 A dargestellte ■'>
konvexe Wandler im Querschnitt gezeigt, wobei die Querschnittsebene willkürlich gelegt ist, jedoch durch
den Mittelpunkt O3 geht. In Fig. 3 B ist die Wandlerachse
durch die gerade Linie 1-1' und die Krümrnüngsfnittelpunkte
der in den entsprechenden konvexen Bogenflächen durch die Punkte B und B'
deutlich gemacht. Wie aus diesen beiden Figuren zu ersehen ist, wird bei dem konvexen Wandler die Höhe
vom Umfangzum Mittelpunkt Ox hin auf der Vorderseite
allmählich kleiner. Da sich die Höhe allmählich verringert, werden konvexe Kreisbögen definiert, wie
dies aus dem in Fig. 3 R dargestellten Querschnitt er-
ic* Pin;» rlnrr-h rlip PlInWtP /" ' oplrpnnypirh-.·
,. —....* ........ .... . _,...._ ^ , o_
ncte Stelle der konvexen Bögen entspricht Punkten, die in Fig. 3 A auf dem gestrichelt dargestellten Kreis
C1' liegen. Mit anderen Worten ist der konvexe Wandler als Rotationskörper ausgebildet, wobei der
Querschnitt des Wandlers mit der Schnittfläche parallel zur Achse des Wandlers und durch sie hindurchgehend
eine Rotations-Bogenfläche bildet, die aus zwei, paarweise konvex zueinander angeordneten Bögen
besteht. Dementsprechend ist der geometrische Ort der Krümmungsmittelpunkte B und B der Rotationsbogenf
lache auf der Rückseite des Wandlers vom konvexen Flächentyp ein Ring hinter der Rückseite, jo
wobei die Achse des Ringes mit der Linie 1-1' zusammenfällt, die zwischen den beiden Punkten B und B'
verläuft (bezüglich der Definition der Rückseite sei erwähnt, daß die in der Figur dargestellten Pfeile auf
die Vorderseite zu gerichtet sind).
Bei einem solchen konvexen Wandler pflanzen sich die auf der Vorderseite erzeugten Ultraschallwellen
so fort, als ob sie in den Krümmungsmittelpunkten B und B' ausgesandt wären. Daher wird mit einem solchen
konvexen Wandler ein Ultraschallstrahl erzeugt, wie er auch von einem bekannten Wandler vom Flächentyp
erzeugt werden würde. Das heißt, der Ultraschallgeber mit dem zuvor beschriebenen konvexen
Wandler entspricht dem Ultraschallgeber, bei dem ein Wandler vom Ringtyp verwendet wird.
Der in Fig. 3 A dargestellte Wandler wird in der vorgegebenen Form durch Sintern der gleichen Materialien
hergestellt, die auch bei der Herstellung des in F i g. 2 A dargestellten Wandlers verwendet werden.
Die Querschnittsdicke eines solchen Wandlers beträgt ebenfalls 1 mm, und auch die Frequenzen der abgegebenen
Ultraschallwellen sind gleich den Frequenzen bei dem in Fig. 2 A dargestellten Wandler.
Die Elektroden sind der Übersichtlichkeit halber bei den in Fig. 2A und 3 A dargestellten Wandlern
nicht eingezeichnet. Sie sind jedoch in der Praxis über und unter dem Umfangsteil aufgebracht.
Anhand der theoretischen, in Fig. 4 dargestellten Kurven wurde festgestellt, daß der Ultraschallgeber
mit dem zuvor beschriebenen Wandler vom Flächentyp dem Ultraschallgeber entspricht, bei dem der bekannte
Wandler vom Ringtyp verwendet wird. In Fig. 4 sind die Strahlbündel-Breiten und die (strichliniert
eingezeichneten) Schalldruckverteilungen an repräsentativen Tiefen ir. Querrichtung dargestellt. Die
Bündenbreite wird durch eine Breite definiert, bei der
sich der Schalldruck bezüglich des auf der Achse des Wandlers auftretenden Schalldrucks um —3 dB ver-
60 rirtgcrt. Bei dem dargestellten Beispiel weist der
Wandler einen Durchmesser von 20 rnrii, einen
Krümmungsradius der Bogenfläche von 9 mm und die
Ultraschallfrequenz 2^25 MHz auf, wobei bei diesem
Beispiel der Schallgeber mit dem in Fig. 2 A dargestellten konkaven Wandler vom Flächentyp ausgerüstet
ist. In Fig. 4 ist auf der Abszisse der Absland in Querrichtung in mm und auf der Ordinate der Abstand
vom Wandler aufgetragen* Wie aus der Figur zu entnehmen ist, liegt der wirkliche oder virtuelle
Ultraschallgeber vom Ringtyp am Punkt C. Es wird angenommen, daß die Ultraschallwellen von diesem
Punkt aus ausgesendet werden. Aus der Figur ergibt sich, daß ein schmales Haupt-Strahlcnbündcl (das
durch ausgezogene Linien dargestellt ist) entlang der Achse des Wandlers gebildet wird.
In den Fig. 5 und 6 sind im Querschnitt Kombinationen eines Wnnrllrrs in Form einer flachen Scheibe
und einer akustischen Linse dargestellt, die auf der Oberfläche der flachen Scheibe angeordnet ist. Mit
diesen Kombinationen können Ultraschallgeber geschaffen werden, die in gleicher Weise wie die Ultraschallgeber
arbeiten, die mit den zuvor beschriebenen, in den Fig. 2 A bzw. 3 A dargestellten Wandlern ausgerüstet
sind. In Fig. 5 ist ein ebener Wandler 3 vom Flächentyp dargestellt, dessen beide Flächen eben und
flach sitri Eine akustische Linse 4 ist auf der einen
Fläche eben und weistauf der anderen Fläche dieselbe Rotations-Bogcnfläche auf, wie in Fig. 2B. Eine
Oberfläche des ebenen Wandlers 3 und die flache Oberfläche der akustischen Linse 4 sind miteinander
verklebt.
Die akustische Linse 4 muß aus einem Material bestehen, bei dem die Schallgeschwindigkeit höher ist
als die Schallgeschwindigkeit in einem Medium, in dem sich die akustischen Wellen dann fortbewegen
sollen, bzw. in das die akustischen Wellen abgegeben werden sollen. Aus diesem Grunde wird für das Material
der akustischen Linse 4 Aluminium, Messing, Nickel, Acryl-Kunststoff, Bakelite usw. verwendet.
Diese Materialien können in relativ einfacher Weise bearbeitet werden, so daß die Oberflächen mit der
vorgegebenen Gestalt ausgebildet werden können.
Bei dem in Fig. 5 dargestellten Schallgeber werden ebene Ultraschallwellen von dem Wandler 3 in Form
einer flachen Scheibe erzeugt, sie laufen dann durch die akustische Linse 4, wobei die Wellenfronten danach
die Form aufweisen, wie sie bei dem in den Fig. 2 A und 2 B dargestellten Wandler auftreten. Aus
denselben Gründen, die bereits im Zusammenhang mit den Fig. 2 A und 2B erläutert wurden, wird vor
der akustischen Linse 4 tatsächlich eine Quelle vom PJngtyp gebildet.
Der Ultraschallgeber gemäß Fig. 6 weist den gleichen
Wandler 3 in Form einer flachen Scheibe wie in Fig. 5 sowie eine akustische Linse 5 auf, deren
Oberfläche flach und deren andere Oberfläche die gleiche Rotations-Bogenflache wie in Fig. 3B aufweist.
Die flachen Oberflächen des Wandlers 3 in Form einer Scheibe und der akustischen Linse 5 sind
miteinander verklebt oder in einer anderen Weise verbunden.
Aus denselben, bereits erläuterten Gründen treten bei dem in Fig. 6 dargestellten Signalgeber Ultraschall-Bündel
auf, die auf Grund des Einflusses der akustischen Linse 5 die gleichen Wellenfronten aufweisen,
die auch von dem in den Fig. 3 A und 3B dargestellten Wandler erhalten werden. Daher kann
ein Ultraschallgebcr geschaffen werden, der einem
Ultraschallgeber entspricht, bei dem ein Wandler vom Rifigtyp verwendet wird.
Die in den Fig. 5 und 6 eingezeichneten Pfeile R geben die Richtungen an, in denen die Krümmungsmittelpwnkte
der entsprechenden akustischen Linsen liegen.
Es würde experimentell festgestellt, daß die UltfaschaJlgeber,
bei denen die in den Fig. 5 und 6 darge^ stellten Wandler verwendet wurden, tatsachlich den
Ultraschallgebern entsprechen, bei denen die bekannten Wandler vom Ringtyp benutzt wurden.
In Fig. 7 sind beispielsweise die tatsächlichen Meßdaten eingetragen, die bei einer solchen experimentellen
Untersuchung erhalten wurden. Diese Daten erhält man mit einem Ultraschallgeber, bei dem der
in Fig. 5 dargestellte Wandler und die ebenfalls in l· ig. S dargestellte akustische Linse verwendet wurde.
D^s Experiment wurde auf folgende Weise durchgeführt.
Ep wurde ein Wandler in Form einer flachen Scheibe benutzt, der Ultraschall mit 2 MHz abgibt.
Der Durchmesser dieses Wandlers betrug 20 mm. Der Wandler war aus PZT-Material hergestellt. Auf die
Oberfläche des Wandlers war eine akustische Linse aufgeklebt, die einen Durchmesser von 20 min und
für die Bogenflächc einen Krümmungsradius von 5 mm aufwies und aus Acryl-Kunststoff bzw. aus
Acryl-GIas hergestellt war. Als Medium wurde Wasser verwendet. Bei dem in Fig. 7 gezeigten Diagramm
ist aui der Abszisse die Entfernung in der Richtung aufgetragen, in der die Ultraschallwellen laufen, und
auf der Ordinate ist der Abstand in Querrichtung angegeben. Die kleinen Kreise geben die tatsächlich gemessenen
Werte wieder, und eine ausgezogene Linie stellt die theoretisch erhaltene Kurve dar. Wie aus der
Figur zu entnehmen ist, ist die Richtwirkung sehr gut, d. h. die Strahlbündelbreite ist klein und an der Stelle,
an der die gestrichelte Linie eingezeichnet ist, wird ein Ultraschallgeber vom Ringtyp erzeugt.
In Fig. 8 ist die konkrete Ausführungsform einer Einrichtung gezeigt, mit der die Richtwirkung des Ultraschallgebers
gemessen wurde, bei dem die in Fig. 6 dargestellte Kombination aus dem scheibenförmigen
Wandler und der akustischen Linse verwendet wurde. (Der Ultraschallgeber, bei dem die in Fig. 5 dargestellte
Kombination vom Wandler und Linse verwendet wurde, und mit der die in Fig. 7 dargestellte
Richtwirkung erzielt wurde, war ebenso aufgebaut wie die in Fig. 8 dargestellte Einrichtung, und unterschied
sich von dieser nur bezüglich des Wandlers und der Linse.)
In Fig. 8 ist ein Ultraschallgeber 3 für 5 MHz als flache Scheibe dargestellt, der aus PZT-Material hergestellt
wurde und einen Durchmesser von 20 mm aufwies. Die Silberelektroden 6 wurden auf die Vorder- und Rückseite des Wandlers 3 aufgebracht. Eine
aus Aluminium hergestellte akustische Linse 5 wies die in Fig. 6 dargestellte Form auf und besaß einen
Durchmesser von 20 mm und einen Krümmungsradius der Bogenfläche von 26 mm. Eine Auflage 7
wurde aus einem zusammengesetzten Material aus Wolframpulver enthaltendem Vinylchlorid hergestellt.
Die Auflage 7, der Wandler 3 und die akustische Linse 5 wurden mittels eines Klebe- bzw. Bindemittels
miteinander verklebt und in einem Metallgehäuse 8 untergebracht, wobei die akustische Linse 5
einer offenen Seite des Gehäuses zugewandt ist. Die Auflage 7 ist an der Innenwandung des Gehäuses 8
mit einem Binde- oder Klebemittel 9 angeklebt und befestigt.
Eifi Beschichturigsmäteriäl 10 aus Wolfrarripulver
enthaltendem Epoxyharz ist an der offenen Seite des Gehäuses 8 aufgebracht und füllt den konkaven Teil
der akustischen Linse 5 auf, so daß diese eben und glatt ist. Das genannte Beschichtungsinateriäl 10 füllt
auch den Zwischenraum zwischen der Linse 5 und dem Gehäuse 8 aus; Leitungsdrähte 11 sind mit den
ίο Elektroden 6 des Wandlers 3 verbunden
In Fig. 9 sind die experimentellen Ergebnisse bei der Messung der Richtwirkung der in Fig. 9 dargestellten
Einrichtung in Wasser und bei der Messung der Richtwirkung eines Ultraschallgebers wiedergegeben,
bei dem der bekannte Wandler vom Ringtyp verwendet wurde. Auf der Abszisse ist der Abstand
vom Wandler und auf der Ordinate die Bündelbreite und die relative Empfindlichkeit aulgetragen. Die
Kurven W-3 und W-2Q geben die Hauptbündel-Breiten
wieder, bei denen sich der Schalldruck um — 3 dB bzw. um —20 dB verringert. Eine Kurve S zeigt
die relative Empfindlichkeit. Eine Kurve W-3 gibt die Hauptbündel-Breite wieder, bei der der Schalldruck
des Ultraschallbündels, das von einem Ultraschallgeber, bei dem der bekannte Wandler vom
Ringtyp verwendet wurde, um —3 dB absinkt. Die Kurve 5 gibt die relative Empfindlichkeit des bekannten
Schallgebers wieder. Der Wandler vom Ringtyp strahlt Ultraschall von 5 MHz aus, ist mit einem Radius
von 10 mm und einer Ringbreite von 1 mm ausgebildet,
wobei als Wandlermaterial PZT verwendet wurde.
Wie aus Fig. 9 zu ersehen ist, weist die Hauptbündel-Breite entlang der Achse der in Fig. 8 dargestell-
j5 ten Einrichtung bei Abständen von 5. 10 bzw. 15 cm
Werte von 0,9, 1,3 bzw. 1,6 mm auf (die Bündelbreite
ist durch die Kurve W-3 wiedergegeben). Die Bündelbreite, die durch die Kurve W-3 in Fig. 9 wiedergegeben
ist, zeigt für die Abstände 5, 10 bzw. 15 cm Werte von 0,6,0,9 bzw. 1,1 mm. Bezüglich der Strahlbreite
ist der erfindungsgemäße Ultraschallgeber etwas schlechter als der bekannte Schallgeber, die Bündelbreite
ist bei dem erfindungsgemäßen Ultraschallgeber jedoch bei der praktischen Verwendung
ausreichend. Die Höhe eines neben der Achse liegenden Nebenmaximas ist bei der in Fig. 5 dargestellten
Einrichtung —40 dB, während die Höhe des Nebenmaximums bei einem Ultraschallgeber mit dem bekannten
Wandler vom Ringtyp —16 dB beträgt, so daß das Nebenmaxima durch die vorliegende Erfindung
um V20 verbessert wird. Das bedeutet, daß der
erfindungsgemäße Ultraschallgeber mit dem Wandler ;vom Flächentyp dadurch verbessert ist, daß die Ultraschallimpulse
durch akustische Unterstützung (acou-
stic backing), mit anderen Worten, durch Verbreitern des Bandes, verkürzt werden. Die Dämpfung über die
Breite des Bündels hinweg (spread attenuation) der akustischen Wellen beträgt bei der in Fig. 8 dargestellten
Einrichtung — 1 dB/cm und bei dem Ultraschallgeber mit dem Wandler vom Ringtyp —2 dB/
cm. Mit dem erfindungsgemäßen Ultraschallgeber, bei dem der Wandler vom Flächentyp verwendet wird,
wird die Dämpfung über die Breite des Bündels bei einem Abstand von 20 cm vom Wandler um 20 dB
verbessert. Die Verbesserung beruht auf der folgenden Tatsache: Bei einem Wandler vom Ringtyp verbreitern
sich die akustischen Wellen sphärisch und der Abstand wirkt sich auf Grund der Verbreiterune di-
rekt auf die Dämpfung der akustischen Wellen aus.
Demgegenüber ist bei dem erfindungsgemäßen Ultraschallgeber mit einem Wandler vom Flächentyp die
Verbreiterung zylindrisch, und daher wird die Dämpfungderakustischen Wellen auf Grund der Verbreiterung
in Abhängigkeit von der Quadratwurzel des Abstandes beeinflußt.
Wie bereits beschrieben,, können mit dem erfindungsgemäßen
Ültraschatlgeber, bei dem ein Wandler vom Flächentyp verwendet wird, in zweierlei Hinsicht
Verbesserungen erzielt werden, nämlich hinsichtlich der Nebenmaxima bzw. der Nebenkeulen und der
Dämpfung über die Breite des Bündels hinweg. In der Praxis ist der Ultraschallgeber mit einem Wandler
vom Ringtyp ohne diese Verbesserungen nicht sinnvoll und nützlich. Durch die vorliegende Erfindung
werden Verbesserungen in zweierlei Hinsicht bezüglich der Bündelbreite erzielt und der Ultraschallgeber
kann für praktische Zwecke eingesetzt und der praktischen Anwendung anncnaRl u/prrlpn Auf Qrund des
erfindungsgemäßen Ultraschallgebers kann ein Ultraschallwandler hergestellt werden, der ein Ultraschallbündel
erzeugt, welches im praktischen Falle in einem Bereich von etwa 2,5 cm bis etwa 20 cm durch das
Medium läuft.
Auf Grund der Tatsache, daß der Ultraschallgeber bei der vorliegenden Erfindung einen Wandler vom
Flächentyp aufweist, lassen sich darüber hinaus mit der vorliegenden Erfindung die folgenden Wirkungen
zeitigen. Beim erfindungsgemäßen Ultraschallgeber wird die gesamte Fläche des Wandlers vom Flächentyp
zur Erzeugung von Ultraschall verwendet, und die Ultraschallwellen können um die Achse des Wandlers
herum in einem Zylinder zusammengehalten werden, der durch den Durchmesser des Wandlers festgelegt
ist, und zwar über die gesamte Entfernung, wenn dies erforderlich ist, so daß die Dämpfung des Schalldrucks
über die Breite hinweg beim Ultraschallbündel wesentlich verringert werden kann, als dies bei einem
Wandler vom Ringtyp möglich ist. Da der Wandler flächenhaft ist, ist auch die Berührungsfläche mit einem
Medium groß, so daß Strahlstörungen, die auf Grund einer schlechten Berührung von Medium und
Wandlerfläche auftreten, verringert werden können. Wenn der konkave oder konvexe Wandler als Wandler
vom Flächentyp verwendet wird, wird die Breite des Ultraschallbündels durch das Verhältnis zwischen
der akustischen WeIJe und dem Durchmesser des Ringes festgelegt, der durch den geometrischen Ort der
Krümmungsmitteipunkte der Fläche definiert ist; die Breite des Ultraschallbündels ist daher nicht direkt
vom Durchmesser des Wandlers selbst abhängig, so daß die Bündelbreite durch Änderung der Bogenkrümmung
am konkaven oder konvexen Wandler yärriert werden kann.
Bei der Beschreibung der Erfindung wurde bis jetzt nur von einem Bogen bzw. von einem Kreisbogen gesprochen,
mit dem die entsprechenden Flächen versehen sind. Entsprechende Wirkungen können selbstverständlich
auch dadurch erzielt werden, daß gekrümmte Oberflächen, die einem Bogen oder Kreisbogen ähnlich sind, beispielsweise parabolische
oder elliptische Flächen verwendet werden.
Darüber hinaus brauchen die paarweise angeordneten Bögen nicht identisch ausgebildet zu sein, sie
können auch aus mehreren Bogenflächen mit unterschiedlichen Krümmungsradien bestehen. Beispielsweise
ist in Fig. 1OA ein konvexer Wandler dargestellt, bei dem jede der paarweisen Bogenflächen aus
mehreren Bogenteilen besteht. Bei dem in Fig. 1OB dargestellten Wandler werden ähnliche Bogenteile
verwendet. In diesen Figuren sind die unterschiedli-
'■ chen Krümmungsradien mit den Bezugszeichen R1
und R2 versehen.
Der Ultraschallgeber ist bei den beschriebenen Ausführungsformen mit dem Wandler vom Flächen*
typ versehen. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese
ίο Ausführungsform beschränkt. Ähnliche Ultraschallgeber
können auch dadurch hergestellt werden, daß ein Wandler vom Flächentyp (ein Wandler in Form
einer flachen Scheibe) durch Verv/endung von Wandjergruppen aufgebaut ist, bei denen die bekannten
Wandler vom Ringtyp konzentrisch angeordnet sind. Die Ultraschallwellen werden von den Teilwandlern
mit vorgegebenen Zeitverzögerungen erzeugt.
In Fig. 11 ist eine Ausführungsform für einen Ultraschallgeber
dargestellt, der aus einer Gruppe von Wandlern aufgebaut ist, wobei die Wandler vom
Ringtyp konzentrisch angeordnet sind. Die konzentrisch angeordneten Wandler vom Ringtyp sind mit
den Bezugszeichen /?,-/?ft versehen, und die Wandler
sind in der Reihenfolge A1, R2, Λ, ... und /?6 von
außen nach innen angeordnet. Auf der einen Seite jedes Wandlers ist für jeden Wandler eine eigene
Elektrode F. angebracht, während auf der anderen Seite der Wandler eine gemeinsame Elektrode ER
liegt. Die Elektrode ER liegt an Masse. Die Schaltung
κι weist weiterhin einen Taktimpulsgenerator 21, einen
Impulsgenerator 22, ein Schieberegister 23, einen Signalauswahlschalter 24, Verstärker 26-1 bis 26-3,
Verzögerungsschaltungen 27-1 bis 27-3 und eine Summierstufe 28 auf.
In dieser Schaitungsanordnunggelangt ein vom Impulsgenerator
22 erzeugtes Impulssignal als Eingangssignal an das Schieberegister 23. Mittels der vom
Taktimpulsgenerator 21 bereitgestellten Taktimpulse wird das Impulssignal in Impulssignale mit vorgegebe-
-tö ner Zeitverzögerung umgesetzt, und diese Impulssignale
werden an den Ausgängen des Schieberegisters 23 bereitgestellt. Diese an den Ausgängen c^.s Schieberegisters
23 auftretenden Impulssignale werden vom Signalauswahlschalter 24 der Gruppe von Wandlern
vom Ringtyp zugeleitet. Wenn beispielsweise die Gruppen von ringförmigen Wandlern R1-R^, R2-R*
und Rx-Rt mit Zeitverzögerungen in der genannten
Reihenfolge angesteuert werden, so arbeitet diese Ausführungsform auf Grund der Zeitverzögerungen
so, als ob eine akustische Linse vorhanden ist, und die erzeugten Wellenfronten entsprechend den Wellenfronten,
wie sie von dem in Fig. 5 dargestellten und von dem in Fig. 2 A dargestellten Wandler erzeugt
werden. Beim Empfang sind die reflektierten
.55 ,Wellen, die auf die entsprechenden Wandler auffallen,
* ebene Wellen. Die reflektierten Wellen können daher dadurch wiedergewonnen werden, daß die von den
jeweiligen Wandlern erzeugten Signale durch Verstärker 26-1,26-2 und 26-3 verstärkt, die verstärkten
Signale mit den Verzögerungsschaltungen 27-1, 27-2 und 27-3 um die Zeitverzögerungen verzögert, und
die am Ausgang der Verzögerungsschaltungen bereitgestellten Signale von der Summierstufe 28 summiert
werden. Die wiedergewonnenen Wellen können durch bekannte Aufzeichnungseinrichtungen, beispielsweise
mit Braunschen Röhren dargestellt werden.
Wie bereits beschrieben, ist es mit der vorliegenden
Erfindung möglich, die Erfordernisse, die an Ultraschallgeräte
für die Diagnostik gestellt werden, zu er-'iillen, d. h. ein dünnes Üitraschall-Strahlenbündel
über eine vergleichsweise große Entfernung bzw. Eindringliefe zu bilden.
Der hier beschriebene Ultraschaiiwandler ist jedoch auch auf anderen Gebieten als der Diagnostik,
beispielsweise bei der akustischen Holographie und bei der Entwicklung von Ultraschall-Meßsystemcn,
anwendbar.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen
Γ ^
Claims (7)
1. Ultraschallwandler mit einer Ultraschallwellen abstrahlenden oder aufnehmenden im wesentlichen
kontinuierlichen Fläche, bei der der geometrische Ort der Konvergenzpunkte der Ultraschallwellen
einen Bogen bilden, dadurch ge ke η nze ich ne t ,daß die Fläche so gestaltet ist,
daß sie die Ultraschallwellen in eir.er Vorzugsrichtung bündelt, und daß der geometrische Ort der
Konvergenzpunkte ein Vollkreis ist, der in einer zu der Vorzugsrichtung senkrechten Ebene liegt.
2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Form der Fläche
des Wandlers vom Flächentyp ein Rotationskörper ist, der zwei etwa kreisbogenförmig ge-Kiümmte
Flächen aufweist, wobei die Konvergenzpunkte jeweils mit den Krümmungsmittelpunkten
(A, A'\ B, B') zusammenfallen und ein
Anschnitt einer Achse (1-Γ) dieser Flachenform ein Paar Rotationsebenen bilden, die aus diesen
zwei gekrümmten Flächen bestehen.
3. Ultraschallwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gekrümmte Fläche
eine konkave Kreisbogenflächc ist (Fig. 2).
4. Ultraschallwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gekrümmte Flache
eine konvexe Kreisbogenfläche ist (Fig. 3).
5. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gckennz.chnet, daß der Ultraschallwandler
vom Flächentyp ein ebener Ultn"ichallwandlcr (3)
ist und eine akustisch«: Linse (4, 5) auf eine flache
Fläche des ebenen Wandlers (3' aufgeklebt ist, wobei die akustische Linse (4, Sj als Rotationskörper
geformt ist, der zwei etwa kreisbogenförmig gekrümmte Flächen aufweist, bei denen die
Konvergenzpunkte jeweils mit den Krümmungsmittelpunkten zusammenfallen und ein Abschnitt
der Achse dieser Linsen (4, 5) ein Paar Rotationsebenen bildet, die aus diesen gekrümmten Flächen
bestehen (Fig. 5, fi).
6. Ultraschallwandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die gekrümmte Fläche
eine konkave Kreisbogenfläche ist (Fig. 5).
7. Ultraschallwandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die gekrümmte Fläche
eine konvexe Kreisbogenfläche ist (Fig. (S).
K. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche von mehreren
konzentrischen, gegeneinander isolierten und mit unterschiedlichen Phasen ausgesteuerten
Ringflächen gebildet ist (Fig. 11).
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