DE2600810C3 - Ultraschall-Sendersystem - Google Patents

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Ultraschallsender und betrifft insbesondere die Anordnung eines Ultraschall-Sendersystems, dessen Abstrahlrichtung und AbstrahlWinkel Steuer- oder regelbar ist Das bevorzugte Anwendungsgebiet der Erfindung sind Sonar-Systeme.

Bei der Verwendung mehrerer gradlinig nebeneinander angeordneter Ultraschallwandler eines Ultraschall-Sendersystems, die jeweils durch ein zugeordnetes Signal aus einer Gruppe von Signalen gespeist werden, die gemeinsame Frequenz und Phasenlage besitzen, erhält man eine parallel zu der großen Linie verlaufende resultierende Wellenfront Werden die Phasen der Speise' oder Treibersignale in aufeinanderfolgender Ordnung in bezug auf das jeweils vorhergehende Signal geändert, so verläuft die resultierende Wellenfront geneigt zu der geraden Linie, d. h. der Richtungswinkel der abgestrahlten Ultraschallwelle kann geändert werden.
Um den Richtungswinkel in dieser Weise über die Änderung der Phasenlage der Ansteuersignale zu steuern, wurde bereits vorgeschlagen, jeden einzelnen Wandler mit einem Phasenschieber mit einer Mehrzahl von Stufen auszurüsten, die jeweils bestimmten Richtungswinkeln zugeordnet sind. Es ist jedoch ohne weitere Erläuterungen einleuchtend, daß eine solche Einrichtung nicht nur räumlich relativ groß, sondern auch teuer wird, da — je nach der Anzahl der Ultraschallwandler — unter Umständen eine große Zahl von Phasenschiebern benötigt wird, die. jeweils, entsprechend der gewünschten Winkel-Feinabstwfung, eine relativ große Stufenzahl aufweisen müssen.

Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, ein Ultraschall-Sendersystem zu schaffen, das sich durch eine neuartige, sehr einfach aufgebaute Richtungswinkel-Steuereinheit auszeichnet

Ein Ultraschall-Sendersystem erfindungsgemäßer Bauart ist gekennzeichnet durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Maßnahmen, für die vorteilhafte Weiterbildungen in der nachfolgenden Beschreibung dargestellt und in Unteransprüchen gekennzeichnet sind.

Ein erfindungsgemäßes Ultraschall-Sendersystem zeichnet sich vor allem dadurch aus, daß für die Änderung des Abstrahlwinkels nur ein einziger Phasenschieber für die gesamte Anzahl der Ultraschallwandler benötigt wird, wobei die Stufenzahl des Phasenschiebers vorzugsweise der Anzahl der Ultraschallwandlerköpfe entspricht

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten werden nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnung in beispielsweiser Ausführungsform erläutert Es zeigt

F i g. 1 das schematische Blockschaltbild der Anordnung eines Ultraschall-Sendersystems mit erfindungsge-

J5 mäßen Merkmalen und

Fig.2 ein Signal-Schaubild mit zeitkorrelierter Darstellung von Signalverläufen an verschiedenen Punkten der Schaltung nach F i g. 1. Die Blockschaltbildanordnung nach F i g. 1 enthält einen Taktimpulsgenerator 2, einen Rückwärts- oder Abwärtszähler 4 und eine numerische Eingabeeinheit 6, die so mit dem Abwärtszähler 4 verbunden ist, daß dieser die Taktimpulse des Impulsgenerators 2 von einem speziellen, in der Eingabeeinheit 6 vorgespeicher ten, numerischen Wert aus abwärts zählt Der Zähler 4 liefert jedesmal dann einen Impuls, wenn sein

Zählerinhalt zu Null wird, und sein Ausgang ist auf die

eigene Rücksetzklemme 5rückgekoppelt.

Der Ausgang des Abwärtszählers 4 ist außerdem mit

so dem Schiebeeingang eines Schieberegisters 8 verbunden, das bei der dargestellten Ausführungsform fünf Ziffernstellen und entsprechend fünf Ausgangsklemmen 8A, SB, SQ SD und SE besitzt Außerdem speist der Ausgang des Abwärtszählers 4 die Trigger-Eingangs klemme T von zwei JK-FJip-Flops 10 bzw. 12. Die Ausgangsklemmen Q bzw. Q des Flip-Flops 10 sind über Kreuz mit den Eingangsklemmen / bzw. K des Flip-Flops 12 und die Ausgangsklemme Q des Flip-Flops 12 mit der Eingangsklemme des Schieberegi sters 8 verbunden. Die Eingangsklemme K des Flip-Flops iO liegt auf Masse, während die Eingangsklemme / potentialmäßig schwimmt. Die Rüeksetzklemmen R beider F!ip=Flops 10 und 12 sind mit dem Ausgang eines monostabilen Multivibrators 14 verbunden, dessen Trigger-Signal durch einen Tastimpulsgenerator 16 geliefert wird.

Die Ausgangsklemmen SA, SB, SC, SD und SE des Schieberegisters 8 sind in entsprechender Folge mit den

Röcksetzklemmen von fönf Frequenzteilern WA, 18Ä WC₁ 18£> und HE verbunden, die auf ein gemeinsames Frequenzteflerverhältnis eingestellt sind. Die Eingangsklemmen der Frequenzteiler WA bis WE sind gemeinsam mit dem Ausgang eines Takitimpulsgenerators 20 verbunden, während ihre Ausgangsklemmen Ober fünf Tor-Schaltungen 22A, 220, 22C; 22£> und 22E auf fünf Ultraschallwandler 24Λ 24A 24CJ 241D und 24F geschaltet sind, die auf einer geraden Linie H\ nebeneinander und auf feststehendem gegenseitigen Abstand d angeordnet sind, wie die Zeichnung erkennen läßt Der Ausgang des Tastimpulsgenerators 16 ist außerdem mit den Steuereingängen der Tore 22A bis 22£ verbunden.

Unter Bezug auf die Fig.2 wird nachfolgend die Arbeitsweise der soweit beschriebenen Schaltungsanordnung erläutert: Ist ein bestimmter numerischer Wert in der numerischen Eingabeeinheit 6 gespeichert, so zählt der Abwärtszähler 4 die ihn beaufschlagenden Taktimpulse von diesem Wert aus abwärts bis Null und liefert bei Erreichen des Werts Null einen Ausgangsimpuls. Dieser Impuls wird auf die Rücksetz- oder Rückstellklemme S des Zählers 4 rückgekoppelt, um den ursprünglichen Zählwert wieder herzustellen, woraufhin der gleiche Zählvorgang wiederholt wird. Der Zähler 4 liefert also eine neue Folge von Taktimpuisen, die in F i g. 2 (a) dargestellt sind und eine Periode ft aufweisen mögen. Es ist dabei ersichtlich, daß

t, = Nt₀

WE,

Diese Frequenzteiler WA bis WE untersetzen die Frequenz der Taktimpulsfolge des Taktimpulsgenerators 20 um einen genieinsamen Divisor und erzeugen neue Impulsfolgen jeweils gleicher Signalform und Frequenz, die der Resonanzfrequenz der Ultraschallwandler 244,24J3,24C 24O und 24 F entspricht. Da die Frequenzteiler WA bis WE jeweils durch den zugeordneten der Rüelesetziinpulse (e₍) bis (es) rückgesetzt werden, erseheinen die Ausgangsimpulse der Teiler 18A bis leEphasenkoinzident mit den Rücksetzimpulsen, was durch die Signalverläufe f_h f₂, fy, A und f_s in F ig. 2 angegeben ist
Wird die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ultraschallwelle in einem bestimmten Medium zu S angenommen, so ergibt sich ein Verzögerungsabstand zwischen den Wellenfronten von zwei durch benachbarte Wandler abgestrahlte Ultraschallwellen zu Sft, was im unteren Teil der F i g. 1 angeordnet ist Da der Abstand zwischen den benachbarten Wandlern, wie oben angegeben, d beträgt, ergibt sich die folgende Beziehung, * enn der Neigungswinkel der resultierenden Wellenfront Hi (F i g. 1) zu θ angeiv^nmen wird:

gilt wenn mit N der spezielle in der Eingabeeinheit 6 gespeicherte numerische Wert und mit fo die Periode der Taktimpulse vom Impulsgenerator 2 bezeichnet sind.

Diese neue Taktimpulsfolge (a) gelangt auf den Schiebeeingang des Schieberegisters 8 und außerdem auf die Triggereingänge Tder Flip-Flops 10 und 12. Da die Ausgänge Q und <?des Flip-Flops 10 über Kreuz mit den Eingängen / und K des Flip-Flops 12 verbunden sind, liefert letzteres über seinen Ausgang Q einen Impuls, dessen Dauer zu jedem Rücksettzzeitpunkt gleich ist der Periode ft der Taktimpulsfolge (a). Das Rücksetzsignal liefert der monostabile Multivibrator 14 unter Steuerung durch den Tastimpulsgenerator 16. Dieser Tastimpulsgenerator 16 liefert einen bestimmten in F i g. 2 (b) gezeigten Tastimpuls, der außerdem zur Steuerung der Ultraschallabstrahlung der Vorrichtung dient, was weiter unten erläutert ist. Der Multivibrator 14 wird jeweils durch die Hinterflanken b\, bi usw. betätigt und liefert die in Fi g. 2 (c) gezeigte Folge von Ausgangsimpulsen. Das Flip-Flop 12 Stellt das in F i g> 2 (d) wiedergegebene Setz-Ausgangssignal in Abhängigkeit von der Vorderflanke des Rücksetzsignals (c) zur Verfügung.

Der Impuls (d) gelangt auf das Schieberegister 8 und wird sukzessiv von der in der Zeichnung am weitesten links stehenden Stufe nach rechts unter Steuerung der vom Abwärtszähler 4 gelieferten Taktimpulsfolge (a) weitergeschoben. Bei diesem Weilerrreichen von der ersten Stufe (Bit) bis zur letzten Stufe (Bit) im Schieberegister 8 erscheint der Impuls (d) aufeinanderfolgend an den Ausgangsklemmen 8M, flß, (SG 80 und 8Fjeweils verzögert um das Zeitintervall i|.

An den Ausgängen 8A, 8Ö... 8£des Schieberegisters 8 erscheinen also die Signale (et), (ei)... (e^) nach F i g. 2. Diese Ausgangsimpulse (et), fa)... (e<\) gelangen auf die Rücksetzeingänge der Frequenzteiler WA, WB, WC, St₁ = dsinß

Daraus folgt:

Θ = sin-(-Jt₁).

In anderen Worten: Der Neigungswinkel der Wellenfront d. h. der Richtungswinkel der abgestrahlten Ultraschallwelle, kann durch Veränderung der Periode ft der Taktimpulse (angesteuert werden.

Verbindet man die Gleichung (2) mit der Gleichung (I)₁SO ergibt sich:

θ = sin

Diese Gleichung (3) läßt erkennen, daß die Steuerung des Richtungswinkels der abgestrahlten Ultraschallwelle letztlich zusammenhängt mit der Wahl des in der Eingabeeinheit 6 gespeicherten numerischen Werts N und/oder mit der Periode ίο der in dem Taktimpulsgenerator 2 erzeugten Taktimpulsfolge. Es ist jedoch mühevoll, die Werte für to bzw. N zu bestimmen, um schließlich über die Gleichung (3) den gewünschten Wert für den Abstrahlwinkel θ zu erhalten. Aus diesem Grund ist bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein Verfahren verwirklicht, mit dem sich der Wert für θ in Graden in unmittelbarer Beziehung zum numerischen Wert /Vangeben läßt:

Für Sonarsysteme werdsn im Betrieb ganz überwiegend Richtungswinkel θ im Bereich von 30 bis 40°, insbesondere 30°, eingesetzt Andererseits kann innerhalb eines so niedrigen Winkelbereichs der Wert von sin θ mit ausreichender Genauigkeit durch den Wert von θ selbst ersetzt werden. Damit folgt aus Gleichung (3):

Θ =

Der Winkel θ wird also proportional zum Wert für N. Wird, um ein Beispiel zu wählen, die Schallausbreitungsgeschwindigkeit mit S=! 500 m/sec und für d= 20 rnni

angesetzt, so ergibt sich die Periode fi (= t_nN) zu 6,67 μ5εο,νεηηθ = 30° ist.

Wird der Wert N gleich dem Wert von θ in Grad angesetzt, also N= 30, so ergibt sich:

/„= /,/N= 6,67/30 = 0,22

In anderen Worten: Der Wert des Richtungswinkels θ in Grad ist gleich dem in der numerischen Eingabeeinheit 6 gespeicherten Wert, wenn die Impulsperiode to zuvor auf 0,22 μςεϋ eingestellt wird. Das heißt, wird ein numerischer Wert (15) in der Eingabeeinheit 6 gespeichert, so ergibt sich der Richtungswinkel der resultierenden Ultraschallwelle zu 15°.

Obigeich dieses Näherungsverfahren zu keinem Fehler hinsichtlich des resultierenden Richtungswinkels bei 30° führt, ergibt sich ein kleiner Fehler in außerhalb von 30° liegenden Winkelbereichen. Es wurde jedoch ermiüeii, uäu dei n'iäXiiTi&lc Fehler für den Richtungswinkel unter 0,6° innerhalb des Bereichs von 0 bis 30° liegt. Wird nun gleichzeitig die öffnungsweite des in der Praxis verwendeten Ultraschallstrahls herangezogen, so kann der Fehlerbetrag tatsächlich völlig vernachlässigt werden.

Die Phasen der entsprechend frequenzunterteilten Signale der Frequenzteiler 18/4, 18ß... 18E werden als ganzzahlige Vielfache der Periode der durch den Taktimpulsgenerator 20 erzeugten Taktimpulsfolge verändert. Um die Phase jedes frequenzuntersetzten Signals in Koinzidenz mit der Periode /t der Impulsfolge (a^zu verzögern, kann die vom Taktimpulsgenerator 2( abgegebene Taktimpulsfolge unter Berücksichtigung der Periode der Taktimpulsfolge vom Impulsgeneratoi ^r> 2 auf etwa 0,1 \isec fixiert sein. Da der Tastimpuls (b)atr Toren 22A, 225, 22C, 22Dund 22Evom Tastimpulsgene rator 16 geliefert wird, gelangen die Signale (f\), (fj).. (fi), die unter Bezug auf die Hinterflanke b\ des Signal· (b) gebildet werden, während der Dauer des nächster

in Impulses auf die Wandler 24/4, 24ß ... 24£f, desser Hinterflanke mit O₂ angegeben ist.

Aus der soweit dargelegten Erläuterung der Erfin dung ist ersichtlich, daß der Richtungswinkel θ dei abgestrahlten Ultraschallwelle sich leicht lediglich durd

r> Änderung des in der Eingabeeinheit 6 gespeicherter numerischen Werts verändern und steuern läßt.

Es sei betont, daß die obige Beschreibung sich nur au ein Ausführungsbeispiel und ein Anwendungsgebiet dei Erfindung bezieht. Es sind jedoch im Rahmen dei Erfindung eine Reihe von dem rschrrisnn einleuchten den Änderungen und Anpassungen möglich. So kant beispielsweise die Anzahl der Wandler beliebig erhöh oder erniedrigt werden, vorausgesetzt, daß auch di< Anzahl der Stufen oder Ziffernstellen im Schieberegi

2") ster 8 entsprechend angepaßt wird. Wird darüber hinau: die numerische Eingabeeinheit 6 mit einer Schalteinrich tung zur kontinuierlichen Veränderung des in diese Einheit gespeicherten Zahlenwerts versehen, so laß sich die ,^cstrahlrichtung des Ultraschallstrahls oder de

jo Ultraschallwellenfront auch kontinuierlich ändern.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

26 001810 Patentansprüche;

1. Anordnung eines Ultraseball^Sendersystems, gekennzeichnet 4wFch eine Mehrzahl von in einer Reihe nebeneinander auf gegenseitigen Abstand voneinander angeordneten und auf gemeinsamer Resonanzfrequenz arbeitenden Ultraschallwandlern (24Λ bis 24^ einen ersten Taktimpulsgenerator (20), der eine erste Taktimpulsfolge mit einer Frequenz liefert, die eine höhere Hannonische der gemeinsamen Resonanzfrequenz ist, eine den Ultraschallwandlern entsprechend zugeordnete und an diese eingangsseitig angeschlossene Anzahl von Frequenzteilern (18Λ bis iSEX die den jeweiligen Wandler mit einem aus der ersten Taktimpulsfolge abgeleiteten Signal speisen, einen zweiten mit einer Frequenzeinstelleinrichtung versehenen Taktimpulsgenerator (2,4, 6), der eine zweite Taktimpulsfolge liefert, und durch eine Einrichtung (8 bis 16) zur aufeinanderfolgenden, von einem zum anderen Ende der Reihe durchlaufenden Rücksetzung der Frequenzteiler is, einem der Periode der zweiten Taktimpulsfolge entsprechenden Zeitintervall.

2. Ultraschall-Sendersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Taktimpulsgenerator einen dritten Taktimpulsgenerator (2) enthält, der einen Abwärtszähler (4) speist, der die ihm zugeführte dritte TaktimpiMsfolge von einem bestimmten durch die Frequenzeinstelleinrichtung (6) vorgegebenen Zählwert aus bis auf Null herunterzählt und jedesmal dann einen der zweiten Taktimpulsfolge zugehörenden Impuls abgibt, wenn der Zählwert Null erreicht ist

3. Ultraschall-Sendersystem η&Λ Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rücksetzeinrichtung eine Einheit (10 bis 16) zur Erzeugung eines Einzelimpulssignals aufweist, das auf den Serieneingang eines am Schiebeeingang mit der zweiten Taktimpulsfolge beaufschlagten Schieberegisters (8) gelangt, dessen Parallelausgänge (8Λ bis 8D) in den einzelnen Stufen jeweils mit einem Rücksetzeingang eines der Frequenzteiler (18Λ bis iSE) verbunden sind.