DE2605776C3 - Einrichtung zur Messung der Verteilung akustischer Energie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einr htung zur Messung der Verteilung akustischer Energie, die von mit Ultraschall eines Senders beschallten Objekten ausgeht und von einer Sammellinse in ihre Brennebene abgebildet wird, wobei in der Brennebene ein akustisches Empfängersystem angeordnet ist. Eine ähnliche Einrichtung ist aus der DE-OS 22 29 283 w bekannt, wobei jedoch dem Objekt eine Sammellinse nachgeordnet ist, in deren Brennebene sich der Schallempfänger befindet. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Erkennungssystem für Ultraschallmuster, bestehend aus einer besonderen Anordnung von *^r> Ultraschallempfängern, von denen jeder einen eigenen elektrischen Anschluß besitzt und für die Messung der Energieverteilung in einem ebenen, punktssymmetrischen Muster, wie z. B. einem Beugungsbild, ausgelegt ist. so

Aus der DE-OS 24 13 465 ist weiterhin ein Empfängersystem bekannt, das aus mehreren Empfängern besteht. Der diesem vorgeordnete Akustiklinsensatz übernimmt nicht lediglich eine Schallwellenfokussierung, sondern zusätzlich noch eine periodische Schall- >"> druckbild-Ablenkung.

Bei der zerstörungsfreien Ultraschallprüfung, der medizinischen Ultraschalldiagnose wie auch bei der Unterwasser-Ultraschall-Vermessung werden kohärente Sehall- oder Ultrasehall wellen auf das Objekt w gesendet (LASER AND UNCONVENTIONAL OPTICS JOURNAL, No. 39, [1972], EAS EUROPEAN ABSTRACTS SERVICE BOX 12 035-S-402 4I Göteborg 12, Schweden). Durch jeden Punkt des Objekts wird dann die Form der Wellenfronten in charakteristi- ■ ■ scher Weise beeinflußt. Amplitude und Phase der Wellenfront, die damit Information über die Eigenschaften des beschallten Objekts enthält, sind bei bekanntem Objekt mit Hilfe der Theorie der Ausbreitung von akustischer Wellen genau berechenbar.

Um umgekehrt aus den beeinflußten Wellen Information über das Objekt zu erhalten, werden bisher die bekannten Α-scan-, B-scan-, C-scan-Techniken, M-mode-Methoden oder sogar, mit großem Aufwand, Holographie benutzt Alle diese Verfahren haben neben dem Nachteil des großen materiellen Aufwandes auch noch den, daß sie sehr viel Zeit benötigen und eine Echtzeitmessung nur schwierig möglich ist

Es wurde auch bereits vorgeschlagen, die Kohärenz der abtastenden Ultraschallwellen auszunutzen, indem die benötigte Information aus der Fourier-Transformierten, im akustischen Bereich gebildet, erhalten wird (»Coherent Processing in Ultrasonic Medical Diagnosis«, 28th ACEMB, Fairment Hotel, New Orleans, Louisiana, Sept 20—24,1975, p. 73). Ein anderer Bericht (physics today. October 1974. Vol. 27, No. 10, S. 42-49, »Acoustical holography«, Pal Greguss) nennt ein Gerät, bei dem das gestreute Ultraschallbild so dargestellt wird, daß es zur direkten Eingabe in eine optische Datenverarbeitungsanlage geeignet ist Dieses Gerät benötigt aber noch eine kohärente Lichtquelle und ist außerdem nur schwierig an existierende Rechenanlagen anzuschließen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Erkennungssystem tür Ultraschallmuster zu entwickeln, das nicht mit dem vorerwähnten Nachteil behaftet ist, insbesondere soll es beinahe augenblicklich und gleichzeitig Linie;i/nuster, Winkelverteilung und allgemeine Struktur der beeinflußten Wellenfront ausmessen.

Die Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch zwei Sätze akustischer Empfänger in aus der Optik bekannter Anordnung, wobei der eine Satz halbkreisförmige Empfängerelemente umfaßt und der andere sektorförmige, die sich radiai vom Zentrum aus erstrecken, und daß zusätzlich jedes einzelne Empfängerelemem akustisch und elektrisch vom anderen isoliert ist.

Eine Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß in der Mitte des Empfängersystems ein Sender/Empfänger einen eigenen elektrischen Anschluß aufweist.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung können vorsehen, daß sich in der Mitte des Empfängersystems eine runde Blende befindet, die den Ultraschall-Abtaststrahl nullter Ordnung räumlich filtert und daß beim Durchstrahlverfahren der Sender vor dem Objekt und der Sammellinse steht.

Die Erfindung löst demnach die eingangs genannte Aufgabe durch Messung des Beugungsbildes in der hinteren Brennebene einer geeigneten akustischen Linse mit einer besonderen Anordnung einer Vielzahl von Ultraschallempfängern, die in der Lage ist, Fleckstruktur und Intensität des Leistungsspektrums aufzunehmen, unabhängig davon, ob das Beugungsbild von durch das Objekt durchgehenden oder von reflektierten akustischen Wellen stammt.

Wird die modulierte Wellenfront in die hintere Brennebene einer akustischen Sammellinse fokussiert, gibt die dortige Verteilung der akustischen Energie eindeutige Aussagen über das beschallte Objekt. Ein Ultraschall-Beugungsbild besteht normalerweise aus einem intensiven zentralen Punkt auf der optischen Achse, der von Gebieten verschieden großer Intensität und leeren Zwischenräumen umgeben ist. Es gibt Streifen größerer Intensität wie auch alleinstehende

Punkte. Es ist aus der Wellentheorie bekannt, daß der Abstand eines bestimmten Teiles des Beugungsbildes von der Achse von der räumlichen Frequenz des Objektes abhängt. Je höher die räumliche Frequenz, desto größer ist der Beugungswinkel und desto größer ist der Abstand der gebeugten Welle von der Mitte des Beugungsbildes. Die Beziehung lautet

r = f-X- k,

wobei rder Abstand von der Achse, /die Brennweite der Transformationslinse, λ die Wellenlänge des Ultraschalls und k die räumliche Frequenz ist. Die Dimension von k ist Perioden pro Einheitslänge.

Das Muster ist im allgemeinen symmetrisch um den Punkt im Zentrum angeordnet. Aus diesem Grund kann die I ntensitätsverteilung im Muster, das die Fourier-Transfomierte der Intensität der Gegenstandswelle darstellt, mit zwei Sätzen Empfänger bestimmt werden. Der eine Satz Empfänger mißt die strukturelle Information mit halbringförmigen Elementen, der andere mit sektortörmigen.

Gegenstand der Erfindung ist demnach niciit nur das spezielle System zur Aufnahme von Ultras^hallbeugungsbildern, sondern auch die Art und Weise, wie dieses Bild in Reflexion erzeugt werden kann.

Im folgenden wird die Erfindung anhand zweier Ausführungsbeispiele mittels der Fig. 1 bis 3 näher erläutert.

F i g. 1 zeigt ein Empfängersystem für das Reflexions- und Durchstrahlverfahren;

F i g. 2 zeigt schematisch, wie Information über die Ultraschallreflexionseigenschaften der beschallten Objekte in Reflexionsverfahren erhalten wird; und

Fig.3 zeigt wie Information im Durchstrahlverfahren erhalten werden kann.

Das runde Empfängersystem 1 in F i g. 1 umfaßt halbringförmige Empfänger 2 bzw. 4 und sektorförmige Empfänger 3 bzw. 5. Da eine Hälfte des Beugungsbildes die ganze Information (symmetrische Bilder) über das Objekt enthalt, kann die Energieverteilung in dem Bild mit diesem Empfängersystem 2,3 in Kreiskoordinaten r, φ gemessen werden, indem sie einmal als Funktion des Winkels φ und zum anderen als Funktion des Radius r gemessen wird.

Die Empfänger z. B. können aus piezoelektrischem Material bestehen oder vom Kondensator- oder Elektret-Typ sein, die bisher jedoch nicht für diesen Zweck Verwendung fanden.

Als Anordnung für die Ultraschallempfänger 4, 5 kann eine dienen, wie sie z. B. im US-Patent Nr. 36 89 772 für einen Photo-Detektor für Lichtmuster beschrieben ist.

Alle einzelnen Empfänger 4, 5 sind akustisch gut gegeneinander isoliert und besitzen jeweils einen eigenen elektrischen Anschluß 6, 7. In der Mitte des runden Empfänger-Systems 1 befindet sich ein kleiner runder Sender/Empfänger 8 für die Aufnahme der ungebeugten akustischen Energie, der, bei Verwendung bei Reflexionsmessungen, als Ultraschallquelle benutzt werden kann.

lu Die Fig.2 zeigt schematisch eine Einrichtung zur Messung von Reflexionseigenschaften. Der runde Sender/Empfänger 8 ist durch eine Blende 9 ersetzt, auf die der abtastende Ultraschallstrahl 11 entweder durch eine Linse 13 oder von einem konkaven Schallkopf 12 fokussiert wird und so räumlich gefiltert wird. Da das runde Empfängersystem 1 gemäß F i g. 1 in der hinteren Brennebene der ak akustischen Sammellinse 13 steht, wird der abtastende Ultraschallstrahl 11 aus der Blende 9 parallel auf das Objekt 14 gestrahlt. Der abtastende Ultraschallstrahl 11 kann kontinuie~':ch oder gepulst sein. Der Schaükopf !2, das Empfängcrsystem 2, 3 mit den Anschlüssen 6, 7 und die Sammellinse 13 sitzen in einem gemeinsamen Gehäuse 15. Das Objekt 14 liegt auf einer Unterlage 16 auf. Das Empfängersystem 2,3,4, 5 unterteilt das Gehäuse 15. Durch die Gehäusewandung sind die Anschlüsse 6 und 7 als auch der Anschluß 17 für den Schallkopf 12 hindurchgeführt. Der Schallkopf 12 steht auf der von der Linse 13 abgewandten Seite des Empfängersystems 2,3,4,5. Der

jo Strahlengang 11 ist mit Pfeilen verdeutlicht. F i g. 3 zeigt das gleiche Gehäuse 15 mit innenseitig eingebautem Empfängersystem 2, 3, 4, 5. Diese Ausführungsform dient zur Aufnahme im Durchstrahlverfahren. Hierzu ist der Ultraschallerzeuger 18 außerhalb des Gehäuses und

Ji auf der Linse 13 abgewandten Seite des Objektes 14 angeordnet. Die Energie wird über den Anschluß 19 zum Ultraschallkopf 18 hingeführt. Das Empfängersystem 4, 5 kann wiederum die Blende 9 enthalten durch welche der Ultraschall 20 (hier nur durch einfache Pfeile

■to gekennzeichnet) nullter Ordnung hindurchtreten und im daf'nterliegenden Raum absorbiert werden kann, oder man registriert auch hier die Intensität der nullten Ordnung. Die Elemente 4, 5 sind wiederum mit den Anschlüssen 6 und 7 verbunden. Sie sind einzeln

■r. anwählbar, entweder automatisch ocJer mit einem Schalter, wobei diese Anwählsysteme in Fig.2 (gilt auch für das Beispiel nach Fig. 3) z.B. im Raum 21 untergebracht sind. Das Objekt 14 kann beim Durchstrahlverfahren entweder direkt auf dem Schall-

>o kopf 18 liegen oder auf einer Zwischenschicht, welche auf dem Ultraschallkopf 18 aufgetragen ist.

Hierzu 1 BIaIt Zricli'.iiügen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Messung der Verteilung akustischer Energie, die von mit Ultraschall eines s Senders beschallten Objekten ausgeht und von einer Sammellinse in ihrer Brennebene abgebildet wird, wobei in der Brennebene ein akustisches Empfärigersystem angeordnet ist, gekennzeichnet durch zwei Sätze (4 und S) akustischer Empfänger ι ο in aus der Optik bekannter Anordnung, wobei der eine Satz (4) halbkreisförmige Empfängerelemente umfaßt und der andere (5) sektorförmige, die sich radial vom Zentrum (8, 9) aus erstrecken, und daß zusätzlich jedes einzelne Empfängerelement (4 und 5) akustisch und elektrisch vom anderen isoliert ist

2. Einrichtung nach Anspruch 1 bei Beschallung im Reflexionsverfahren, dadurch gekennzeichnet, daß in der Mii'e des Empfängersystems (2 bis 5) ein Sender/Empfänger (8) sitzt, und der Sender/Empfänger einen eigenen elektrischen Anschluß aufweist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich in der Mitte des Empfängersystems (2 bis 5) eine runde Blende (9) befindet, die den Ultraschall-Abtaststrahl nullter Ordnung räumlich filtert und daß beim Durchstrahlverfahren der Sender (18) vor dem Objekt (14) und der Samellinse (13) steht

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