DE2628261A1

DE2628261A1 - Ultraschallwellen-sende- und -empfangsvorrichtung

Info

Publication number: DE2628261A1
Application number: DE19762628261
Authority: DE
Inventors: Kazuhiro Iinuma; Kinya Takamizawa
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1975-06-24
Filing date: 1976-06-24
Publication date: 1977-03-31
Also published as: JPS522591A; US4136325A; GB1547290A; DE2628261C2; JPS5652271B2

Description

Ultraschallwellen-Sende- und -Empfangsvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Ultraschallwellen-Sende und -Empfangsvorrichtung zur Bestimmung der Form, Struktur und dgl. eines zu messenden Objekts mittels Ultraschallwellen.

Es ist bereits eine derartige Vorrichtung bekannt, welche die Form, Struktur usw. eines Meßobjekts mittels in Form von Impulsen in das Meßobjekt abgestrahlten und in Form von Impulsen von den Abschnitten des Meßobjekts, die eine unterschiedliche Schallimpedanz besitzen, reflektierten Ultraschallwellen zu bestimmen vermag. Mittels einer solchen Vorrichtung kann die Innenstruktur des Meßobjekts als Ganzes untersucht werden.

Es ist bereits eine Vielfalt von Ultraschallwellensendern und -empfängern mit einer Abtastfunktion zur Verwendung bei der Ultraschalltopographie vorgeschlagen worden. In jüngster Zeit ist eine derartige Vorrichtung entwickelt worden, die entweder sequentiell eine Anzahl von in der gleichen Ebene liegenden elektroakustischen Wandlerelementen mittels elektronischer Schalter zu betätigen oder unter Phasen-

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steuerung eine Hochgeschwindigkeitsabtastung in einer Ebene mit einem Ultraschallwellenstrahl oder -bündel durchzuführen vermag. Indem entweder die elektroakustischen Wandlerelemente durch die 'ilektronischen Schalter für Signalübertragung und -empfang sequentiell mit hoher Geschwindigkeit aktiviert werden oder die Hochgeschwindigkeits-Phasensteuerung der Sende- und Empfangsimpulse von diesen WaMlerelementen durchgeführt wird, wird eine mit hoher Geschwindigkeit erfolgende Abtastung vorgenommen, wodurch es möglich wird, das Innengefüge bzw. die Innenstruktur des Meßobjektes praktisch auf Echtzeitbasis wiederzugeben. In der Praxis wurde wiederholt versucht, eine Echtzeitwiedergabe bzw. -anzeige zu gewährleisten. Die Erfindung richtet sich dabei insbesondere auch die Untersuchung des Inneren eines lebenden Körpers. Die Ultraschallgeschwindigkeit liegt im lebenden Körper bei ungefähr 1500 m/s, d.h. vergleichsweise niedrig, weshalb eine vergleichsweise lange Zeitspanne verstreicht, bis die reflektierten Strahlen aus den tiefergelegenen Teilen des lebenden Körpers, wo die Untersuchung angestellt werden soll, zurücklaufen. Für die Echtzeitanzeige wird eine vorbestimmte Beziehung zwischen dem Sichtfeld, der Dichte der Abtastzeilen und der Bildfeldzahl aufgestellt. Im folgenden sei z.B. ein einen rechteckigen Querschnitt besitzendes Bild betrachtet, wobei N die Zahl der Bildfelder pro Sekunde und P den Abstand der Abtastzeilen bedeuten. Hierbei entspricht die Fläche S des Sichtfelds

S< c. P/2N
worin c die Ultraschallgeschwindigkeit im lebenden Körper (etwa 1500 m/s) bedeutet. Im Fall von beispielsweise

2
S = 2oo cm und N = 3o Bilder /s ist p?o,8 mm, sodaß grobe Abtastzeilen erzielt werden.

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Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung einer Ultraschall-Sende und -Empfangsvorrichtung zur Umwandlung von über elektroakustische Wandlerelemente empfangenen Signalen in auf einer Zeitbasis komprimierte bzw. geraffte Signale und zur Wiedergabe von Abtastzeilen mit hoher Dichte bezüglich der Innenstruktur, Form usw. eines zu untersuchenden Objekts auf einer Anzeigefläche.

Diese Aufgabe wird bei einer Ultraschallwellen- Sende und -Empfangsvorrichtung erfindungsgemäß gelöst durch eine Anzahl von in einem vorbestimmten Anordnungsschema vorgesehenen elektroakustischen Wandlerelementen, durch eine Speise- bzw. Aktiviereinrichtung zur Aktivierung der Wandlerelemente für die Erzeugung von Ultraschallwellensignalen durch mehrere Speicherschaltungen zur Speicherung von elektrischen Signalen entsprechend den von einem zu messenden Objekt reflektierten und von den Wandlerelementen empfangenen Ultraschallwellensignalen, und durch eine Steuerschaltung die während einer Einschreibperiode sequentiell ein Einschreibbefehlsignal mit einer vorbestimmten Frequenz zu einer der Speicherschaltungen liefert, um das elektrische Signal sequentiell mit einer vobestimmten Frequenz in die Speicherschaltung einzuschreiben, und die den anderen Speicherschaltungen sequentiell Auslesebefehlssignale mit einer höheren Frequenz als derjenigen der Einschreibbefehlssignale zu liefern vermag, um den Inhalt der anderen Speicherschaltungen mit einer höheren als der vorbestimmten Frequenz auszulesen.

Im folgenden sind bevorzugte Ausfuhrungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Ultraschallwellen-Sende und -Empfangsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

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pig. 2 ein Schaltbild einer Signalverarbeitungsschaltung bei der Vorrichtung gemäß Fig. 1,

Pig. J)K bis JR und yj Wellenformdiagraimne eines Signals an jedem Punkt der Schaltungen gemäß Fig. 1 und 2,

Fig. jJS bis 3U graphische Darstellungen zur Erläuterung der Funktion einer Bewertungsvorrichtung (weight setting device) zur Verwendung bei der Signalverarbeitungsschaltung gemäß Fig. 2,

Fig. 4 ein Schaltbild einer Signalverarbeitungsschaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform,

Fig. 5 und 6 Schaltbilder einer Zeitpresserschaltung bzw. einer Bewertungsschaltung für die Signalverarbeitungsschaltung gemäß Fig. 4,

Fig. 7A bis 7T ein Zeitdiagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise der Signalverarbeitungsschaltung gemäß Fig. und

Fig. 8 ein Blockschaltbild einer Ultraschallwellen- Sende und -Empfangsvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei welcher ein Sektorenabtastsystem vorgesehen ist.

Fig. 1 zeigt eine Ultraschallwellen-Sende und -Empfangsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung die 64 elektroakustusche Wandlerelemente T 1 - T 64, die in einer gemeinsamen Ebene in gegenseitigen Abständen d voneinander angeordnet sind und einen Taktimpulsgenerator 13 aufweist, der an NAND-Glieder 11-1 bis 11-64 angekoppelt ist, die ihererseits über Impulsgeber 12-1 bis 12-64 an die elektroakustischen Wandlerelemente T1-T64 angekoppelt sind. Der Taktimpulsgenerator 15 ist mit einer Abtastschaltung 14 verbunden, die ihererseits an eine Schaltersteuerschaltung 15 angekoppelt ist, deren eine Klemme mit

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dem Taktimpulsgenerator 1j5 und deren andere Klemme mit den NAND-Gliedern verbunden ist. Die Ausgangsklemme der Schaltung 15 ist zudem mit Schaltkreisen 16-1 bis 16-64 verbunden. Die elektroakustischen Wandlerelemente T 1 bis T64 sind jeweils über Begrenzer 17-1 bis 17-64 und SchäL tkreise 16-1 bis 16-64 an eine Addierschaltung 19 angeschlossen, die einen Operationsverstärker 18 und Widerstände R1o1 bis R164 aufweist, die mit den Schaltkreisen 16-1 bis 16-64 verbunden sind. Die Begrenzer verhindern jeweils, daß ein übermäßig großes Eingangssignal vom Impulsgeber in die Addierschaltung 19 eingegeben wird. Das Ausgangssignal der Addierschaltung 19 wird über einen Hochfrequenzverstärker 2o einem Detektor 21 zugeführt, dessen Ausgangssignal zu einer Signalverarbeitungsschaltung 22 übermittelt wird, in welche dieses Ausgangssignal einer Zeitraffer- und Bewertungsverarbeitung unterworfen wird. Das bewertete Signal wird an eine Helligkeitsregelklemme Z einer Anzeigevorrichtung 25* etwa eine Kathodenstrahlröhre angelegt. Die Klemmen X und Y der Anzeigevorrichtung 23 werden mit entsprechenden Vertikal- und Horizontalsignalen von der Abtastschaltung beaufschlagt.

Die Signalverarbeitungsschaltung 22 ist nachstehend anhand von Fig. 2 näher erläutert.

Das Ausgangssignal des Detektors 21 wird an die Eingangsklemmen von Analogspeichern 24, 25 und 26 angelegt. Ein Impuls von z.B. 2,54 MHz wird von einem Impulsgenerator zu einem durch vier teilenden Frequenzteiler 28 geliefert, um einen 630 kHz - Ausgangsimpuls zu erzeugen, der als Einschreibbefehlssignal dem Analogspeicher 24 bis 26 zugeführt wird. Die Einschreibperiode wird durch eine erste Wählschaltung aus einem Ringzähler 29 sowie UMD-Gliedern 30, 31 und 32 eingestellt, deren erste Eingangsklemmen

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jeweils an die Ausgangsklemmen Q1, Q2 und Q3 des Ringzählers 29 angekoppelt sind. Der Impulsgenerator 33 liefert einen Ausgangsimpuls mit der gleichen Frequenz wie derjenigen eines Horizontalsynchronisiersignals beispielsweise in einem Fernsehempfänger zu einem durch 8 teilenden Frequenzteiler 34, an welchem diese Impulse in Impulse von etwa 2 kh unterteilt wird. Jedes mal wenn der so geteilte Impuls an den Eingang des Ringzählers 29 und an die zweiten Klemmen der UND-Glieder 30 - 32 angelegt wird, werden Einschreibzustand- Setzsignale der Art gemäß der Figuren 3D bis 3F sequentiell an die Speicher 24, 25 und 26 geliefert, um letztere in den Einschreibzustand zu versetzen, sodaß unmittelbar darauf folgende Einschreibbefehlssignale der Art gemäß Fig. 3G bis 3I sequentiell an die Speicher 24, 25 und 26 angelegt werden können.

Gegen Abhängigkeit von den Ausgangsimpulsen eines üinpulsgenerators I3 vom Detektor 21 sequentiell erzeugten Signale A-I, A-2 und A-3 werdenden Analogspeicher 24, 25 bzw. 26 gespeichert, während weitere Signale A-4, A-5 und A-6 in den Analogspeicher 24, 25 bzw. 26 gespeichert werden und so fort. Die Zahl der Bits in jedem Analogspeicher bestimmt sich durch die Gleichung

K = 21fW/c

worin

1 = maximale, von einer Ultraschallwelle abgetastete

Strecke
c = Geschwindigkeit einer in Tiefenrichtung durch ein

Untersuchungsobjekt laufenden Ultraschallwelle fW= Einschreibfrequenz
bedeuten.

Q Der Wiederholungszyklus T₀ des Impulsgenerators I3 ist auf

^ω mehr als das zweifache des Wertes von 21/c eingestellt. Das 00

-α in jedem Analogspeicher enthaltene Signal wird in Abhängig- ^ keit von einem 2,52 MHz - Ausgangsimpuls vom Impulsgenerator 27 ausgelesen, und die Auslesenzeitspanne wird durch eine *■*· zweite Wählschaltung mit Umsetzern 35* 36 bzw. 37 bestimmt, die an die Ausgangsklemmen Q1, Q2 bzw. Q3 des Ringzählers 29 sowie an UND-Glieder 38, 39 und 4o angekoppelt sind,

deren erste Ausgangsklemmen jeweils mit den betreffenden Ausgängen der Umsetzer 35, 36 bzw. 37 verbunden sind. Jedes mal dann, wenn der 15,75 kHz-Ausgangsimpuls des Impulsgenerators an die zweiten Ausgangsklemmen der UND-Glieder 38> 39 bzw. 4o angelegt wird, werden Auslesezustand - Setzsignale der in den Fig. 3J bis J>L dargestellten Art sequentiell an die Analogspeicher 24, 25 und 26 angelegt, und die unmittelbar άηην.ιΓ folgenden Signale gemäß den Fig. 3M bis 3? werden den Analogspeichern 24, 25 und 26 eingegeben. Dies bedeutet, daß ein Auslesebefehlssignal an den Analogspeicher 24 während der Zeitspanne angelegt wird, während welcher ein Datensignal in den Speicher 25 oder 26 eingeschrieben wird. Ebenso wird ein Auslesebefehlssignal an den Analogspeicher 25 oder 26 während der Zeitspanne angelegt, während welcher ein Datensignal in die anderen Speicher eingeschrieben wird. Jedes Auslesebefehlssignal wird im Umlauf den Speichern 24, 25 oder eingegeben, so oft der Ausgangsimpuls durch den Impulsgenerator 33 erzeugt wird. Die Ausgänge der UND-Glieder 38, 39 und 4o sind mit aufwärts/abwärts-Zählern 41, 42 bzw. 43 verbunden. Der Ausgang des Zählers 41 ist dabei mit einer Speise- Aktivierschaltung 44 zur selektiven Aktivierung von mit dem Analogspeicher 24 verbundenen Schaltern SW1 - SW8, der Ausgang des Zählers 42 ist mit einer Aktivierschaltung 45 zur selektiven Aktivierung von an den Analogspeichern angeschlossenen Schaltern SW11 SWI8 und der Ausgang des Zählers 43 ist mit einer Aktivierschaltung 46 zur selektiven Aktivierung von an den Analogpseicher 26 angeschlossenen Schaltern SW21 bis SW28 verbunden. Die Schalter SW1 bis SW18 in Reihe über zugeordnete Widerstände R1 bis R8 an einen Operationsverstärker 47 angeschlossen, während die Schalter SW11 bis SWI8 über Widerstände R 11 bis RI8 an einen Operationsverstärker und die Schalter SW 21 bis SW28 über Widerstände R21 bis R28

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an den Operationsverstärker 47 angekoppelt sind. Eine Bewertungsschaltung 48 umfaßt den aufwärts/abwärts-Zähler 41, die Aktivierschaltung 44, die Schalter SW1 bis SW8 sowie die Widerstände R1 bis R8. Eine andere Bewertungsschaltung 49 umfaßt den aufwärts/abwärts Zähler 42, die Aktivierschaltung 45, die Schalter SW11 bis SW18 sowie die Widerstände R11 bis R18. Eine dritte Bewertungsschaltung 5° besteht schließlich aus dem aufwärts/abwärts-Zähler 43, der Aktivierschaltung 46, den Schaltern SW21 bis SW28 und den Widerständen R21 bis R28. Zur Gewährleistung einer zweckmäßigen Bewertungsoperation besitzen die Widerstände in jeder Widerstandsgruppe R1 bis r8, R11 bis R18 und R21 bis R2$ jeweils voneinander verschiedene Widerstandswerte, während die jeweiligen Widerstände einer Widerstandsgruppe die gleichen Widerstandswerte wie entsprechende Widerstände in den anderen Widerstandsgruppen besitzen. Die Speise- bzw. Aktivierschaltung 44, 45 und 46 aktivieren beim Eingang von Binärsignalen von den aufwärts/abwärts-Zählern 41, 42 und 43 sequentiell die entsprechenden Schalter der einzelnen Schaltergruppen SW 1 bis SW8, SW11 bis SW18 und SW21 bis SW28, sodaß die Signale von den Analogspeichern 24, 25 und 26 durch die betreffenden Widerstände in jeder Widerstandsgruppe R1 bis R8, R11 bis RI8 und R21 bis R28 bewertet werden. Der Ausgang des Operationsverstärkers ist an eine Anzeigevorrichtung 23, etwa eine Kathodenstrahlröhre, angekoppelt.

Die Ausgänge der Impulsgeneratoren 27 und 33 sind an eine Synchronisiervorrichtung 52 angeschlossen, wobei der Impulsgenerator 27 durch die Synchronisiervorrichtung 52 zur Lieferung eines Impulses in Synchronismus mit einem Ausgangsimpuls vom Impulsgenerator 33 angesteuert wird.

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Nachstehend ist die Arbeitsweise der vorstehend beschriebenen Vorrichtung näher erläutert.

Die elektroakustischen Wandlerelemente T1 bis T64 werden so betätigt, daß bei der Ankunft eines ersten Impulses die Elemente T1 bis T8 gleichzeitig an Spannung gelegt bzw. aktiviert sind, während bei Ankunft des nächsten Impulses die Elemente T2 bis T9 gleichzeitig aktiviert sind, beim Auftreten eines nachfolgenden Impulses die Elemente TJ bis T1o gleichzeitig aktiviert sind und so fort.

Zur Durchführung des Meßvorgangs wird zunächst der Taktimpulsgenerator 1J angesteuert, um die Abtastschaltung zu aktivieren, sodaß ein Ausgangssignal an die Schaltersteuerschaltung 15 geliefert werden kann, wodurch diese Schaltung I5 angesteuert wird. Das Ausgangssignal der Schaltersteuerschaltung I5 wird beispielsweise eine Klemme der NAND-Glieder 11-1 bis 11-8 zugeführt, und das Ausgangssignal des Taktimpulsgenerators 1J wird an die andere Klemme der NAND-Glieder 11-1 bis 11-8 angekoppelt. Der erste Taktimpuls wird jeweils über die NAND-Glieder 11-1 bis 11-8 sowie die Impulsgeber 12-1 bis 12-8 zu den elektroakustischen Wandlerelemente T1 bis T8 übertragen, sodaß ein Ultraschallwellenstrahl von den Wandlerelementen T1 bis Τ8 in Richtung auf ein Meßobjekt abgestrahlt werden kann. Der an Außen- und Innenflächen des Meßobjekts reflektierte Strahl wird durch die elektroakustischen Wandlerelemente T1 bis Τ8 in elektrische Signale umgewandelt, und da die Schaltkreise I6-I bis I6-8 durch die Schaltersteuerschaltung durchgeschaltet worden sind, werden diese elektrischen Signale jeweils über die Begrenzer I7-I bis I7-8 und die Schaltkreise I6-I bis 16-8 an die Addierschalter angekoppelt, um diese ein Ausgangssignal abgeben zu lassen.

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13/ π

Das Ausgangssignal der Addierschaltung 19 wird über einen Hochfrequenzverstärker 2o dem Detektor 21 zugeführt, der daraufhin ein Signal der Art gemäß Fig. 3B erzeugt. Wie erwähnt werden die Signalkomponenten A-1, A-2 ... mit der Frequenz von 630 kHz und unter der Steuerung der Ausgangssignale (vgl. Fig. 3G und 3I)vom Frequenzteiler 2δ sowie von den UND-Gliedern 30 bis 32 sequentiell in den betreffenden Speichern 24, 25 und 26 gespeichert. Gemäß der Fig. 3Q und JR werden die Inhalte der Speicher 24, 25 und 26 mit der Frequenz von 2,52 MHz und unter der Steuerung der Ausgangssignale (vgl. Fig. JM bis JP) des Impulsgenerators 27 und der UND-Glieder 38, 39 und 4o ausgelesen. Die Auslesesignale der Speicher 24, 25 und 26 werden an den Bewertungsschaltungen 48, 49 und 50 jeweils entsprechend bewertet. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Ausleseperiode in 16 gleich große Abschnitt unterteilt, und die Bewertungen ¹¹O", "1", "2", "3", "4", "5", "6", "7", "8", "7", "6", "5", "4", "3", "2", "1" werden sequentiell in der angegebenen Reihenfolge den entsprechenden Impulsen der Auslesesignale der betreffenden Analogspeicher 24, 25 und 26 erteilt. Zwei der an den Bewertungsschaltungen 48, 49 und 50 bewerteten Signale werden in Überlappung bzw. Überlagerung dem Operationsverstärker 47 eingegeben, worauf dieser ein Ausgangssignal nach Art gemäß Fig. j5V erzeugt. Auf diese Weise werden die elektroakustischen Wandlerelemente durch die Impulse des Taktimpulsgenerators 13 aktiviert, und die Operation wiederholt sich auf ähnliche Weise.

Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform werden die Signale mit der Frequenz von 630 kHz in die Speicher 24, 25 und 26 eingeschrieben und aus ihnen mit der Frequenz von 2,52 MHz ausgelesen. Während der ersten Zeitspanne T1 gemäß Fig. 3A wird z.B. ein Signal A-1 vom Verstärker 23

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mit der Frequenz von 630 kHz in den Speicher 24 eingelesen bzw. eingeschrieben, und der Inhalt A-1 des Speichers 24 wird während der folgenden Zeitspanne 2T1 mit der Frequenz von 2,52 MHz entsprechend dem Ausleseimpuls aus dem Speicher 24 ausgelesen, d.h. während die Signale A-2 und A-3 (Fig. 3A) in die Speicher 17 und 18 eingeschrieben werden. Die Frequenz eines Ausgangsimpulses des Impulsgenerators I3 wird im allgemeinen mit etwa 2-4 kHz bestimmt, und zwar unter Berücksichtigung der Zeitspanne, welche die ausgestrahlte Ultraschallwelle für den Rücklauf vom Meßobjekt benötigt. Aus diesem Grund kann das am jeweiligen elektroakustischen Wandlerelement empfangene Signal nicht als Kathodenstrahlröhre-Video- bzw. -Fernsehsignal in Verbindung mit einem Horizontalsynchronisiersignal von 15,75 kHz verwendet werden. Wie in Verbindung mit der obigen Ausführungsform erläutert, werden die empfangenen Signale in die Analogspeicher eingeschrieben, und die Inhalte dieser Analogspeicher werden mit einer höheren Frequenz als der Einschreibfrequenz aus diesen Analogspeichern ausgelesen. Auf diese Weise kann ein Ausgangssignal erzielt werden, das sich als Videobzw. Fernsehsignal für eine Kathodenstrahlröhre eignet. Es sei angenommen, daß ein Ausgangsimpuls des Impulsgenerators 13 eine Frequenz von z.B. etwa 2 kHz besitzt. In diesem Fall muß zur Lieferung eines Videosignals für die Kathodenstrahlröhre die Zeitbasis um einen Faktor von 8 gepresst bzw. gerafft werden können. Erfindungsgemäß

. . Bzw. gepresst wird die Zeitbasis um einen Faktor von 4 gerafft,Vftobei der halbe Vorderabschnitt des so gerafften und empfangenen Datensignals sequentiell zweimal ausgelesen wird, sodaß diesbezüglich das Ergebnis das gleiche ist wie in dem Fall, in welchem die Zeitbasis ursprünglich um einen Faktor von 8 gerafft wird.

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Erfindungsgemäß wird die Frequenz von 2 kHz eines Eingangssignals mit dem 4-fachen der ursprünglichen Frequenz gewählt, wobei nur die vordere Hälfte jedes Signals, d.h. nur ein echtes Signal A den Synchronismus mit einem 15,75 kHz-Impuls vom Impulsgenerator 1j5 ausgelesen wird. In Folge dessen wird eine Abtastperiode äquivalent auf ein Achtel der Zeitlinie gepresst bzw. gerafft, und das geraffte Signal wird gemäß Fig. 3Q, in ein Signal umgewandelt, das mit einem Horizontalsynchronisiersignal (15,75 kHz) für die Kathodenstrahlröhre synchronisiert ist.

Derartige Signale können als Kathodenstrahlröhren-Video-Signale benutzt werden, doch wird dabei ein unnatürliches Bild wiedergegeben, weil einige der Abtastlinien auf der Kathodenstrahlröhre auf den gleichen Signalen baslerei. Zur Vermeidung dieses Mangels wird die Auslesezeitspanne für jeden Analogspeicher gleich dem doppelten der Einschreibperiode jedes dieser Speicher gewählt, wobei jeweils zwei Ausleseperioden bzw. -Zeitspannen einander überlagert werden. Die Auslesesignale werden an die Bewertungsschaltung 48, 49 und 5° angelegt, und zwei während der gleichen Ausleseperiode ausgelesene Signale werden miteinander addiert. Das addierte Signal wird dann dem Operationsverstärker 47 zugeführt, damit ein einem echten Bild getreu gleichendes Bild auf der Kathodenstrahlröhre wiedergegeben werden kann.

Zur Vereinfachung der Beschreibung sind die empfangenen Signale in Form von Rechteckwellen dargestellt. In der Praxis bestehen jedoch die Empfangssignale aus einer Reihe bzw. Kette von Impulsen mit ausreichend kurzen Seitenbreiten.

Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wird das Kompressions- bzw. Raffungsverhältnis der Zeitbasis durch

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ein Verhältnis zwischen den Frequenzen des Auslesebefehlssignals und des Einschreibbefehlssignals bestimmt, und das Verhältnis zwischen der Zahl der Abtastlinien auf der Kathodenstrahlröhre und der Zahl der tatsächlich abgetasteten Linien bzw. Zeilen wird durch ein Frequenzverhältnis zwischen dem Auslesebefehlssignal und dem Einschreibbefehlssignal bestimmt. Beispielsweise angenommen, daß bei 60 Abtastzeilen die Frequenz des Auslesebefehlssignals das 8-fache derjenigen des Einschreibbefehlssignals beträgt. In diesem Fall werden tatsächlich 48o Linien bzw. Zeilen auf der Kathodenstrahlröhre abgetastet.

Obgleich vorstehend beispielhaft eine Wiedergabe auf einen Kathodenstrahlröhren-Monitor angegeben ist, ist die Erfindung bei entsprechender Auswahl des Kompressions- bzw. Raffungsverhältnisses und der Abtastgeschwindigkeit auch auf eine gewöhnliche Wiedergabe- bzw. Anzeigevorrichtung möglich. Bei dieser Ausführungsform wird von allen elektroakustischen Wandlerelementen eine Zahl M von Elementen gleichzeitig und linear schrittweise abgetastet, so oft der ausgestrahlte Ultraschallwellenstrahl vom Meßobjekt reflektiert wird. Dabei kann auch eine Sektorenabtastung unter der Phasensteuerung des elektroakustischen Wandlerelements durchgeführt werden. Die Zeitpresasrschaltung und die Bewertungsschaltung könnten auch beispielsweise zurGewährleistung der Glätte bzw. Gleichmäßigkeit eines Anzeigesignals bei einer für Sektorenabtastung bestimmten Ultraschallwellen- Sende und -Empfangsvorrichtung (Fig. 7) verwendet werden.

Eine Signalverarbeitungsschaltung für eine Ultraschallwellen- Sende- und -Empfangsvorrichtung gemäß einer anderen AusfUhrungsform der Erfindung ist nachstehend anhand der Figuren 4-7 erläutert.

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Fig. 4 veranschaulicht eine Signalverarbeitungsschaltung. Ein vom Detektor 21 gemäß Pig. 1 abgegebenes Signal wird zu einem Tiefpassfilter 1o1 mit einer Sperrfrequenz von 7oo kHz geleitet, an welchem eine hohe harmonische Welle und Rauschkomponenten beseitigt werden. Das Signal wird über eine Abtast/Halteschaltung 1o2 (sample-and-hold circuit) zu einem Analog/Digitalwandler geleitet. Das Signal der Schaltung 1o2 wird am Wandler 1o3 zu einem 4-Bit-Digitalsignal in Abhängigkeit von einem Einschreibtaktimpuls von einer Steuerschaltung 1o5 umgewandelt, die ein Ausgangssignal eines Synchronisiersignalgenerators 1o4 eines Fernsehempfängers aufzunehmen vermag. Der Analog/Digitalwandler I03 weist Binärklemmen 2°, 2,2 und 2/ auf, an denen entsprechende Binärausgangssignale erzeugt werden. Das Digitalausgangssignal des Wandlers I03 wird Schieberegistern 111 - 114, II5 bzw. 119 - 122 über elektronische Schalter SWI0I- SWio4, SWI05 - SWI08 bzw. SWI09 - SW112 zugeführt, welche durch die Steuerschaltung I05 jeweils auf den Kontakt W umgelegt werden. Die Impulswiederholungsfrequenz der Abtast/ Halteschaltung 1o2 und des Analog/Digitalwandler I03 sowie die Einschreibtaktimpulsfrequenz der Schieberegister 111 bis 122 (z.B. dynamische 256 Bit-Schieberegister) sind auf 1,4 MHz eingestellt. Wenn beispielsweise ein Signal von 256 Bits in das Schieberegister 111 bis 114 gespeichert ist, werden die Schalter SWI0I bis SW1o4 zur Seite des betreffenden Kontakts R geschlossen, sodaß die Signale vom Wandler 1oJ aus den Schieberegistern 111 bis 114 ausgelesen werden. Wenn sich die Schalter SWI05 bis SWI08 jeweils auf der Seite des betreffenden Kontakts W befinden, können die Signale vom Analog/Digita1-Wandler in die Schieberegister 115 bis 118 eingeschrieben werden. Die Schalter SWI09 bis SW112 werden am Kontakt R gehalten, um die Signale vom Analog/Digital-Wandler aus den Schieberegistern

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119 bis 122 auslesen zu können. Zu diesem Zeitpunkt wird die Taktimpulsfrequenz des Schieberegisters um einen Betrag entsprechend einer Zeitraffungsgröße erhöht. Wenn ein Signal auf Zeitbasis um einen Faktor von z.B. 3>J5 komprimiert bzw. gerafft wird, erfolgt ein Auslesen mit einer Taktimpulsfrequenz von 4,7 MHz. Da auch bei dieser Ausführungsform das gleiche Signal während der Auslesezeitspanne achtmal ausgelesen werden muß, werden die Ausgangssignale der Schieberegister 111 bis 122 über jeden Kontakt R der Schalter SW 1o1 bis SW112 zur Eingangsklemme der Schieberegister 111 bis 122 zurückgeführt, und es wird wiederum in jedes der Schieberegister 111 bis eingeschrieben. Genauer gesagt, werden einmal eingeschriebene Signale beliebig oft ausgelesen, bis die Schalter SW1o1 bis SW112 gegen die Seite der betreffenden Kontakte W geschlossen werden. Die Schieberegister 111 bis 114, 115 bis 118 und 119 bis 122 entsprechen dabei dem Analogspeicher 24, 25 bzw. 26 der zuerst beschriebenen Ausführung. Wie bei letzterer bewirken dann, wenn einer der Sätze von Schieberegistern einem Einschreibvorgang unterworfen ist, die beiden anderen Schieberegistersätze eine Ausleseoperation. Der Analog/ Digital-Wandler 1oj5 wandelt ein Analogsignal vom Detektor 21 in ein Digitalsignal von 4 Bits um. Dieses aus 4 Bits bestehende Digitalsignal des Wandlers 1o^ wird zum betreffenden Schieberegister jedes Schieberegistersatzes übertragen. Die Digitalausgangssignale der Schieberegister 111 bis 122 werden durch Schalter SW151 bis SW186 geleitet, die auf noch näher zu beschreibende Weise durch die Steuerschaltung 1o5 angesteuert werden, und an einem Digitaladdierwerk 106 in Digitalform zueinander addiert. Das addierte Signal des Digitaladdierwerks I06 wird nach

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einem Digital/Analog-Wandler 1o7 in ein Analogsignal umgewandelt, das dazu einem Tiefpassfilter 1o8 mit einer Sperrfrequenz von 2,3 MHz geleitet wird, an welchem höhere harmonische Komponenten ausgefiltert werden. Das durch das Tiefpassfilter 1o8 laufende Signal wird einem Operationsverstärker 109 einem Fernsehsynchronisiersignal für die Zufuhr zu einem Pernseh-Monitor hinzu addiert.

Fig. 5 veranschaulicht die Steuerschaltung und die Zeitablenk- bzw. Zeitbasispresser schaltung gemäß Fig. 4. Alle Steuersignale werden dabei von einem Fernseh- Synchronisiergenerator erhalten. Die Frequenz des 14 MHz-Ausgangssignals dieses Generators 1o4 wird durch einen durch 1o dividierenden Frequenzteiler I3I geteilt, wobei das Ausgangssignal des Frequenzteilers I3I am Gatter- bzw. Torschaltungen I0IB, I05B und I09B geliefert wird, um als Einschreibtakt impuls für die Schieberegister 111 bis 122 benutzt zu werden. Die Frequenz des 14 MHz-Ausgangssignals des Generators 1o4 wird durch einen durch 3 dividierenden Frequenzteiler 1J2 geteilt, dessen Ausgangssignal zur Verwendung als Auslesetaktimpuls für die Schieberegister 111 bis 122 Gattern- bzw. Torschaltungen I0IA, I05A und I09A zugeleitet wird. Die TorschaItungen I0IA und I0IB, I05A und I05B sowie I09A und I09B sind jeweils über Torschaltungen I0IC, I05C bzw. 1o9C an die Schieberegister 111, 115 bzw. 119 angekoppelt. Ein Ringzähler I3I wird durch ein 15,75 kHz-Ausgangssignal vom Signalgenerator 1o4 angesteuert, wobei die Einschreib- und Auslesesteuerung der Schieberegister 111 bis 114, II5 bis 118 und 119 bis 122 durch Signale von den Torschaltungen I0IA und I0IB, I05A und I05B sowie I09A und I09B und durch Signale erzeugt, die jeweils über Umsetzer 141, 142 bzw. 143 vom Ringzähler I33 geliefert werden.

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NAND-Glieder 1o1D, I05D und 1o9D vermögen jeweils die Ausgänge Q., Q_x, und Q_T des Ringzählers I33 ab-

O zugreifen, wobei ein Ausgang entsprechend einer 2 Klemme des Analog/Digital-Wandlers und die NAND-Glieder I0IE, I05E und I09E jeweils die invertierten Ausgangssignale der Ausgänge Q_A, Q_ß und Qy des Ringzählers 133 sowie die Ausgangssignale von den Schieberegistern 111, 115 bzw. 119 aufzunehmen vermögen. Die NAND-Glieder I0ID und I0IE, I05D und I05E, sowie I09D und I09E sind dabei mit NAND-Gliedern I0IF, 1o5F bzw. 1o9F gekoppelt. Bei Eingang von Ausgangssignalen von den NAND-Gliedern I0IF, 1o5F und I09F wird ein Eingangssignal den Schieberegistern 111, II5 und II9 zugeführt.

Die Fig. 7A bis 7F veranschaulichen ein Zeitdiagramm für das Ausgangssignal des Ringzählers I33. Die Einschreibsteuersignale für die Schieberegister 111, II5 und 119 werden hierbei von den Ausgängen Q_A, Q_E und Q₁ des Ringzählers I33 erhalten. Diese Einschreibsteuersignale sind in den Fig. 7A, 7C und 7E veranschaulicht. Die Auslesesteuerung der Schieberegister 111, 115 und 119 erfolgt durch die Ausgänge Q_A §_E und Q₁ des Ringzählers 133, wobei gemäß den Fig. 7B, 7D und 7F ein beispielsweise während einer Zeitspanne von T1 ausgelesenes Signal in Perioden T2 und T3 und einem Faktor von 4 komprimiert bzw. gerafft und achtmal ausgelesen wird.

Fig. 6 veranschaulicht eine Ausführungsform der Bewertungsschaltung gemMß Fig. 4. Dabei sind Schalter SV/151 bis SWI86 aus Torschaltungen I5I bis 162 und ODER-Schaltungen bzw. -Gliedern I63 bis 166 gebildet. Diese Torschaltung I5I bis 162 werden durch Ausgangssignale

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von den Klemmen Q_A bis Q- des Ringzählers I33 angesteuert. Im folgenden ist ein Beispiel hierfür erläutert .

Zunächst sei ein neunter Taktimpuls vom Ringzähler (vgl. Pig. 7A) betrachtet. Zu diesem Zeitpunkt werden Toröffnungssignale an den Ausgangsklemmen Q_ bis Q,_T erzeugt, wobei nur die Eingangssignale zu den Torschaltungen 154, 157, 160 und 152 von den ODER-Gliedern bis 166 erscheinen. Dies bedeutet, daß der Ausgang des Schieberegisters II5 an die Torschaltung I63 und der Ausgang des Schieberegisters 111 an die Torschaltungen 164, 165 und 166 angekoppelt ist. Die AusgangsSignaIe der ODER-Glieder I63 und 164 werden einem Digitaladdierwerk 167 und die AusgangsSignaIe der ODER-Glieder I65 und 166 einem Digitaladdierwerk 168 eingegeben. Die Ausgangssignale dieser Addierwerke I67 und 168 werden an einem ähnlichen Addierwerk 169 addiert, dessen Ausgangssignale einen Digital/Analog-Wandler I70 zugeführt werden. In der oben genannten Zeitspanne werden daher dar Signal des Schieberegisters 111 und das Signal des Schieberegisters II5 in einem Verhältnis von 3*1 addiert. Bei den 1o., 11. und 12. Taktimpulsen des Ringzählers wird das Ausgangssignal des Schieberegisters 111 dem Ausgangssignal des Schieberegisters 115 im Verhältnis von 2:2, 1:3 bzw. o:4 hinzuaddiert. Da hier bei den Ausgangssignalen dieser Schieberegister 4 BewertungsVerhältnisse erteilt werden, müssen die Digitaladdierwerke 167 bis 169 sowie der Digital/Analog-Wandler I70 6 Bitsignale verarbeiten. Das Verfahren zur Bewertung des Signals in Digitalform erfordert nur einen einzigen Digital/Analog-Wandler, und es ist mit einer geringeren Fehlerrate auf Grund von Abweichungen der Bauteile behaftet, sodaß ein stabiler Betrieb gewährleistet wird. Das Digitalsignal kann jedoch auch vor seiner Bewertung in das Analogsignal umgewandelt werden.

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Obgleich anhand der Fig. 5 und 6 die Signalverarbeitung zur Vereinfachung der zeichnerischen Darstellung in Verbindung mit den Schieberegistern 111, 115 und 119 erläutert worden ist, ist ohne weiteres ersichtlich, daß eine Schaltung für die Verarbeitung der den anderen Schieberegistern eingegebenen und von ihnen abgegebenen Signale auf die gleiche Weise wie in den Fig. 5 und 6 ausgelegt sein kann.

In Fig. 8 ist eine Ultraschallwellen-Sende und -Empfangsvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung dargestellt, wobei den Teilen von Fig. 1 entsprechende Teile mit den selben Bezugsziffern wie vorher bezeichnet sind.

Ein von einem Taktimpulsgenerator 13 abgegebene Impuls wird hierbei Verzögerungsschaltungen 2oo-1 bis 2oo-N zugeführt. Eine Steuerschaltung 2o2 wird durch den Taktimpulsgenerator 13 angesteuert, und die Verzögerungsschaltungen 2oo-1 und 2oo-N werden durch die Steuerschaltung 2o2 so angesteuert, daß sie vorbestimmte VerzögerungsZeitspannen gewährleisten, so oft der Taktimpulsgenerator 13 einen Impuls liefert. Wenn nämlich vom Taktimpulsgenerator 1j5 ein erster Impuls erzeugt wird, sind dabei die Verzögerungsschaltungen 2oo-1 bis 2oo-N durch die Steuerungsschaltung 2o2 so gesetzt, daß die Verzögerungszeiten 0, t.., 2t,. ... (N-IJt₁ gewährleisten. Die Ausgangssignale der Verzögerungsschaltungen 2oo-1 bis 2oo-N werden über Impulsgeber 12-1 bis 12-N elektroakustischen Wandlerelementen T1 bis TN zugeführt. In diesem Fall werden die Ultraschallwellen von den elektroakustischen Wandlerelementen mit den oben angegebenen Verzögerungszeiten erzeugt, wobei die Wellenfront der Ultraschallwelle einen Winkel Q₁ zu einer Ebene beschreibt, in welcher die elektroakustischen Wandlerelemente angeordnet sind. Auf diese

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Weise werden die auf das Meßobjekt gerichteten Ultraschallwellen gegen die elektroakustischen Wandlereleraente T1 bis TN reflektiert, von denen sie in elektrische Signale umgewandelt werden. Diese elektrischen Signale werden über begrenzte 17-1 bis I7-N und Verzögerungsschaltungen 20I-I und 20I-N einem Hochfrequenzverstärker 21 zugeführt. Ebenso wie die Verzögerungsschaltung 2oo-1 bis 200-N werden die Verzögerungsschaltungen 2o1-1 bis 2o1-N durch die Steuerschalter 2o2 so angesteuert, daß sie Verzögerungszeiten entsprechend den Verzögerungsschaltungen 2oo-1 bis 2oo-N besitzen.

Wenn vom Taktimpulsgenerator ein zweiter Taktimpuls geliefert wird, werden die Verzögerungsschaltungen 2oo-1 bis 200-N durch die Steuerschaltung 2o2 auf Verzögerungszeiten von o,tp, 2tg ··· (N-1)tp gesetzt. Infolge dessen breiten sich die Ultraschallwellen von den elektroakustischen Wandlerelementen T1 bis TN so aus, daß die Wellenfront einen vom Winkel Q^ abweichende Winkel ©₂ beschreibt. Auf diese Weise werden die einzelnen Taktimpulse durch den Taktimpulsgenerator I5 geliefert, während die Verzögerungsschaltung 2oo-1 bis 2oo-N auf vorbestimmte Verzögerungszeiten gesetzt werden und die Ultraschallwellen durch die elektroakustischen Elemente T1 bis TN so abgestrahlt werden, daß sie einen unterschiedlichen Winkel gegenüber einer Ebene beschreiben, in welcher die elektroakustischen Wandlerelemente T1 bis TN angeordnet sind. Hierdurch wird eine Abtastoperation durchgeführt.

Obgleich die Ausführungsform gemäß Fig. 8 für das Senden bzw. die Übertragung die Verzögerungsschaltung 2oo-1 bis 2oo-N und für den Empfang die Verzögerungsschaltung 2o1-1 bis 2o1-N verwendet, kann für jedes elektroakustische Wandlerelement eine einzige Verzögerungsschaltung verwendet werden. Hierbei ist die einzige Verzögerungsschaltung über

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einen geeigneten Schaltkreis mit einer Sendeschaltung oder einer Empfangsschaltung verbunden, sodaß die gleiche Funktion wie diejenige der Verzögerungsschaltung gemäß Fig. 8 durchgeführt wird.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche 2 ö Z ö Z b |

1./Ultraschallwellen- Sende und -Empfangsvorrichtung, gekennzeichnet durch eine Anzahl von in einem vorbestimmten Anordnungsschema vorgesehenen elektroakustisehen Wandlerelementen, durch eine Speise- bzw. Aktiviereinrichtung zur Aktivierung der Wandlerelemente für die Erzeugung von Ultraschallwellensignalen durch mehrere Speicherschaltungen zur Speicherung von elektrischen Signalen entsprechend den von einem zu messenden Objekt reflektierten und von den Wandlerelementen empfangenen Ultraschallwellensingalen, und durch eine Steuerschaltung, die während einer Einschreibperiode sequentiell ein Einschreibbefehlssignal mit einer vorbestimmten Frequenz zu einer der Speicherschaltungen liefert, um die elektrischen Signale sequentiell mit einer vorbestimmten Frequenz in die Speicherschaltung einzuschreiben, und die den anderen Speicherschaltungen sequentiell Auslesebefehlssignale mit einer höheren Frequenz als derjenigen der Einschreibbefehlssignale zu liefern vermag, um den Inhalt der anderen Speicherschaltungen mit einer höheren als der vorbestimmten Frequenz auszulesen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Bewertungsschaltung (weight setting circuit) zur Bewertung der Ausgangssignale der Speicherschaltungen vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektroakustischen Wandlerelemente auf gleiche Abstände verteilt auf einer Linie angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dafl die elektroakustischen Wandlerelemente durch die Aktiviereinrichtung sequentiell wiederholt schrittweise aktivierbar sind.

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5· Vorrichtung nach Anspruch J5, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktiviereinrichtung phasengesteuerte Signale an die elektroakustischen Wandlerelemente zu liefern vermag, um für eine Sektorenabtastung sequentiell Ultraschallwellen mit unterschiedlichem Winkel zu erzeugen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslesebefehlssignale eine mit einer Horizontalsynchronisierfrequenz für einen Fernsehempfänger synchronisierte Frequenz besitzen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherschaltungen Analogspeicher sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherschaltungen einen Analog/Digital-Wandler zur Umwandlung der von den elektroakustischen Wandlerelementen geliferten elektrischen Signale in Digitalsignale sowie Digitalspeicher zur Speicherung der Digitalsignale vom AnaIog/Digita1-Wandler aufweisen.

9· Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Bewertungsschaltung zur Bewertung der AusgangsSignaIe des betreffenden Digitalspeichers sowie ein Digital/Analog-Wandler zur Umwandlung der Ausgangssignale der Bewertungsschaltung in Analogsignale vorgesehen sind.

1o. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin ein Digital/Analog-Wandler zur Umwandlung der Ausgangssignale der Digitalspeicher in Analogsingale und eine Bewertungsschaltung zur Bewertung der Ausgangssignale des Digital/Analog-Wandlers vorgesehen sind.

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