DE2651786A1

DE2651786A1 - Verfahren und vorrichtung zur steuerung von ultraschallwellen

Info

Publication number: DE2651786A1
Application number: DE19762651786
Authority: DE
Inventors: Toshio Kondo; Masao Kuroda; Toshio Ogawa; Sekiyuro Ono
Original assignee: Hitachi Medical Corp
Current assignee: Hitachi Healthcare Manufacturing Ltd
Priority date: 1975-11-12
Filing date: 1976-11-12
Publication date: 1977-05-26
Also published as: US4080838A; DE2651786B2

Description

PATENTANWÄLTE 2 6 5 Ί 7 8

SCHIFF ν. FÜNER STREH-L SCHÜBEL-HOPF EBBfNGHAUS

MARIAHILFPLATZ 2 & 3, MÜNCHEN 9O POSTADRESSE: POSTFACH 95 O1 6O, D-8OOO MÖNCHEN 95

Hitachi Medical Corporation

DA-12 351 12. November 1976

Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung von Ultraschallwellen

Für verschiedene Diagnosezwecke ist eine Ultraschall-Diagnoseeinrichtung viel verwendet worden, bei der ein Körper mit Ultraschall bestrahlt wird und ein Echo dieses Ultraschallstrahls durch Modulation der Helligkeit einer Kathodenstrahlröhre oder dergleichen sichtbar gemacht wird, um ein Ultraschall-Tomogram zu erzeugen.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung von Ultraschallwellen, die von einem Ultraschallwandler niit phasengesteuerter Anordnung ausgesandt oder empfangen werden, um den in einer Ultraschall-Diagnoseeinrichtung oder dergleichen verwendeten Ultraschallstrahl elektronisch zu tasten.

Zur Ablenkung des UltraschallStrahls ist bisher nach einem Verfahren gearbeitet worden, bei dem eine Vielzahl von zu einer Anordnung geformten Wandlerelementen jeweils mit unterschiedlichen Zeiten einer aussteuernden Impulsspannung beaufschlagt wurden.

In Fig. 1(a) der beigefügten Zeichnungen ist die Ausbreitung von Ultraschallwellen für denjenigen Fall dargestellt;, daß η längs einer geraden Linie angeordnete Elemente gleichzeitig ausgesteuert werden. Die Hauptkeule der Ultraschallwellen verläuft dabei senkrecht zu der Richtung, in der die Elemente angeordnet sind.

Im Falle der Fig. 1(b) werden die Elemente jeweils mit

26b1786 ξ

Verzögerungszeiten τ* bis t„ ausgesteuert (wobei _T„ = d^/V

• Ii. Xi i.A.

mit V als Schallgeschwindigkeit in dem zu beobachtenden Medium ist), so daß die Wellenfronten der Schallwellen in Entfernungen d^ bis d phasengleich werden. In diesem Fall liegt die Hauptkeule der Ultraschallwellen an einer Stelle, die um einen Winkel Q = sin" (V.<r_n/l) mit 1 = der Gesamtlänge der Ultraschallwandler-Anordnung abgelenkt ist.

In ähnlicher Weise ist dann, wenn d^ < d_n (t-j > T_n) ist, die Hauptkeule der Ultraschallwellen gemäß Fig. 1(c) um den Winkel -e verschwenkt.

Wie beschrieben, kann die Ablenkung des Ultraschall-Hauptstrahls dadurch bewirkt werden, daß die jeweiligen Elemente der phasengesteuerten Ultraschallwandler-Anordnung mit den entsprechenden Verzögerungszeiten ausgesteuert werden. In ähnlicher Weise lassen sich Empfangswellen mit einer Richtwirkung versehen, indem die von den einzelnen Elementen empfangenen Signale mit entsprechenden Verzögerungszeiten beaufschlagt und auf der Seite des Ultraschallwellenempfangs addiert werden.

In Fig. 2 ist ein Beispiel für eine bekannte Schaltung gezeigt, die Sende- oder Empfangssignale mit den jeweils entsprechenden Verzögerungszeiten beaufschlagt. Da die dargestellte Schaltung generell für den Empfang verwendet wird, soll an dieser Stelle der Empfang erläutert werden. Die elektrischen Signale, die beim Auftreffen von Ultraschallwellen U^ von η Elementen erzeugt werden, werden durch zwischen jeweils benachbarten Elementen eingeschaltete variable Laufzeitglieder I₁ bis 1 und Addierglieder 2^ bis ²n ^verzöS^{e]rt und} dann addiert und so mit der Richtwirkung versehen.

Es sei nun angenommen, daß die Elemente in gleichen Intervallen t-j = to = ··· T_n = τ angeordnet sind. Die Größe der Verzögerungszeit zwischen jeweils benachbarten Elementen ergibt sich dabei dadurch, daß die zu einem gewünschten Ablenkwinkel erforderliche maximale Verzögerungszeit durch eine Zahl dividiert wird, die um 1 kleiner ist als die Gesamtanzahl der Elemente. Daher reicht ein einzelnes Steuersignal für die Verzögerungszeiten aus.

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Wird nun mit δ der Abstand zwischen jeweils benachbarten Diementen und mit θ d:er Ablenkwinkel bezeichnet, so ergibt sich die Verzögerungszeit als

- A . sin ο Z₁X

worin V die Schallgeschwindigkeit in.dem Medium bedeutet. Betragt beispielsweise der Abstand λ zwischen den Elementen 0,5 mm, der Ablenkwinkel r = 45° und die Schallgeschwindigkeit in dem Medium V = 1500 m/sec, so ergibt sich aus Gleichung (1) die Verzögerungszeit _T zu 236 nsec. Nimmt man nun an, daß der Winkel θ alle 0,5° getastet wird, so muß τ alle 2 bis 3 nsec geändert werden. Haben jedoch die verwendeten Elemente eine Eigenfrequenz von beispielsweise etwa 2 MHz, so entspricht eine Wellenlänge gleich 500 nsec, und es ist praktisch bedeutungslos, die Phasensteuerung mit einer besseren Genauigkeit als etwa 1 % durchzuführen.

Werden in diesem Fall die Verzögerungszeiten dadurch gesteuert, daß lediglich die Genauigkeit der Phasensteuerung und die Quantisierung der Verzögerungszeiten vorgeschrieben werden, so ist die obige Bedingung _T-, = _T? ⁼ ··· T_n nicht mehr erfüllt, und das besagte einzelne Steuersignal für die Verzögerungszeiten reicht nicht mehr aus. Daher wird die Steuerung kompliziert.

Ein Ziel der Erfindung besteht darin, eine neuartige Steuerung zu schaffen, die die Schwierigkeit der obigen bekannten Steuerung beseitigt und sich einfach und ohne großen Aufwand ausführen läßt, um die Verzögerungszeiten zu steuern, mit denen die jeweiligen Elemente einer phasengesteuerten Ultraschallwandler-Anordnung zu beaufschlagen sind.

Die Erfindung vermittelt dazu ein Verfahren, bei dem die Verzögerungszeiten, die für die jeweiligen Elemente erforderlich sind, um die phasengesteuerte Ultraschallwandler-Anordnung mit einer Richtwirkung gemäß einem jeweils gewünschten Winkel zu versehen, mit einer gewissen vorgegebenen Zeit quantisiert werden und, wenn die quantisierten Werte zwischen den benachbarten Elementen einen Unterschied aufweisen, die Verzögerungszeit zwischen den Elementen aufgrund der Differenz zwischen den quantisierten Verzögerungs-

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werten gesteuert wird. Genauer gesagt, wird die gesamte Verzögerungszeit _T vorher durch die Anzahl (N - 1) der Intervalle zwischen benachbarten Elementen in gleiche Teile geteilt, und der so erzielte Wert wird mit einer Verzögerungszeit τ quantisiert. Die quantisierten Verzögerungszeiten _T. lassen sich also ausdrücken durch"

^Ti ⁼ !"({j i i)A_o] (i = O, 1, 2, ..., N - 1) worin τ = ττ sin 9 mit θ als Ablenkwinkel, 1 als Länge der Anordnung und V als Schallgeschwindigkeit ist. Die eckigen Klammern F 1 bedeuten, daß die Stellen nach dem Komma abgerundet werden.

Anschließend werden die Unterschiede der quantisierten Verzögerungszeiten τ*.^ " ^Ti (i ⁼ ^, 1, 2, ..., N - 1) zwischen den benachbarten Elementen ausgewertet. Mit den diesen Werten entsprechenden Verzögerungszeiten werden die Ultraschallwellen beaufschlagt.

Bei der Erfindung ist es zur Vereinfachung der Vorrichtung dabei zv/eckmäßig, den Ablenkwinkel der Ultraschallwellen in einem Bereich zu berechnen, in dem die Werte der Differenzen der quantisierten Verzögerungszeiten zwischen den benachbarten Elementen zu 1 und 0 werden*

Die Erfindung wird in der nachstehenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen Fig. 1(a) bis (c), auf die oben schon Bezug genommen wurde, Strahlungsdiagramme einer phasengesteuerten Ultraschallwandler-Anordnung;

Fig. 2, auf die ebenfalls schon Bezug genommen wurde, ein Blockschaltbild für den Aufbau einer bekannten Ultraschallwellen-Steuervorrichtung; Fig. 3 ein Blockschaltbild zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung von Ultraschallwellen;

Fig. 4, 5 und 6 Blockschaltbilder zur Veranschaulichung eines Ausführungsbeispiels für eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Steuerung von Ultraschallwellen; Fig. 7 ein Blockschaltbild zur Erläuterung eines weiteren erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung von Ultraschallwellen?

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Fig. 8 und 9 Blockschaltbilder einer Schaltung mit variabler Verzögerung bzw. eine Steuerschaltung dafür, wie. sie in der Vorrichtung nach Fig. 7 verwendet werden; und

Fig. iO(a) und (b) Blockschaltbilder zur Erläuterung eines weiteren erfindungsgemäßeh Verfahrens zur Steuerung von Ultraschallwellen.

Das Prinzip der Erfindung soll anhand eines Beispiels beschrieben werden, bei dem der Wert des Unterschiedes der quantisierten Verzögerungszeiten zwischen den benachbarten Elementen 1 oder 0 beträgt. In einem solchen Fall wird nämlich eine Vereinfachung der Vorrichtung entsprechend der Erfindung erreicht (indem beispielsweise die Speicherkapazität klein sein kann). Überschreitet der Ablenkwinkel einen gewissen Wert, so kann der genannte Unterschiedswert zu einer ganzen Zahl von 2 oder mehr werden; selbstverständlich können die Ultraschallwellen aber auch mit einer diesem Unterschiedswert entsprechenden Verzögerungszeit beaufschlagt werden.

Es sei nun mit _T die Verzögerungszeit zwischen den

θ
benachbarten Elementen zu der Zeit bezeichnet, wenn die Richtwirkung einen Ablenkwinkel θ mit τ_ο als Quantisierungswert und mit N als Gesamtzahl der Elemente beaufschlagt wird; dabei sei ein Satz M_Q(i) von Unterschiedswerten betrachtet. In diesem Zeitpunkt wird der Anfangswert von η (ganze Zahlen) gleich 1 gemacht und M (i) wird gleich 1 oder 0 (i β 1 - N) gesetzt. Wird nun i auf 1, 2, 3, ... N geändert, so ergeben sich die Werte von i, die die nachstehende Gleichung (2) erfüllen:

( Ia i - n) > o. (2)

^To

Jedesmal, wenn i die Gleichung (2) erfüllt, wird M (i)

='1 eingestellt, und der Wert von η wird um 1 erhöht. Somit v/erden sämtliche die Gleichung (2) erfüllenden Werte von i nacheinander ermittelt. Auf diese Weise wird eine Folge von Werten von M (i) mit "1" oder ¹¹O" unter der Be-

Θ
dingung, daß _Ta < _T ist, für den Ablenkwinkel θ der Tastung vollständig berechnet. Im folgenden wird die für _T < _Tq berechnete Größe M (i) als "quantisierter Differenzcode¹¹

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bezeichnet.

Im folgenden sei beispielsweise ein B"all betrachtet, bei dem die Anzahl von Elementen 32 beträgt, der Abstand δ zwischen den Elementen 0,5 mm, die Schallgeschwindigkeit in dem betreffenden Medium 1500 m/sec und der Quantisierungswert 50 nsec. Für den Fall θ = 0 werden die Werte von M (i) für i = 1 bis 32 zu O, O, O, O, O, O, O, O, O, O, O, -O, O, O, O, O, O, O, O, O, O, O, O, O, O, O, O, O, O, O, O, O. Für den Fall θ = 4,3° werden die Werte von M (i) für i = 1 bis 32 zu O, O, 1, O, 1, O, 1, O, 1, O, 1, O, 1, O, 1,

0, 1, O, 1, O, 1, O, 1, O, 1, O, 1, O, 1, O, 1, O, Im Fall θ = 8,6° werden die Werte von M (i) für i = 1 bis 32 zu O,

1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1.

Werden die quantisierten Differenzcodes M (i), die auf

diese Weise für sämtliche Ablenkwinkel θ mit T_fl < T₀ berechnet worden sind, zur Steuerung der Verzögerungszeiten der _jeweiligen Elemente verwendet, so läßt sich die Steuerung stark vereinfachen.

Im folgenden soll das Verfahren zur Steuerung der Verzögerungszeiten der jeweiligen Elemente in Verbindung mit Fig. 3 beschrieben werden.

Die Vorrichtung nach Fig. 3 besteht darin, daß in der in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung zwischen die jeweils benachbarten Elemente Laufzeitglieder 3-j bis 3_ niit einer jeweiligen Verzögerungszeit von _T und Schalter 4^ bis 4 eingefügt sind. Wie bei der Schaltung nach Fig. 2 sind die Elemente Über die Addierglieder 2^ bis 2 in Serie geschaltet.

Bei einem derartigen Aufbau ist das Vorhandensein bzw. Fehlen von Verzögerungswerten zwischen den jeweils benachbarten Elementen durch die Schalter 4>i bis 4 in Übereinstimmung mit der Wertegruppe von M (i) mit i = 1 bis N

entsprechend dem vorher erwähnten gewünschten Ablenkwinkel 9 realisiert. Es wird also entsprechend den Werten von

M_n(i) gearbeitet, um die Verzögerungszeiten zwischen den θ

von den jeweils benachbarten Elementen zu empfangenden Ultraschallwellen zu bestimmen. Ist beispielsweise für i=1 der Wert von M₉ (i) = 1, so liegt der Schalter 4p auf der Seite des Verzögerungsgliedes 3%, und die von dem

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Element 2 empfangenen Ultraschallwellen werden mit der Verzögerung T₀ beaufschlagt.

Nimmt man beispielsweise an, daß der Quantisierungswert mit 50 nsec gewählt wird, daß der Abstand & zwischen den Elementen 0,5 mm und die Schallgeschwindigkeit V in dem Medium 1500 m/sec beträgt so ist es in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 möglich, den Winkel 9 um jeweils 0,27° bis hinauf zu 8,6° zu verändern.

Bei der bekannten Schaltung nach Fig. 2 ist zwischen" den benachbarten Elementen eine Stufe mit variabler Verzögerung erforderlich, die mit einer LC-Laufzeitkette von 50 nsec mit 17 bis 25 Steueranschlüssen arbeitet, um änderungen zu je 2 bis 3 nsec zu realisieren. Im Gegensatz dazu läßt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung so aufbauen, daß zwischen den benachbarten Elementen jeweils ein festes Laufzeitglied von 50 nsec eingefügt wird, wobei eine geringe Anzahl von Steuersignalen benötigt wird. Beträgt beispielsweise der maximale Ablenkwinkel 8,6°, wie oben erwähnt, so kann das Steuersignal ein 1-Bit-Signal mit den Werten "1" oder "0" sein. Die Erfindung gestattet also eine drastische Vereinfachung im Aufbau der Schaltung gegenüber dem Stand der Technik.

Werden Ultraschallwellen aus einer Richtung von 40 bis 50° entsprechend dem maximalen Ablenkwinkel empfangen, so lassen sich, wie oben erwähnt, die Werte von M (i) auch für

θ den Fall auswerten, daß der Unterschied 2 oder mehr beträgt.

Als leistungsfähigeres Verfahren werden jedoch nur die quantisierten Differenzcodes verwendet, wobei ein Blockschaltbild für eine derartige Ausführungsform in Fig. 4 gezeigt ist.

Als fundamentale zu steuernde Datengröße mag in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der quantisierte Differenzcode selbst gelten, der den Wert "0" oder "1" hat. Da _Τλ > r_n ist, ist der ganzzahlige Anteil des Ausdrucks τ / T₀ innerhalb eines gewissen Winkelbereichs für alle Elemente gleich, wobei der Dezimalanteil von dem quantisierten Differenzcode ausgewertet wird.

In diesem Fall werden also Laufzeitglieder 5-j bis 5_n

mit einer Variationsmöglichkeit von r_nmav/r_n (wobei τ_Λ^«_ν

Q uiaLX. ό Q max

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die maximale Verzögerungsgröße bedeutet und in dem Quotient die Stellen nach dem Komma aufgerundet sind) zwischen den jeweils benachbarten Elementen eingefügt. Nimmt man beispielsweise an, daß T_pmax = ²36 nsec und _Tq = 50 nsec beträgt, so können als Laufzeitglieder 5^ bis 5_n Schaltungen mit variabler Verzögerung mit fünf Abgriffen und einer maximalen Verzögerungszeit von 250 nsec verwendet werden. In Fig. 4 sind gleiche oder äquivalente Elemente wie in Fig. 3 mit den gleichen Symbolen bezeichnet. Die Abgriffe der einzelnen Laufzeitglieder 3^ bis 5 sind mit den Ziffern 1 bis 5 bezeichnet, wobei der Abgriff mit der größeren Bezugsziffer die längere Verzögerungszeit hat. Der Abgriff 0 hat keine Verzögerung, während der Abgriff 5 die maximale Verzögerungszeit von 250 nsec aufweist. Die Ansteuerung dieser Abgriffe 0 bis 5 erfolgt über die Schalter 4^ bis 4_n, die mit den Eingangsklemmen der Addierglieder 2^ bis 2 verbunden sind. Im folgenden wird beschrieben, wie die Abgriffe 0 bis 5 durch die Schalter 4 ^ bis 4_n ausgewählt bzw. angesteuert werden.

Der Wert von M (i) für i = 1 bis N wird als Ausgangs-

signal des in einem Speicher, etwa einem Festspeicher, gespeicherten quantisierten Differenzcodes durch Zugriff zu der dem jeweiligen Ablenkwinkel θ entsprechenden Speicheradresse abgeleitet. Der ganzzahlige Anteil des Quotienten _T /_T (Stellen nach dem Komma werden abgerundet) wird zu dem Ausgangssignal hinzuaddiert, da er für alle Elemente der gleiche ist. Die resultierende Größe wird zu der Nummer des Abgriffs gemacht. Auf diese Weise wird die Verzögerungszeit des Gliedes mit variabler Laufzeit zwischen den Elementen gesteuert. Zur Bestimmung der Speicheradresse wird mit einem parallelen Ausgangssignal eines Zählers gearbeitet, der Impulse eines Hauptoszillators der Vorrichtung zählt.

Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild zur Realisierung der Abgriff-Wahl. Dabei ist mit 5 ein Laufzeitglied mit variabler Verzögerung bezeichnet, mit L eine Ausgangsleitung, auf der das Ausgangssignal des Laufzeitgliedes 5 entsteht. Die Abgriffe 0 bis 5 des Laufzeitgliedes 5 sind über Schalter SO bis S5 mit der Leitung L verbunden. Mit 6 ist

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ein 6-Bit-Schieberegister "bezeichnet, mit RI ein Serien-Eingangsanschluß, mit CP ein Anschluß zur Zuführung von Taktimpulsen, mit M ein Eingangsanschluß für das 1-Bit-Signal M (i) und mit NO ein NICHT-Glied. In dieser Schaltung wird das 1-Bit-Signal M₁₁(I) für den Dezimal-Anteil des Ausdrucks T_p/T₀ entsprechend dem jeweiligen Ablenkwinkel θ über den Anschluß M in das Schieberegister 6 vorher eingegeben. Danach wird der Eingangsanschluß RI auf O-Potential gelegt bzw. geerdet, und am Anschluß CP werden Taktimpulse in einer Anzahl von τ_β/τ₀ zugeführt, wobei die Stellen nach dem Komma auf- bzw. abgerundet sind. Die _T /_T Taktimpulse lassen sich einfach erzielen, indem beispielsweise die parallelen Ausgangssignale des oben erwähnten Zählers oberhalb eines vorgegebenen Bits verwendet werden.

Die Schalter SO bis S5 werden durch die bei diesem Betrieb erzielten jeweiligen Ausgangssignale des Schieberegisters 6 gesteuert. Werden die Abgriffe auf diese ¥eise ausgewählt, oder angesteuert, so bildet das an der Endstufe erzielte Signal die Summe der von den jeweiligen Elementen empfangenen und mit gleicher Phase.addierten Signale. Die Bitzahl des Schieberegisters 6 ist auf einen Wert eingestellt, der dadurch erhalten wird, daß der Wert von _{T max}/r_o um 1 erhöht wird und die Stellen nach dem Komma aufgerundet werden.

Wie oben erläutert, werden bei dem erfindungsgemäßen Steuerverfahren die Verzögerungsgrößen quantisiert, wodurch die Größe der Änderung der Laufzeitglieder verringert wird und sich außerdem deren Steuerung vereinfachen läßt, so daß eine starke Vereinfachung der Vorrichtung zur Steuerung der Ultraschallwelle ermöglicht wird.

Im vorstehenden ist das Verfahren zur Steuerung der Ultraschallwellen beschrieben worden, die von der phasengesteuerten Ultraschallwandler-Anordnung empfangen werden. Im folgenden soll nun anhand des Blockschaltbilds nach Fig. 6 das Steuerverfahren für denjenigen Fall beschrieben werden, daß Ultraschallwellen unter Verwendung des ausgewerteten quantisierten Differenzcodes ausgestrahlt werden.

In Fig. 6 ist mit der Bezugsziffer 7 ein Speicher bezeichnet und mit 8 ein (in zwei Richtungen funktionsfähiges)

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n-Bit-Schieberegister. RI bezeichnet einen seriellen Eingangsanschluß des Schieberegisters 8, während mit LI ein weiterer serieller Eingangsanschluß dieses Registers bezeichnet ist. Mit 9 sind jeweils Gatterstufen bezeichnet, deren einer Eingang jeweils an einen Ausgang des Schieberegisters 8 angeschlossen ist. Mit 10 ist ein umsteuerbarer Zähler bezeichnet, von dem ein Eingang mit dem Ausgang der entsprechenden Gatterstufe 9 verbunden ist. Bei 1 bis η sind Elemente gezeigt, denen die Ausgangssignale der jeweiligen Zähler 10 zugeführt werden. CP1 ist ein Taktimpuls-Anschluß, CP2 ein Impuls-Eingangsanschluß. Im folgenden wird die Arbeitsweise zur Aussteuerung der jeweiligen Elemente in dieser Schaltung erläutert.

Betrachtet man zunächst den. Fall, daß _T < _T ist, so

θ ^ werden die quantisierten Differenzcodes vorher in dem Speicher 7 gespeichert. Soll der gewünschte Ablenkwinkel 9 erzeugt werden, so wird der Wert von M (i) für i = 1 bis N

θ derart gewählt, daß wie bei der Steuerung der empfangenen Wellen Zugriff an der dem Ablenkwinkel 9 entsprechenden Speicheradresse genommen wird. Danach werden die Werte von M (i) den vorher eingestellten Eingängen des vorher einstellbaren n-Bit-Schieberegisters 8 zugeführt. Die jeweiligen Ausgangssignale des Schieberegisters werden den entsprechenden Gatterstufen 9 als deren eine Eingangssignale zugeführt. Die Gatterstufen 9 steuern die Taktimpulse zu den Zählern 10 durch.

Die Impulse P₁, die über den Anschluß CP1 zugeführt werden und Taktimpulse der Zähler 10 bilden, werden den Schiebeimpulsen des Schieberegisters 8 identisch gemacht. Zunächst werden die seriellen Eingangssignale des Schieberegisters 8 an dem Eingangsanschluß RI auf "0" gesetzt. Ein Löschanschluß (der in Fig. 6 weggelassen ist) bewirkt, daß der Inhalt sämtlicher Zähler 10 auf Null zurückgestellt wird, und setzt den gewünschten Wert von M (i) aus

θ dem Speicher als Anfangszustand in das Schieberegister 8.

Werden in diesem Anfangszustand m Taktirapulse P^, deren Anzahl gleich ist der Anzahl der Elemente, zugeführt, so wird der Inhalt des j-sten Zählers 10 zu (CT.) = γ M_(i).

0 i=i θ

Dies stellt den Zustand dar, in dem die Inharte der Zähler

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λ"

mit τ_ο quantisiert und proportional auf CT₁ bis CT_m verteilt werden.

Nachdem diese proportional verteilten Größen in den Zählern 10 akkumuliert sind, wird ein identischer Substraktions-(Additions-)Impuls Po den jeweiligen Zählern über den Anschluß CP2 bei der Aussteuerung der Elemente zugeführt. Durch Verwendung des Übertrags-Signals jedes Zählers als Aussteuerimpuls läßt sich die Hauptkeule der Ultraschallwellen unter dem willkürlichen Ablenkwinkel θ ablenken.

Es sei nun der Fall betrachtet, daß der Ablenkwinkel der Bedingung _T > _T folgt. In diesem Fall kann über das obige Verfahren hinaus die Arbeitsweise, gemäß der die seriellen Eingangssignale des Schieberegisters 8 über den Eingangsanschluß LI zu "1" gemacht und m Taktimpulse in Rückwärts-Schieberichtung zugeführt werden, um eine ganzzahlige Anzahl von Malen entsprechend dem Quotienten τ_Α/τ_ο wiederholt werden, wobei die Stellen nach dem Komma vernachlässigt werden. Die maximale Bitzahl des umsteuerbaren Zählers 10 wird auf (τ_ΛΤηαν/τ_ο)*πι eingestellt.

In dem obigen Ausführungsbeispiel ist der Fall beschrieben worden, daß die Hauptkeule der Ultraschallwelle in θ-dichtung abgelenkt wird. Für eine Ablenkung in Richtung -9 wird beim Aussenden die Schieberichtung des Schieberegisters 8 in Fig. 6 durch die Schiebeimpulse umgekehrt, während beim Empfang in den einzelnen Stufen Umschalter vorgesehen sein können, bevor die Ausgangssignale der jeweiligen Elemente in Fig. 4 den Eingängen der Addierglieder Z^ bis 2 zugeführt werden.

Für die obigen Ausführungsbeispiele der Erfindung ist beschrieben worden, daß die quantisierten Differenzcodes berechnet und vorher in den Speicher eingespeichert werden. Es ist jedoch auch ein Aufbau möglich, bei dem die quantisierten Differenzcodes entsprechend dem jeweils gewünschten Ablenkwinkel θ jedes Mal berechnet und die Verzögerungszeiten mit den berechneten ¥erten direkt gesteuert werden.

Wie oben im einzelnen erläutert, läßt sich die Anzahl an Steuereingängen der Laufzeitglieder mit variabler Verzögerung erheblich reduzieren, ohne das Auflösungsvermögen zu verschlechtern, wodurch eine Ultraschall-Steuerein-

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■·. -. λζ ·

richtung erzielt wird, die in ihrem Aufbau einfacher ist als Vorrichtungen nach dem Stand der Technik. Durch vorherige Auswertung der quantisierten Differenzcodes von M (i) innerhalb des Bereichs _T < _Tq läßt sich der Ultraschallwandler mit geringer Speicherkapazität ohne weiteres steuern. Dies ist sehr effektiv beim Entwurf eines Systems und von hoher Bedeutung in der Fertigung und im Einsatz.

Die Erfindung ist ferner anhand eines Verfahrens und einer Vorrichtung dargelegt worden, wobei die Verzögerungszeiten, mit denen die Ultraschallwellen beaufschlagt werden, aufgrund der Werte der Unterschiede der quantisierten Verzögerungszeiten gesteuert werden, wie sie sich zwischen den jeweils benachbarten Elementen ergeben. Da bei diesem Verfahren die Verzögerungszeiten zwischen benachbarten Elementen nacheinander addiert werden, können gelegentlich die nachstehend angegebenen Nachteile auftreten.

Zum einen wird die für die betreffende Verzögerungszeit eines Laufzeitgliedes charakteristische Amplitude (N - 1)-mal multipliziert, wobei N die Anzahl der Elemente bedeutet, so daß die Arbeitsweise und Leistung der Vorrichtung verschlechtert werden. Weist beispielsweise ein Laufzeitglied einen Amplitudenabfall von 5 % auf, so nimmt die sich ergebende Amplitude bei N = 16 auf (0,95) = 44 % ab. Offensichtlich ist dies der Tatsache äquivalent, daß die jeweils empfangenen Signale gerichtet und addiert werden. Zwar hat ein Gewicht von 100 bis etwa 70 % keinen Einfluß auf die Richtwirkung des Empfangssystems; ein Gewicht von unter 70 % erhöht aber die mit dem Halbwert definierte Breite der Hauptkeule und verschlechtert damit die Auflösung.

Zum anderen werden die festen Verzögerungszeiten der Laufzeitglieder und der Addierglieder nacheinander addiert, so daß ein Laufzeitglied zur Kompensation erforderlich ist, um einen Ablenkwinkel in Null-Richtung zu erzielen.

Die für die Kompensation erforderliche Verzögerungszeit CT₁ mit i = 2, 3, ..., N ist gegeben durch die Gleichung

CT₁ = (i - 1) t_n + (i - 2) t₂ , worin t^ die feste Verzögerungszeit des Laufzeitgliedes und

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tp die feste Verzögerungszeit des Addiergliedes bedeutet. Betragen beispielsweise t^ = 5 nsec und t₂ = 10 nsec, so wird für N = 30 die zur Kompensation erforderliche maximale Verzögerungszeit CT^₀ = 425 nsec.

Aus diesem Grund wird für den Empfang ein Laufzeitglied zur Kompensation mit verhältnismäßig hoher Verzögerungszeit erforderlich.

Im Hinblick auf diesen Gesichtspunkt gestattet die Erfindung ferner eine Erhöhung oder Verbesserung der Empfangscharakteristik durch parallele Anordnung einer Vielzahl von Empfangselementen.

Anhand des Blockschaltbilds nach Fig. 7 wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert, bei dem mehrere Elemente parallel angeordnet sind. Zur einfacheren Darstellung zeigt Fig. 7 einen Fall, bei dem eine gerade Zahl N von Elementen vorhanden ist. Weiter unten wird ein Verfahren beschrieben, bei dem N/2 Elemente einer ungeraden Zahl und N/2 Elemente einer geraden Zahl jeweils parallel angeordnet sind und die jeweiligen Ausgangssignale nach Phasensteuerung addiert werden. In Fig. 7 sind mit 11 Verstärker zur Kompensation bezeichnet, mit 15-1 bis 15-(N-1) Laufzeitglieder mit variabler Verzögerung, von denen die eine Gruppe (15-1, 15-3, ...) und die andere Gruppe (15-2, 15-4,...) mit denselben quantisierten Differenzcodes gesteuert werden, und mit 16-3 bis 16-N Laufzeitglieder zur Kompensation. Die Kompensations-Lauf ze itglie der 16-i und 16-(i + 1) mit i = 3 bis (N - 1) haben gleiche Verzögerungszeiten. Die Verzögerungszeit des Kompensations-Laufzeitgliedes 16-N kann die Hälfte von der des vorherigen Falls betragen. Mit 13 sind Addierglieder bezeichnet, durch die die Ausgangssignale der beiden Arten von Laufzeitgliedern addiert werden. Mit 18 ist ein weiteres Laufzeitglied mit variabler Verzögerung bezeichnet, daß eine Verzögerungszeit _T bei einem Ablenkwinkel θ nach der Gleichung

τ = γ sin θ

steuert, worin d = der Element-Abstand ist. Bei 14 ist ein Ausgangsanschluß gezeigt.

Bei einem derartigen Aufbau werden die Additions—Ausgangssignale der N/2 Laufzeitglieder 15-1, 15-3,... und die

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der N/2 Laufzeitglieder 15-2, 15-4,... durch das Laufzeitglied 18 phasengesteuert und als Ausgangssignal an dem An- -schluß 14 abgegeben.

Die Verstärker 11 dienen zur Kompensation von den Laufzeitgliedern 15-1 bis 15-(N - 1) zuzuschreibenden Dämpfungen und können bei Bedarf verwendet werden.

Fig. 8 zeigt ein Blockschaltbild für ein Ausführungsbeispiel eines der Laufzeitglieder 15 nach Fig. 7 sowie eine Einrichtung zur Steuerung desselben. Gemäß Fig. 7 besteht das Laufzeitglied 15 aus einer LC-Laufzeitkette 23 mit acht Abgriffen, wobei die maximale Verzögerungszeit beispielsweise 400 nsec beträgt, Impedanz-Anpassungswiderständen 21 und 22, · einem Schaltkreis 24 und einem 8-Bit-Schieberegister 25. Mit In ist ein Eingangsanschluß bezeichnet, dem das Ausgangssignal des Laufzeitgliedes 15 der jeweils vorhergehenden Stufe zugeführt wird. Der Schaltkreis 24 schaltet die Abgriffe der Laufzeitkette 23. Mit OU ist ein Ausgangsanschluß bezeichnet, von dem das durch den Schaltkreis 24 bewirkte Ausgangssignal der Laufzeitkette 23 dem Laufzeitglied der jeweils nachfolgenden Stufe zugeführt wird. Mit 26 ist ein Impulsoszillator bezeichnet, mit 27 und 28 Zähler, mit 29 ein Speicher, mit NO ein NICHT-Glied, mit RI ein serieller Eingangsanschluß des Schieberegisters 25, mit CP ein Anschluß zur Zuführung von Taktimpulsen an das Schieberegister 25, und mit CI ein Anschluß zur Zuführung von Taktimpulsen an den Zähler 27. Bei einem derartigen Aufbau werden die oben erwähnten quantisierten Differenzcodes entsprechend jeweiligen Ablenkwinkeln im Speicher 29 gespeichert. Die Impulse des Oszillators 26 werden von dem Zähler 28 gezählt, und die einem vorgegebenen Winkel entsprechenden quantisierten Differenzcodes werden gemäß dem Inhalt des Zählers 28 gelesen und als Verzögerungszeit-Steuersignale für die einzelnen Laufzeitglieder verwendet. Genauer gesagt, werden dabei zuerst die dem vorgegebenen Winkel entsprechenden quantisierten Differenzcodes in das Schieberegister 25 eingegeben. Danach wird der serielle Eingangsanschluß RI geerdet, und an den Anschluß CP werden Taktimpulse angelegt, deren Wert dem Quotienten τ ,Vt₀ entspricht (wobei die Stellen nach dem Komma.abgerundet werden). Bezüglich des Quotienten _T /_T wird

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der Inhalt des Zählers 28 oberhalb eines vorgegebenen Bits dem zähler 27 zugeführt, und die seriellen Ausgangssignale des Zählers 27 werden dem Anschluß CP zugeführt. Gleichzeitig werden die Taktimpulse dem Anschluß CI und der Inhalt des Zählers 27 dem Anschluß CP zugeführt.

Der Schaltkreis 24 wird durch die so erhaltenen Ausgangssignale des Schieberegisters 25 gesteuert. Bei Verwendung dieses Aufbaus lassen sich die Laufzeitglieder 15-1 und 15-2, 15-3 und 15-4, ..., sowie 15-(n - 1) und 15-n in Fig. 7 durch jeweils die gleichen quantisierten Differenzcodes steuern.

Das Blockschaltbild nach Fig. 9 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel des Laufzeitgliedes 18 nach Fig. 7. In Fig. 9 bedeuten 33-1 eine LC-Laufzeitkette mit zehn Abgriffen und einer maximalen Verzögerungszeit von beispielsweise 50 nsec, 33-2 eine LC-Laufzeitkette mit drei Abgriffen und einer maximalen Verzögerungszeit von beispielsweise 150 nsec, 34-1 und 34-2 Schaltkreise mit zehn bzw. vier Schaltern, 31-1, 31-2, 32-1 und 32-2 Widerstände zur Impedanzanpassung, 35-1 und 35-2 BCD/Dezimal-Decodierer, 36-1 und 36-2 BCD-Zähler, 37 einen Signaleingangsanschluß, 38 einen Signalausgangsanschluß, 39 einen Eingangsanschluß des BCD-Zählers 26-1 und 40 einen Rückstellanschluß.

Bei einem derartigen Aufbau werden die BCD-Zähler 36-I und 36-2 durch ein an dem Anschluß 40 eingegebenes Steuersignal zurückgestellt. Sodann zählen die Zähler 36-I und 36-2 gemäß am Anschluß 39 eingegebenen Steuersignalen. Die Inhalte der Zähler werden durch die BCD/Dezimal-Decodierer 35-1 und 35-2 in Dezimalzahlen umgesetzt, und ein Gatter oder Schalter der Schaltkreise 34-1 und 34-2 gelangt in seinen durchgeschalteten Zustand. Die Amplitude des am Anschluß 37 eingegebenen Signals wird durch den Anpassungswiderstand 31-1 halbiert, in einer oder mehreren Stufen von . = 5.nsec mit Hilfe der LC-Laufzeitkette 33-1 verzögert und danach über den Schaltkreis 34-1 auf den Anpassungswiderstand 31-2 der nachfolgenden Stufe gekoppelt. In ähnlicher Weise wird die Amplitude des an den Anpassungswiderstand 31-2 gelangenden Eingangssignals halbiert, das Signal in einer oder mehreren Stufen zu je

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150 nsec _{= 5Q ngec mit Hilfe der} LC-Laufzeitkette 33-2 verzögert und danach über den Schaltkreis 34-2 am Ausgangsanschluß 38 zur Verfügung gestellt. Zwar beträgt an dieser Stelle die Amplitude des Eingangssignals nur noch ein Viertel, doch läßt sich dies dadurch kompensieren, daß hinter dem Ausgangsanschluß 38 ein Verstärker vorgesehen wird, der die Amplitude vervierfacht. Auf diese Weise lassen sich durch die Steuersignale Verzögerungszeiten von 40 Stufen realisieren.

Anhand des obigen Ausführungsbeispiels ist der Fall beschrieben worden, daß eine gerade Anzahl N von Elementen vorhanden ist. Ist die Zahl N ungerade, so können die Laufzeitglieder in zwei Gruppen unterteilt werden, von denen die eine (N - T)/2 und die andere (N - 1)/2 + 1 Glieder umfaßt, wobei die Ausgangssignale der Gruppen nach der'Phasensteuerung addiert werden.

In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die variab le Verzögerungszeit zwischen allen zweiten Elementen gesteuert. Es könnte jedoch auch so vorgegangen werden, daß von M χ N (M und N ganze Zahlen) in einer Anordnung vorgesehenen Elementen alle M-ten N Elemente (mit M= 3, 4,...) mit denselben quantisierten Differenzcodes gesteuert werden, woraufhin wiederum die jeweiligen Ausgangssignale der M Gruppen nach der Phasensteuerung addiert werden. Dr.bei haben die jeweiligen Ausgangssignale der M Gruppen, die mit denselben quantisierten Differenzcodes gesteuert werden, die von dem Element-Interval d und dem Ablenkwinkel q nach der obigen Gleichung abhängige Verzögerungszeit _T. Zur Phasensteuerung dient dabei ein Verfahren, wie es im Zusammenhang mit dem Blockschaltbild der Fig. iO(a) erläutert wird. In dieser Figur sind mit 50-1 bis 50-M die M Gruppen bezeichnet, die mit den gleichen quantisierten Differenzcodes gesteuert werden und deren jede aus N Elementen besteht. Mit 51-1 bis 51-(M - 1) sind Laufzeitglieder variabler Verzögerung bezeichnet, die mit einem einzelnen Steuersignal derart gesteuert werden, daß die oben erwähnte Verzögerungszeit _T erreicht wird. 52 ist ein Addierglied und 53 ein Ausgangsanschluß.

Genauso gut kann die Steuerung jedoch auch mit dem in

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Fig. 10(b) gezeigten Parallelsystem erfolgen. Hier sind mit 54-1 bis 54-(M - 1) Laufzeitglieder variabler Verzögerung und mit 55 ein Addierglied bezeichnet. In diesem Fall muß die Verzögerungszeit _T zur Phasensteuerung durch Verwendung beispielsweise der Schaltungsanordnung nach Fig. 8 gebildet werden.

Die Erfindung verhindert also in sehr wirksamer Weise eine Verschlechterung der Leistung, die der Tatsache zuzuschreiben ist, daß die Amplitude in einem Empfangswellen-' Ablenksystem mit jeder Verzögerung abnimmt und die Verzögerungszeit des Kompensations-Laufzeitgliedes zunimmt.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Steuersignale dann, wenn die Laufzeitglieder variabler Verzögerung durch die quantisierten Differenzcodes gesteuert werden, durch Parallelschaltung vereinfacht werden.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß sich die Arbeit zur Justierung der Schaltung erheblich verringert.

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Claims

Patentansprüche

^ Verfahren zur Steuerung von Ultraschallwellen, die unter Verwendung einer Anordnung aus mehreren Ultraschallwandler-Elementen mit vorgegebenen Verzögerungszeiten ausgestrahlt oder empfangen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungszeiten mit einer vorgegebenen Zeit quantisiert werden, daß dann, wenn die quantisierten Werte zwischen jeweils benachbarten Elementen Differenzen aufweisen, eine dem Differenzwert entsprechende Verzögerungzeit gewählt wird und die Ultraschallwellen mit dieser Verzögerungszeit beaufschlagt werden, so daß die Ultraschallwellen mit einer Richtwirkung entsprechend einem vorgegebenen Ablenkwinkel ausgestrahlt bzw. empfangen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallwellen mit der der Differenz entsprechenden Verzögerungszeit innerhalb eines Ablenkwinkels beaufschlagt werden, innerhalb dessen die Differenzen der quantisierten Werte nur "1" und "0" werden.
3. Vorrichtung zur Steuerung von Ultraschallwellen, wobei eine. Anordnung aus einer Vielzahl von Ultraschallwandlerelementen derart gesteuert wird, daß die Ultraschallwellen unter einem vorgegebenen Ablenkwinkel ausgestrahlt werden, gekennzeichnet durch eine Speichereinrichtung (7) zur Speicherung von Differenzwerten, die für sämtliche Elemente innerhalb desjenigen Ablenkwinkels erzielt werden, in dem bei Beaufschlagung der Ultraschallwellen mit Verzögerungs-

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zeiten und Quantisierung dieser Verzögerungszeiten mit einer vorgegebenen Zeit die Differenzen zwischen benachbarten Elementen "1" oder "0" werden, ferner ein n-Bit-Schieberegister (8), in dem die dem gewünschten Ablenkwinkel entsprechenden Werte als Ausgangs signale der Speichereinrichtung (7) voreingestellt sind, sowie η umsteuerbare Zähler (10), denen parallele Ausgangssignale des Schieberegisters (8) über Gatter (9) zugeführt werden, wobei die Elemente durch Ausgangssignale ausgesteuert werden, die dadurch erzeugt v/erden, daß nach Beendigung von η Verschiebungen des Schieberegisters (8) den η umsteuerbaren Zählern (10) identische Impulse zugeführt werden, um die Verzögerungszeiten zu steuern, mit denen die Ultraschallwellen beaufschlagt werden.
4. Vorrichtung zur Steuerung von Ultraschallwellen, wobei die Verzögerungszeiten der Ultraschallwellen gesteuert werden, die von einer Anordung aus MxN Wandlerelementen empfangen werden (M, N ganze Zahlen), gekennzeichnet durch Wandlerelemente, die derart angeordnet sind, daß sie aus den MxN empfangenen Signalen alle (M - 1)sten N Empfangssignale auswählen, eine Empfangseinrichtung zur Verzögerung der empfangenen Signale, die (N - 1) erste Laufzeitglieder (15-1, 15-3,...) mit variabler Verzögerung und (N - 1) erste Addierglieder (13), deren Eingänge an die Ausgänge der ersten Laufzeitglieder (15-1, 15-3,...) angeschlossen sind, umfaßt, wobei M derartige Empfangseinrichtungen parallel geschaltet sind, die ersten Laufzeitglieder (15-1, 15-3,...) durch Differenzwerte gesteuert werden, die zwischen jeweils benachbarten Elementen empfangen werden, um durch Quantisierung

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mit einer vorgegebenen Zeit erhaltene Größen um Zeiten zu verzögern, in die eine von dem Ablenkwinkel abhängige maximal erforderliche Verzögerungszeit durch ganze Zahlen (N - 1) auf die N Empfangseinrichtungen aufgeteilt sind, ferner (M - 1) zweite Laufzeitglieder (15-2, 15-4,...) variabler Verzögerung, deren Eingänge mit den Ausgängen der Empfangseinrichtungen verbunden sind, und zweite Addierglieder (13), deren Eingänge an die Ausgänge der zweiten Laufzeitglieder (15-2, 15-4,...) angeschlossen sind, wobei die Ausgangssignale der M Empfangseinrichtungen nach der Phasensteuerung addiert werden, um die Verzögerungszeiten der MxN empfangenen Signale zu steuern.

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