DE2709925A1 - Schallkopf fuer untersuchungen mit ultraschall nach dem impuls-echoverfahren - Google Patents
Schallkopf fuer untersuchungen mit ultraschall nach dem impuls-echoverfahrenInfo
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Description
Kretztechnik Gesellschaft m.b.H. Zipf (Österreich)
Schallkopf für Untersuchtingen mit Ultraschall nach dem
Impuls-Echoverfahren
Die Erfindung betrifft einen Schallkopf zur Verbesserung des seitlichen Auflösungsvermögens bei Untersuchungen
mit Ultraschall nach dem Impuls-Echoverfahren, der zusätzlich zu einem kreis- oder kreisringförmigen
Schwinger einen oder mehrere diesen konzentrisch umgebende Schwinger oder Schwingerzonen aufweist und bei dem der Abstand
der Zone höchster Empfindlichkeit vom Schallkopf einstellbar ist.
Ein normaler, ebener Schallkopf besitzt die Eigenschaft,
ein Schallbündel abzugeben, das zunächst den gleichen Durchmesser wie der Schwinger des Schallkopfes aufweist, aber mit
zunehmendem Abstand vom Schallkopf divergiert, so daß in größeren Tiefen eines untersuchten Objektes auch größere
Bereiche vom Schallbündel erfaßt werden als in unmittelbarer Schallkopfnähe, wodurch sich das seitliche Auflösungsvermögen
mit zunehmender Tiefe verschlechtert. Bei Schnittbildern und auch bei Α-Bildern werden dadurch die aus größeren Tiefen des
untersuchten Objektes stammenden Signale verzerrt und dadurch
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die aus diesen Signalen gewonnenen Bildteile verschwommen gezeichnet, so daß die Deutlichkeit bzw. Genauigkeit der
Darstellung mit zunehmender Tiefe abnimmt. Man kann zwar die auftretende Schallschwächung durch laufzeitabhängige
Verstärkung der Impulse kompensieren, doch ist dadurch noch nichts für die Verbesserung des seitlichen Auflösungsvermögens getan.
Es wurde schon versucht, das seitliche Auflösungsvermögen auf elektronischem Wege zu verbessern, wobei eine
Zwischenspeicherung der empfangenen Signale und ein Vergleich der nacheinander von der gleichen Stelle des Objektes gewonnenen
Informationen sowie eine Auswahl im Sinne einer Verbesserung der Auflösung vorgenommen wird, doch ist dieses
Verfahren aufwendig und erfordert besonders ausgerüstete Geräte.
Es ist bekannt, daß man durch Fokussierung bei Schallköpfen eine Verengung des SchallbUndels und damit eine Verbesserung
des seitlichen Auflösungsvermögens erzielen kann. Die Fokussierung kann prinzipiell auf zwei verschiedene Arten,
nämlich einerseits durch die Verwendung sphärisch gekrümmter Schwinger oder Schallinsen bzw. Kombinationen daraus und
anderseits durch Unterteilung des Schwingers in eine Vielzahl von meist konzentrische Kreise bzw. Kreisringe bildende Einzelschwinger
erreicht werden, wobei beim Betrieb grundsätzlich alle diese Einzelschwinger gleichzeitig erregt werden, aber
eine Phasenverschiebung in der Erregung bei den jeweils benachbarten
Einzelschwingern vorgenommen wird. Für diese Phasenverschiebung können u.a. Zeitverzögerungsglieder Verwendung
finden, die zwischen die Einzelschwinger geschaltet sind. Durch die Phasenverschiebung werden die verschieden langen
Schallaufzeiten von jedem Einzelschwinger zu einem gewählten Brennpunkt kompensiert. Bei fester Fokussierung ergibt sich
der grundsätzliche Nachteil, daß zwar in der einen vorbestimmten Abstand vom Schallkopf aufweisenden Fokuszone eine Verengung
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des Schallbündels und damit eine Verbesserung des seitlichen Auflösungsvermögens und der Empfindlichkeit auftritt, das
Schallbündel aber hinter dieser Zone wesentlich stärker als ein nicht fokussiertes Schallbündel divergiert, so daß sich
dort Auflösungsvermögen und Empfindlichkeit verschlechtern.
Bisher wurde grundsätzlich von der Annahme ausgegangen, daß die Tiefenlage der Zone maximaler Empfindlichkeit bzw. der
kleinsten Querschnittsfläche des Schallbündels im Objekt nur bei den Schallköpfen mit in viele Einzelschwinger, die untereinander
phasenverschoben erregt bzw. empfindlich geschaltet werden, aufgelöstem Schwinger dadurch verändert werden könne,
daß man durch Änderung der Phasenverschiebung zwischen benachbarten Schwingern nach einem vorbestimmten oder vorwählbaren
Programm die Lage des Brennpunktes gegenüber dem Schallkopf und damit auch die Lage der Fokuszone verändert. Dies
setzt eine äußerst aufwendige Apparatur voraus, wobei es notwendig wird, die Phasenstellglieder aus dem Schallkopf heraus
in das zugehörige Gerät zu verlegen. Die Anschlußleitungen zu den Einzelschwingern müssen voneinander abgeschirmt werden.
Bei fokussierten Schallköpfen mit gekrümmtem Schwinger oder vorgesetzter Schallinse hat man bisher eine Änderung des
Abstandes der Zone maximaler Empfindlichkeit vom Schallkopf für unmöglich gehalten. Solche Schallköpfe wurden daher bisher nur
dann verwendet, wenn das erhöhte 'Auflösungsvermögen tatsächlich
und nur im Bereich der Fokuszone benötigt wurde.
Schallköpfe mit zwei oder mehreren Schwingern, die meist konzentrisch angeordnet und kreis- bzw. kreisringförmig ausgebildet
sind, werden, abgesehen von der erwähnten Fokussierung durch phasenverschobene Erregung, auch schon Ir andere Zwecke
verwendet. So ist es bekannt, bei der Anordnung von zwei solchen Schwingern den einen Schwinger zum Senden und den anderen zum
Empfangen zu verwenden. Bei einer Sonderkonstruktion ist der Ringschwinger sphärisch gewölbt, so daß er ein im gesamten zu
untersuchenden Bereich des Objektes konvergierendes Schallbündel erzeugt, in das die Empfindlichkeitskeule des Innenschwingers
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hineinragt. Zweck dieser Maßnahme ist es, die mit zunehmender Tiefe verstärkte Schallabsorption durch die Bündelung zu kompensieren.
In einem anderen Fall wird eine Untersuchung nach dem Impuls-Echoverfahren nur mit dem einen der beiden Schwinger
vorgenommen. Der andere Schwinger arbeitet auf einer stark unterschiedlichen Frequenz und dient nur der Überwachung der
Güte der Ankopplung des Schallkopfes an das untersuchte Objekt.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Schallkopfes der genannten Art, bei dem die Tiefenlage der Zone
maximaler Empfindlichkeit bzw. der kleinsten Querschnittsfläche des Schallbündels im Objekt mit einfacheren Mitteln
als bisher auf eine völlig neuartige Weise einstellbar ist.
Die gestellte Aufgabe wird dadiJch gelöst, daß der Schallkopf
fest fokussiert ist und die Schwinger bzw. Schwingerzonen gesonderte Anschlüsse aufweisen und für sich, gemeinsam oder
gruppenweise, vorzugsweise in Phase, erregbar sind, so daß die Tiefenlage der Zone maximaler Empfindlichkeit bzw. der
kleinsten Querschnittsfläche des Schallbündels im Objekt durch Änderung der Größe der abstrahlenden bzw. empfangenden
Fläche einstellbar ist.
Die Erfindung geht von der völlig neuen Erkenntnis aus, daß für die Tiefenlage der Zone maximaler Empfindlichkeit neben
der Fokussierung auch die Größe der abstrahlenden bzw. empfangenden Fläche des Schallkopfes, also des wirksamen Schwingerdurchmessers,
maßgeblich ist. Bisher wurde im Gegensatz dazu angenommen, daß lediglich die Brennweite für die Fokussierung maßgeblich
sei. In allen bekannten Formeln für die Berechnung der Brennweiten von Linsen oder gekrümmten Schwingern wird daher
auch der Schwingerdurchmesser und damit die Schwingerfläche prinzipiell vernachlässigt. Durch die Änderung der Größe der
abstrahlenden bzw. empfangenden Fläche ist mit wesentlich einfacheren Mitteln als bisher eine Änderung des Abstandes
der Zone höchster Empfindlichkeit vom Schallkopf möglich.
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Nach einer bevorzugten Ausführung weisen die Ringzonen voneinander und vom Radius des kreisförmigen Mittelschwingers
abweichende, sich als Differenz aus dem Außen- und Innenradius ergebende Breiten auf. Durch Zu- und Abschalten von Schallkopfzonen
kann die Zone höchster Empfindlichkeit eingestellt werden. Man kann die Umschaltung auch während der Untersuchung eines
Objektes z»B. zyklisch vornehmen, so daß alle Tiefenzonen des Objektes mit verbessertem seitlichem Auflösungsvermögen geprüft
werden.
Weitere Einzelheiten des Erfindungsgegenstandes und ein Gerät, mit dem der erfindungsgemäße Schallkopf verwendbar
ist, werden im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert.
In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise veranschaulicht. Es zeigt
Fig. 1 schematisiert das Schallbtindel eines fokussierten
Fig. 1 schematisiert das Schallbtindel eines fokussierten
Schallkopfes,
Fig. 2 einen Schallkopf in Seitenansicht bei im Längsschnitt dargestellten Schwingern,
Fig. 2 einen Schallkopf in Seitenansicht bei im Längsschnitt dargestellten Schwingern,
Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie III-III der Fig. 2,
Fig. 4 ein vereinfachtes Schaltschema zu dem Schallkopf nach den Fig. 2 und 3,
Fig. 5 den Schwinger eines weiteren Schallkopfes im Längsschnitt und
Fig. 6 ein Blockschaltschema eines mit dem Schallkopf ausgestatteten
Gerätes.
Bei einem herkömmlichen fokussierten Schallkopf nach Fig. 1 sitzt vor einem ebenen Schwinger 1 eine Schallinse 2.
Es könnte auch ein gewölbter Schwinger mit oder ohne nachgeordnete Schallinse Verwendung finden. Das Schallbündel 3
füllt die im Längsschnitt schraffiert gezeichnete Fläche aus. Wäre der Schallkopf nicht fokussiert, so hätte das Schallbündel
eine bei dem gleichen Schwinger 1 durch die strichlierten Linien A angedeutete Außenkontur. Jener Teil 5 des fokussierten
Schallbündels, der einen einen bestimmten Bruchteil des Querschnittes des nicht fokussierten Schallbündels unter-
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schreitenden Querschnitt aufweist, wird als Zone maximaler Empfindlichkeit bezeichnet. Die Lage und Ausdehnung dieser
Zone 5 wird von der Brennweite der Schallinse bzw. des sphärischen Schwingers beeinflußt. Diese Brennweite ist
aber nicht die ausschließlich maßgebende Größe, so daß die Zone maximaler Empfindlichkeit nicht mit der Brennweite
übereinstimmt. Eine weitere maßgebende Größe ist der Durchmesser bzw. die wirksame Fläche des verwendeten Schwingers.
Dieser wirksame Durchmesser kann beim erfindungsgemäßen Schallkopf verändert und dadurch die Zone maximaler Empfindlichkeit
5, die praktisch der kleinsten Querschnittsfläche des Schallbündels entspricht, der Länge nach verschoben
werden.
Nach den Fig. 2 und 3 besitzt der Schallkopf einen kreisförmigen Schwinger 1, der konzentrisch von einem
ringförmigen Schwinger 1a umgeben ist. Beide Schwinger sind elektrisch mindestens einpolig getrennt und auf die Schalllinse
2 aufgeklebt. An der Rückseite der Schwinger 1, 1a ist ein Dämpfungskörper 6 angebracht. Wegen der erforderlichen
elektrischen Trennung müssen der Dämpfungskörper 6 und bzw. oder die Linse 2 aus einem Nichtleiter bestehen bzw. durch
eine Isolierschichte vom Schwinger 1, 1a getrennt sein. Wird nur der Mittelschwinger 1 erregt, so ist für die Lage der
Zone 5 neben der Brennweite der Linse 2 der wirksame Durchmesser r^ dieses Schwingers maßgebend. Werden jedoch beide
Schwinger parallelgeschaltet und erregt, so ist neben der Linse der Außendurchmesser r2 des Ringschwingers für die Lage
der Zone 5 bestimmend. Der Schallkopf verhält sich so, als ob ein Schwinger mit dem Durchmesser r2 vorhanden wäre.
Wird der Ringschwinger 1a allein erregt, so entsteht ebenfalls ein fokussiertes Schallbündel, wobei aber jetzt für die
Lage der Fokuszone die Differenz zwischen Außen- und Innendurchmesser des Ringes, also r2 - r.. entscheidend ist. Durch
entsprechende Wahl von r«. und r2 läßt sich erreichen, daß der
Schallkopf mit drei verschiedenen Zonen höchster Empfindliakeit
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betrieben werden kann, die aber zweckmäßig in ihren Endbereichen überlappen. Die jeweils gewünschte Betriebsweise
kann durch einen einfachen Umschaltvorgang erzielt werden.
Eine entsprechende Schaltung ist in Fig. 4 angedeutet. Dabei sind die Schwinger 1 und 1a einpolig über eine Leitung
mit Masse verbunden. Eine vom Ultraschallgerät kommende Sende- und Empfangsleitung 7, über die also die Sendeimpulse zu-
und die empfangenen Echoimpulse abgeleitet werden, ist auf einen Umschalter 8 gelegt. Über diese Leitung 7 und den Umschalter
8 kann je nach Schalterstellung einer der beiden Schwinger 1, 1a oder auch beide Schwinger gemeinsam mit dem
Gerät verbunden werden. Die zur entsprechenden Elektrode des Schwingers 1, 1a führende Anschlußleitung liegt zusätzlich
an einer Spule 9 bzw. 9a, deren anderes Ende ebenfalls mit Masse verbunden ist· Die Spulen 9, 9a stellen zusammen mit
der Kapazität des zugeordneten Schwingers einen elektrischen Schwingkreis dar, der auf die mechanische Eigenfrequenz der
Schwinger 1, 1a abgestimmt werden kann, um einen guten Wirkungsgrad zu erhalten. Wegen der Verwendung getrennter Spulen ist
es möglich, diese Forderung auch bei untercchiedlichen Kapazitäten der beiden Schwinger zu erfüllen, weil die Schwingkreise
unabhängig voneinander abgeglichen werden können. Der Schalter kann als ein von Hand aus zu betätigender mechanischer Schalter
oder auch als zwangsweise gesteuerter elektronischer Schalter ausgeführt sein.
Eine einwandfreie Funktion bei Parallelschaltung beider Systeme ist dann gegeben, wenn beide Systeme auf gleicher
Frequenz schwingen. Dies wird einerseits durch die elektrische Kopplung erreicht, doch kann man die erwähnte Bedingung auch
durch eine mechanische Kopplung weiter absichern. Dabei ist ein gemeinsamer Schwingkörper vorgesehen und überdies ergibt
sich eine Vereinfachung bei der Herstewllung des Schallkopfes. In Fig. 5 ist die letztgenannte Möglichkeit angedeutet. Im
Gegensatz zu den Fig. 2 bis 4 werden nicht gesondert hergestellte, mechanisch getrennte Schwinger verwendet, sondern
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man sieht einen gemeinsamen Schwingerkörper 1 mit einem Durchmesser r„ vor, der beidseits mit Flächenelektroden 11
bzw. 13 ausgestattet wird. Auf der Rückseite des Schwingers 1 ist eine konzentrische Ringnut 12 eingearbeitet, wodurch
einerseits die EDättrode dieser Seite in eine Mittelelektrode
11 und eine Ringelektrode 11a unterteilt und anderseits auch eine Teiltrennung der Schwingerzonen vorgenommen wird. Die
mechanische Kopplung zwischen Ringzone und Innenzone ist gegeben und kann in ihrem Absolutwert durch die Tiefe der
Ringnut 12 eingestellt werden» Die Elektrode 13 bildet zweckmäßig den Masseanschluß. Es wäre auch möglich, von
ihrer Seite her zusätzliche Ringnuten anzubringen. Der gesamte Schwinger besitzt eine einheitliche für beide Schwingersysteme
gleiche mechanische Eigenfrequenz. Bei Verwendung getrennter Systeme sollen auch diese gleiche mechanische Eigenfrequenzen
besitzen, wozu aber Messungen und Abgleichverfahren notwendig sind.
Man kann auch mehrere konzentrisch verlaufende Ringschwinger vorsehen, wobei aber jeweils zweckmäßig die Ringzonen
voneinander und vom Radius des kreisförmigen Schwingers abweichende, sich als Differenz aus dem Außen- und Innenradius
ergebende Breiten aufweisen, damit jeder dieser Ringschwinger eine andere Tiefenlage der Fokuszone bestimmt.
Die Lage derZone höchster Empfindlichkeit bzw. des kleinsten Schallbündelquerschnittes kann auf den für die
Beurteilung maßgebenden Tiefenbereich eines Objektes eingestellt werden. Ist jedoch die Tiefe des zu untersuchenden
Gesamtbereiches, der erfaßt werden kann, größer als eine einzelne Fokuszone, so käme es bei nur einer Fokuszone zu einem Schärfenabfall.
Mit einer besonderen Art der Umschaltung bei einem erfindungsgemäß ausgestatteten Gerät kann man aber ein darzustellendes
Bild streifenweise aufnehmen und dabei jeden Bildstreifen in eine der erreichbaren Fokuszonen legen. Eine entsprechende
Schaltung ist in Fig. 6 veranschaulicht.
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Bei dem dargestellten Gerät werden von einem Sender 14 aus Sendeimpulse zur Erregung eines Schallkopfes 18 diesem
über eine Leitung 19» einen Umschalter 8 und eine mehrpolige Leitung 20 zugeführt. Die Stellung des Umschalters 8 bestimmt,
welche Systeme des Schallkopfes angeregt werden und wo jeweils die Zone 5 liegt. Die zu dem abgesandten Schallimpuls empfangenen
Echosignale werden wieder in elektrische Signale rückverwandelt und gelangen über die Leitung 20, den Umschalter 8 und die Leitung
19 zur Leitung 21 und von dieser auf einen Verstärker 15. Nach entsprechender Verstärkung werden die Echosignale über
die Leitung 22 einem elektronischen Umschalter 16 zugeführt, der jeweils eine bestimmte, einstellbare Zeit nach dem Aussenden
eines Impulses durchlässig wird und. etwas später wieder sperrt. Die Zeitdauer, in der der Schalter 16 für die Signale
durchlässig ist, wird so bemessen, daß der Schalter nur Signale aus der jeweils eingestellten Fokuszone durchläßt und ale
früher oder später eintreffenden Signale zurückhält. Um dies zu erreichen, wird der Schalter einerseits über die Leitung 23
vom Sender 14 getriggert und erhält anderseits vom Umschalter 8 über die Leitung 24 Steuersignale, durch die bei
Veränderung der Lage der Fokuszone mittels des Umschalters 8 auch die Durchlaßzeiten des Schalters 16 analog verändert
werden. Die durchgelassenen Signale werden über die Leitung 25 einer Anzeige- oder Speichereinheit 17 zugeführt, die eine
Bildspeicherröhre, ein elektronischer Speicher mit einer Adressiereinrichtung od.dgl. sein kann. Das Gerät kann als
A-Bildgerät in der beschriebenen Form oder auch als Schnittbildgerät
ausgebildet sein, wobei im letzteren Fall noch eine Schnittbildmechanik und eine Adressiereinrichtung bzw. bei
einem Zwischenspeicher zusätzlich eine Abfrageeinheit vorgesehen
wird, um eine Anzeige der durchgelassenen Signale an dem geometrischen Ort ihrer Entstehung zugeordneter Stelle
am Schnittbild zu ermöglichen. Beim A- und B-Bild kann die Aufnahme so durchgeführt werden, daß zunächst in einem ersten
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»ι*
Abtastvorgang nur ein Teil dos Bildes bzw. der Anzeige, der
der augenblicklichen Lare der Fokuszone entspricht, geschrieben
b?v/. r.rifFzeißl wird. Nach Umschalten von 8 wird im folgenden
Abtastvorgang der anschließende Streifen geschrieben und tier ganze Vorgang so oft wiederholt, bis das vollständige
TUId bzv. die vollständige Anzeige vorliegt. Wird der Umscnaltrr
S jedoch a]ε elektronischer Schalter ausgebildet, dessen Umschau frequenz hoch gegenüber der Abtastgeschwindigkeit
itrt, so können während eines einzigen Abtastvorganges die verschiedenen Tiefenbereiche periodisch durch Umschalten der
Fokuszone durchlaufen v/erden, so daß das ganze Bild innerhalb eines Abtastvorganges entsteht und die dabei auftretenden
Unterbrechungen am Übergang von Zone zu Zone, die auch • lurch die Umschaltung bedingt sind, so klein werden, daß
ί.ί'; eich nicht oder nicht störend bemerkbar machen.
709fU3/060?
Leerseite
Claims (5)
1. Schallkopf zur Verbesserung des seitlichen Auflösungsvermögens bei Untersuchungen mit Ultraschall nach dem Impuls-Echoverfahren,
der zusätzlich zu einem kreis- oder kreisringförmigen Schwinger einen oder mehrere diesen konzentrisch umgebende
Schwinger oder Schwingerzonen aufweist und bei dem der Abstand der Zone höchster Empfindlichkeit vom Schallkopf
einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallkopf fest fokussiert ist und die Schwinger bzw. Schwingerzonen
gesonderte Anschlüsse aufweisen und für sich, gemeinsam oder gruppenweise vorzugsweise in Phase erregbar sind, so daß die
Tiefenlage der Zone maximaler Empfindlichkeit bzw. der kleinsten Querschnittsfläche des Schallbündels im Objekt durch Änderung
der Größe der abstrahlenden bzw. empfangenden Fläche einstellbar ist.
2. Schallkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringzonen (1,1a) voneinander und vom Radius des kreisförmigen
Mittelschwingers abweichende, sich als Differenz aus dem Außen- und Innenradius ergebende Breiten aufweisen.
3. Mit einem Schallkopf nach Anspruch 1 oder 2 ausgestattetes Ultra-Schalluntersuchungsgerät, dadurch gekennzeichnet,
daß das Gerät einen Umschalter (8) aufweist, über den die Schwinger bzw. Schwingerzonen (1,1a) des Schallkopfes wahlweise
einzeln, in Gruppen oder gemeinsam mit dem Sender (14) und dem Empfänger (15) des Gerätes verbindbar sind.
4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Umschalter (8) zusätzlich einen elektronischen Schalter (16)
des Gerätes steuert, so daß dieser nur die aus der jeweils eingestellten Zone höchster Empfindlichkeit des Schallkopfes
stammenden Echosignale zu der Anzeige- bzw. Speichereinheit (17) des Gerätes durchläßt.
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ORIGINAL INSPECTED
-χ- a.
5. Gerät nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß auch der Umschalter (8) als elektronischer Schalter
ausgebildet ist und die Schwinger bzw. Schwingerzonen mit einer im Verhältnis zur Abtastfrequenz hohen Umschaltfrequenz
in den die verschiedenen Zonen höchster Empfindlichkeit ergebenden Kombinationen mit dem Sender verbindet.
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