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Fokussierter Schallkopf mit Schwinger und Schallinse
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für Untersuchungen mit Ultraschall Die Erfindung betriff-t einen
fokussierten Schallkopf mit Schwinger und Schallinse für Untersuchungen mit Ultraschall
nach dem Impuls-Echoverfahren.
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Es ist bekannt, daß man die Eigenschaften von Schalköpfen durch Fokussierung
stark beeinflussen kann.
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Durch die Fokussierung kommt es zu einer Einschnürung des Schallbündels
und damit zu einer Steigerung der Empfindet lichkeit und einer Verbesserung des
seitlichen Auflösungsvermögens. Dieser Fokusbereich erstreckt sich allerdings nur
über einen bestimmten Längenabschnitt des Schallbündels.
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Vor und hinter diesem Abschnitt kann das ,3challbUndel stärker als
bei einem nicht fokussierten Schallkopf divergieren, und es können auch andere Nachteile
gegenüber einem nicht fokussierten Schallkopf auftreten. Wenn man größere Längenbereiche
mit fokussierten Schallköpfen untersuchen will, ist es meist notwendig, Schallköpfe
mit unterschiedlichen Brennweiten nacheinander zu verwenden, wobei aber wegen der
erforderlichen Auswechslung der Untersuchungsvorgang kompliziert und das Ergebnis
unsicher wird, wenn nicht gewährleistet bleibt;, daß bei jedem Un'ersuchungSabschnitt
Ankopplungsbedingungen, Aufsatz stellen des Schallkopfes, Einstrahlrichtung usw.
streng reproduzierbar eingehalten werden können. Besonders schwierig werden Untersuchungen
an
lebenden Organismen, da sich hier das untersuchte Objekt teilweise bowegt und somit
zeitlichen Veränderungen unterliegt.
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Ähnliche Schwierig';eiten wie bei Verwendung von fokussierten Schallköpfen
mit verschiedenen Brennweiten ergeben sich bisher auch dann, wenn z.G. Strukturuntersuchungen
mit verschiedenen Schallfrequenzen gearbeitet wird und demgemäß die Schallköpfe
ebenfalls ausgewechselt werden müssen. Schließlich kommt es bisher bei den üblichen,
als Kolbenschwinger arbeitenden Schwingern, die in der Praxis wegen ihres relativ
günstigen Wirkungsgrades und ihres ebenfalls günstigen Leistungsvermögens sowie
ihrer Empfindlichkeit fast ausschließlich Verwendung finden und bei denen beim Betrieb
etwa gleichmäßige Leistungsdichte über die gesamte Oberfläche vorhanden ist, durch
Interferenzerscheinungen zu Schwankungen in der Schalldruckverteilung über die Länge
des Schallbündels und entsprechenden Schwankungen in der Empfindlichkeit beim Empfang.
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Aufgabe der erfindung ist die Schaffung eines fokussierten Schallkopfes
der genannten Art, mit dessen Hilfc die aufsezeigten Schwierigkeiten weitgehend
beseitigt und verschiedene bisher für unmöglich gehaltene Untersuchulgen ermöglicht
werden.
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Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß um einem Mittelschwinger
wenigstens ein Ringschwinger konzentrisch angeordnet ist und die Schal1inse ebenfalls
wenigstens eine zusätzliche um eine von einer kreisförmigen Begrenzung umgebene
Mittelzone angeordnete Ringzone mit von der Hittelzone abweichender Brennweite aufweist,
wobei die Schwinger wahlweise für sich oder gemeinsam erregbar sind.
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Basierend auf der erfindungsgemäßen Grundidee können verschiedenste
Aufgaben gelöst werden. Zunächst kann man bei unterschiedlichen Flichen von Mittel-
und Ringachwinger erreichen, daß man die Fokuszone in Abahängigkeit von der Betriebsart
der LMnge nach verlagert.
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Die Lage der Fokuszone ändert sich nämlich abhängig davon, welcher
der beiden Schwinger eben eingeschaltet ist. Eine weitere Verlagerung gegenüber
der genannten Möglichkeiten ergibt sich, wenn beide Schwinger gleichzeitig betrieben
werden. Da Uberdies Jedem Schwinger eine andere Brennweite der bifokalen Schallinse
zugeordnet ist, tritt eine weitere Verlagerung des Fokusbereiches auf, und es ergibt
sich die Möglichkeit, große Längenbereiche mit erhöhter Empfindlichkeit zu untersuchen.
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Vorzugsweise weisen die Mittelzone und die Ringzone der Schallinse
Kugelflächen mit unterschiedlichen Radien auf, wobei der Durchmesser der Mittelzone
gleich oder kleiner als der Durchmesser des koaxial angeordneten Mittelschwingers
gehalten ist.
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Bei einem gleichzeitigen Betrieb beider Schwinger kann es im resultierenden
Schallbündel dazu kommen, daß Stellen stark herabgesetzter Empfindlichkeit - im
Extremfall sogar Nullstellen - auftreten. Zur Lösung dieses Problems wird erfindungsgemäß
von der Annahme ausgegangen, daß diese Minimastellen durch Interferenzerscheinungen
auftreten, also die beiden TeilbUndel an diesen Stellen nahezu gleiche Schalldruckampiituden
besitzen, wobei Jedoch der Schalldruck entgegengeset7.te Phasenlage aufweist, so
daß es zu einer völligen oder zu einer teilweisen Auslöschung kommt.
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Erfindungsgemäß weist deshalb zur Korrektur der aufgezeigten Phänomene
das von dem einen Schwinger abgestrahlte Schallbündel z.B. durch elektrische Phasendrehglieder
in der Speiseleitung des oder der Schwinger oder dem Schwinger nachgeordnete, im
Schallbündel liegende mechanische Phasendrehglieder eine Phasendrehung seiner Druckampli
tude gegenüber dem anderen SchallbUndel auf. Besonders einfach wird die Ausführung
dann, wenn die Schalllinse selbst das mechanische Phasendrehglied bildet, zu welchem
Zweck die Linsenzonen unter Bildung einer Abstufung in Axialrichtung der Linse gegeneinander
versetzt
sind.
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Eine weitere Anwendungsmöglichkeit eines erfindungsgemäßen Schallkopfes
liegt bei Untersuchungen, filr deren Durchführung zweckmädig eine Änderung der Frequenz
möglich sein soll. Man kann die beiden Teilschwinger mit verschiedenen Frequenzen
bauen und so durch einiache elektrische Umschaltung mit eine. Schallkopf Untersuchungen
miL verschiedener Frequenz vornehmen, wobei gewährleistet bleibt, daß die übrigen
äußeren Bedingungen der Untersuci1unen, insbesondere die Aufsatzstelle und die Einstrahlrichtung
des SchallbUndels unverändert bleiben, weil der Schallkopf 3a nicht ausgewechselt
wird. Hier wird man die Schallinsen so ausbilden, daß die Empfindlichkeitszonen
für beide Schallbündel übereinstimmen.
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Durch Verwendung. weiterer konzentrischer Ringschwinger bzw. Ringzone
abweichender Brennweite läßt sich die Variationsmöglichkeit bei den beschriebenen
Betriebsarten noch steigern.
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In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise veranschaulicht.
Es zeigt: Fig. 1 schematisiert im Schnitt die wesentlichen Teile eines erfindungsgemäßen
Schallkopfes, Fig. 2 ebenfalls ila Schnit-t eine Ausführungsvariante mit einem Phasendrehglied
und Fig. 3 einen Schallkopf, dessen Schallinse planparallele Außenseiten aufweist.
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Der Schallkopf besteht Jeweils aus einem ringförmigen Schwinger 1,
in dem ein konzentrischer kreisförmiger Schwinger 2 angeordnet ist. Diesen beiden
Schwingern ist ein Linsenkörper 3 vorgeschaltet und mit den Schwingern 1, 2 schalidurchlässig
verbunden. In der von den Schwingern abweisenden Seite des Linsenkörpern 3 sind
zwei Kugelflächen 6 und 1 mit den Radien r1 und r2 vorgesehen, die an einer Kreislcante
8 mit dem Durchmesser d des Schwingers 2 ineinander übergehen. Die Kante 8 kann
auch
über die Trennfuge zwischen den Schwingern 1,2 liegen. Die beiden Flächen 6,7 haben
entsprechend unterschiedliche Brennweiten f1, f2, so daß dann, wenn die beiden Schwinger
1,2 mit gleicher Fraquenz betrieben erden, die Stelle maximaler Empfindlichkeit
im Schallbündel verschiedene Lagen aufweist, Je nachdem, ob man wen Schwinger 1
oder aen Schwinger 2 betreibt.
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Werden beide Schwinger gleichzeitig betrieben, so liegt im Normalfall
die Stelle der maximalen Empfindlichkeit des resultierenden Schallbündels wieder
an einem anderen Ort, der also meist nicht mit dem Maximum des Schallbündels des
Schwingers 1 oder 2 zusammenfällt.
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Die Lage des Maximums im gemeinsamen Schallbündel hängt nicht nur
von den beiden Brennweiten f1, f2 der Bifokalschallinse ab, sondern auch noch vom
Verhältnis der Abstrahl£lächen der Schwinger 1 und 2.
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WUrde man keine bifokale, sondern eine einfache Linse verwenden ur.d
die abstrahlende Fläche beider leilachwinger gleich groß halten, so hätten beide
Schwinger ie Stelle maximaler Empfindlichkeit im gleichen Abstand vom Schallkopf.
Beim Einzelbetrieb käme es also zu keinen Unterschieden in dieser Hinsicht.
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Erst teim gemeinsamen getrieb träte eine andere Lage der maximalen
Empfindlichkeit auf. Wählt man bei den genannten Bedingungen der einheitlichen Linse
die Größe der abstrahlenden Flächen stark unterschiedlich, so haben zwar die EinzelschallbUndel
von den Schwingern stark unterschiedliche Lagen der Maxima, doch ftihrt beim Zusammenschalten
das Schallbündel des kleineren Teilschwingen nur zu einer geringen Lageveränderung
des Maximums im resultierenden SchallbUndel gegenUber dem Maximum des Schallbündels
vom Schwinger mit der größeren Fläche. Die absolute Empfindlichkeit der beiden T.ilbAndel
Ist, bedingt durch die Größenunterschiede der Teilschwinger, unterschiedlich. Durch
Anwendung der bifokalen Linse wird es demgegenüber möglich, die den beiden Teilschwingern
zuordnenden Maxima an verschiedene Stellen zu
legen und trotzdem
mit etwa gleich großen Abstrahlflächen der Teilschwinger zu arbeiten.
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Wie bereits erwähnt wurde, kann es durch Interferenz beim gemeinsaaen
Betrieb der Schwinger 1 und 2 zu Stollen stark herabgesetzter Empfindlichkeit im
Schallbündel kommen. Esc wurde auch schon ausgesagt, daß man diese Minimas durch
Phasendrehung des Vektors der der Schallamplitude in einen Schallbündel weitgehend
ausschalten kann. Ist die Summe zweier gleich großer, aber entgegengesetzter Vektoren
gleich Null, so erhält man schon dann, wenn man nur einen der beiden Vektoren aus
seiner Phasenlage dreht, als Summe einen endlichen, von Null verschiedenen Wert.
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Auf elektrischen Weg kann man eine Phasenverschiebung bei der Erregung
der beiden Teilschwinger erzielen, wenn man die beiden Teilschwinger mit verschiedenen
Impulsen erregt, die gegeneinander etwas zeitlich verschoben sind, wobei der Zeitunterschied
der gewünschten Phasendrehung entspricht. Bei Schallkäpfen mit unterschiedlicher
Frequenz wären verschieden große Zeitabstände erforderlich. Man müßte also beim
Wechseln der Schallküpfe jedesmal einen neuen Abgleich der Zeitverzögerung der Impulse
durchführen oder das Gerät auf eine mittlere Verzögerung einstellen und in die einzelnen
Schallköpfe bzw. deren Anschlußleitung Phasendrehglieder einbauen. Einfacher ist
es, die erforderliche Phasendrehung auf mechanischem Weg zu bewerkstellingen und
gleich in dem Schallkopf einzuprogrammieren. Dies ist dadurch möglich, daß man die
beiden sphärischen Flächen der bifckalen Linse axial gegeneinander verschiebt. Damit
dabei die Forderung, daß die Trennlinie zwischen den beiden Linsenzonen über den
Spal zwischen den beiden Teilschwingern verläuft, erfüllt wird, erfüllt wird, wird
zwischen den beiden Linsenzonen ein Stufe 4 nach Fit.2 eingearbeitet, deren
Höhe
sich aus der Schallgeschwindigkeit in der Linse 3, der Schallgeschwindigkeit im
anschließenden Medium und der gewünschten Phasendrehung errechnen läßt.
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Der Grundgedanke der Erfindung kann in von der Zeichnung abweichenden
Varianten verwirklicht werden. So kann die Sinnenzone der bifokalen Linse einen
größeren Krümmungsradius als die Außenzone aufweisen, und ee ist auch möglich, an
Stelle aer Abstufung 4 einen Vorsprung nach der anderen Seite vorzusehen, wenn eine
Drehung des Schalldruckvektors in der anderen Richtung erwUncht ist.
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Im Normalfall wird nan den Schalldruckvektor zwischen -90° und +9o0drehen.
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Verwendet man einen Schallkopf nach den Fig. 1. und 2 im direkten
Kontakt zur Beschallung eines festen Körpers, wobei auch ein Körper mit nur wenig
deformierbarer Oberfläche unter diesen Begriff fällt, so muß der Hohlraum an der
Linsenvorderseite mit einem Koppelmittel ausgefüllt werden. Da die Wirkung der Linse
und auch die Phasen drehung nicht nur von der geometrischen Fora des Linsenkörpers,
sondern auch vom Unterschied der Schallgeschwindigkeit in der Linse und im anschließenden
Körper abhängen, kann es bei unterschiedlichen Koppelmedien auch zu Änderungen in
diesen Werten kommen. Um dies auszuschalten, wird nach Fig.3 die Linse 3 von einem
gegengleichen Abdeckkörper aus einen eine andere Schallgeschwindigkeit aufweisenden
Material abgeschlossen, wobei der erhaltene Bauteil schwinger- und abstrahlseitig
planparallele Flächen aufweist.
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Es wurde bereits angedeutet, daß man auch Schwinger 1 und 2 mit unterschiedlicher
Frequenz verwenden und mit eine solchen Schallkopf z.B. Strukturuntersuchungen durchfilhren
kann. In diesem Fall ist es notwendig, daß beide Teilschwinger gleiche Flächen und
gleichen Verlauf der Empfindlichkeit aufweisen. Diese Einstellung auf gleiche Empfindlichkeit
wird durch entsprechende Brennweiten der beiden Linsenzonen ermöglicht.
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10 L e e r s e i t e