DE2746222A1

DE2746222A1 - ultrasonic picture display system - uses fluid crystalline bath and oscillator electrodes to convert sound waves to glass screen image

Info

Publication number: DE2746222A1
Application number: DE19772746222
Authority: DE
Inventors: Walter Wilhelms
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-10-14
Filing date: 1977-10-14
Publication date: 1979-04-19

Abstract

The optics render ultrasonic pictures visible. The material under inspection is made virtually transparent and is a development of the water bath method; a salt bath being used. Electrodes are positioned on both sides of a 4 or 6 MHz oscillator so that they are pulsed at between 250 and 1000Hz at 800 to 1000volts. Further electrodes are provided which embrace the other electrodes and the bath of crystal solution. The picture made visible by the oscillator and crystal solution is displayed on a glass screen.

Description

Anlage zum Patentgesuch vom .,........ mit der BezeichnungAnnex to the patent application dated., ........ with the designation

Schalloptik Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Sichtbarmachung eines Schallbildes vom Innern des zu untersuchenden Materials.Sound optics The invention relates to a device for visualization a sound image of the interior of the material to be examined.

Der Stand der Technik in Bezug auf die vorgenannte Aufgabe ist, bei Auftreten eines Fehlers einen KathodenstraFl kurzimpuls= fcrmig abzulenken, einen anderen Zeigerausschlag zu bewirken oder ohne optisches System aufwendig zeilenförmig ein sehr ungefähres Dichtebild wiederzugeben.The state of the art in relation to the aforementioned object is at If an error occurs, a cathode ray is briefly deflected, a to cause a different pointer deflection or without an optical system in a complex line to reproduce a very approximate density image.

Weiterhin ist es bekannt, mit einem zusätzlichen Schalistrahler im Wasserbad den zu untersuchenden Gegenstand "zu beleuchten", mit einer weniger geeigneten Optik auf einen Schalischwinger zu projizieren und das entstehende Elektronenbild umständlich sichtbar zu machen durch zeilenfcrniges Abtasten, Verstärken usw und wieder zeilenförmiges Projizieren, und es ist bekannt mit einer Schlierenoptik die gekräuselte Oberfläche eines durchschallten Wasserbades sichtbar zu machen.It is also known to have an additional sound radiator in the Water bath to "illuminate" the object to be examined, with a less suitable one To project optics onto a shell-type oscillator and the resulting electron image awkward to make visible by line-by-line scanning, amplifying, etc. and line-shaped projection again, and it is known with a Schlieren optics to make the rippled surface of a sonic water bath visible.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist, Fehler im Material so sichtbar zu machen, als ob es durchsichtig sei.The invention is based on the problem of faults in the material to make it visible as if it were transparent.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß auf folgende Weise gelöst: Ein scheibenförmiger Schalischwinger ist entlang seines Umfanges auf beiden parallelen Flächen mit je einer großen, ringförmigen Elektrode versehen, zwischen denen eine in Impulsfolgefrequenz wiederholter, kurzer Senderimpuls anliegt. Innerhalb einer der beiden ringförmigen Elektroden ist eine große, scheibenförmige Elektrode isoliert gegen die ringförmige Elektrode angeordnet.This object is achieved according to the invention in the following way: A disk-shaped shell swivel is along its circumference on both parallel Surfaces each provided with a large, ring-shaped electrode, between which one A repeated, short transmitter pulse is present in the pulse repetition frequency. Within a A large, disk-shaped electrode is insulated from the two ring-shaped electrodes placed against the annular electrode.

Auf der Gesamtfläche der beiden letztgenannten Elektroden liegt die Fläche einer plankonvexen Linse auf, welche wiederum das Endglied einer Schalloptik darstellt. Die Schalloptik besteht aus zwei an den Optikenden plankonvexen Linsen relativ geringer Schallgeschwindigkeit und hohem Schall-Leitwert z , in doppel= ter Brennweiten-Entfernung voneinander eingebettet in ein Material mit viel höherer Schallgeschwindigkeit, aber ähnlichem Schall-Leitwert z. Auf der anderen Großfläche des Schwingers, welche der Schalloptik gegenüber liegt, ist ein nach dem Reflexionsprinzip arbeitendes Flüssigkristall aufgebracht, mit durchsichtiger Großelektrode. Zwischen letztgenannter Elektrode Ißnd der vorgenannten großen, scheibenförmigen Elektrode liegen Schallschwinger und Flüssigkristall räumlich und elektrisch in Reihe. Zwischen beiden Elektroden liegt eine in Spannung und Impuulsdauer regelbare, rechteckförmige Impulsfolgefrequenz-Vorspannung an, mit einem Impulsverhältnis von ca 1:1, mit niederohmiger, richtungsabhängiger Oarakteristik, von aktiv entdämpfender Wirkung für die hochfrequente Echospannung am Schwinger und einer Senderimpuls-Triggerung g eichzeitig mit dem Anstieg der Rechteckdächer der Impulsfolgefrequenz-Vor= spannung, sodaß sich auf den Rechteckdächern die Wgleichge= richtetenW Hf-Wellenpakete der Echos addieren und so die effektive x,esamtspannung der niederfrequenten Hüllkurve die Ansprech-Schwellspannung des Flüssigkristalls überschreitet.The lies on the total area of the last two electrodes Surface of a plano-convex lens, which in turn is the end member of a sound optics represents. The sound optics consist of two plano-convex lenses at the ends of the optics relatively low speed of sound and high sound conductance z, in double = ter focal distance from each other embedded in a material with much higher Speed of sound, but similar sound conductance z. On the other large area of the oscillator, which is opposite the sound optics, is one after the Reflection principle working liquid crystal applied, with transparent large electrode. Between the latter electrode and the aforementioned large, disk-shaped electrode the sound transducer and the liquid crystal are spatially and electrically in series. Between Both electrodes have a rectangular shape that can be regulated in terms of voltage and pulse duration Pulse repetition frequency bias on, with a pulse ratio of approx. 1: 1, with low-resistance, Direction-dependent characteristic, of active dampening effect for the high-frequency Echo voltage on the transducer and a transmitter pulse triggering simultaneously with the Increase in the rectangular roofs of the pulse repetition frequency bias voltage, so that on Add the rectified RF wave packets of the echoes to the rectangular roofs and so the effective x total voltage of the low-frequency envelope is the response threshold voltage of the liquid crystal exceeds.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.An embodiment of the invention is shown in the drawing and is described in more detail below.

Auf einen 4 oder 6 MHz Schallschwinger (Frequenz = Kompromiss aus Auflösung und Dämpfung) sind zwei ringförmige Elektroden aufgedampft. An Elektrode 1 wird gegenüber Elektrode 2 ein mit Impulsfolgefrequenz wiederholter Kurzimpuls (Senderimpuls) angelegt. Impulsspannung 800-1000 V, Impuisleistung 600-1000 W1 Impulsfolgefrequenz je nach Stärke des zu untersuchenden Materials 250-1000 Hz. Durch die Ringform der Senderelektroden in der erfindungsgemäßen Anordnung ist keine gesonderte Schall= quelle erforderlich.To a 4 or 6 MHz sound transducer (frequency = compromise Resolution and attenuation) two ring-shaped electrodes are vapor-deposited. At the electrode 1, opposite electrode 2, a short pulse is repeated with a pulse repetition frequency (Transmitter pulse) applied. Pulse voltage 800-1000 V, pulse power 600-1000 W1 pulse repetition frequency depending on the strength of the material to be examined 250-1000 Hz. Due to the ring shape of the Transmitter electrodes in the arrangement according to the invention is not a separate sound = source required.

Durch die doppelte Brennweiten-Entfernung der in Messing ein= gebetteten Bleilinsen der Schalloptik ist eine stark gebün delte, homogene, tiefenschärfen unabhängige Ultraschall-Ab= strahlung möglich mit gegenüber Stahl geringerer Schallgeschwin= dizkeit in den Bleilinsen und dadurch geringer Schallwellen= .ar.ze bzw höherer Auf lösung. Das aus Blei und Messing bestehende Material der Optik hat einen hohen Schall-Leitwert z und da= durch wenig Dämpfung. Durch die Ähnlichkeit der z-Werte von ,ßlei und Messing werden geringe Reflexionsverluste der Optik ermöglicht, die sonst leicht riesig werden und die Realisierung praktisch unmöglich machen. Durch die unterschiedlichen Schall= geschwindigkeiten wird ein in der Lichtoptik üblicher Brechungs= index erreicht. Da der Schall in den Linsen die geringere Geschwindigkeit hat, können wie in der Lichtoptik als Sammel= linsen (plan=) konvexe Linsen verwendet werden. Da in der Ultraschalloptik keine nennenswerte Dispersion auftritt, wirken die einfachen Linsen bereits als Achromat. Der Krümmungsradius der Linsen wurde so gewählt, daß erst am Linsenrand kein Schall mehr in die Linse gebrochen wird, bzw totale Reflexion eintritt.Because of the double focal length distance of those embedded in brass The lead lens of the sound optics is a strongly bundled, homogeneous, depth of focus independent ultrasonic radiation possible with a lower sound speed compared to steel dicity in the lead lenses and thus lower sound waves = .ar.ze or higher Resolution. The optics are made of lead and brass and have a high Sound conductance z and da = due to little attenuation. Due to the similarity of the z-values from, ßlei and brass, low reflection losses of the optics are made possible otherwise they can easily become huge and make implementation practically impossible. By the different sound = speeds becomes one in the Light optics of the usual refractive index achieved. Because the sound in the lenses is lower Speed can, as in light optics, as convergent lenses (flat =) convex Lenses are used. Since there is no significant dispersion in ultrasonic optics occurs, the simple lenses already act as achromatic lenses. The radius of curvature of the lenses was chosen so that only at the edge of the lens no more sound enters the lens is broken, or total reflection occurs.

Auf vorgenannte Weise erzeugt und gebündelt tritt der Ultra= schall ins zu untersuchende Material ein, wird dort auf einem Fehler reflektiert und dieses Schallbild von der Optik an ent sprechender Stelle der kreisscheibenförmigen Elektrode 3 pro= jiziert und erzeugt an gleicher Stelle gegenüber Elektrode 3 ein entsprechendes Spannungsbild. Bei vorgenannter Impulsspannung und Impuls leistung wurden mit einem 4 MHz Schwinger selbst aus stark dämpfendem 25 mm Plexi bei Reihen-Untersuchungen noch Mindest-Spannungen der Rückwandechos von 10 V gemessen.The ultrasound is generated and bundled in the aforementioned manner into the material to be examined, is reflected there on an error and this Sound image from the optics at the corresponding point on the circular disk-shaped electrode 3 projects and generates a corresponding one at the same point opposite electrode 3 Tension picture. With the aforementioned pulse voltage and pulse power, a 4 MHz transducer itself made of strongly damping 25 mm Plexi for serial examinations The minimum voltage of the back wall echoes of 10 V was measured.

Bei kleinflächigeren Reflektoren entsteht eine ähnliche Spannung nur auf kleinerer Fläche des Schwingers.A similar tension only arises with smaller-area reflectors on a smaller area of the transducer.

Auflösungsvermögen des optischen Systems bzw Berechnung der Wellenlänge in der Schalloptik unter Verwendung vorgenannten 6 MHz Schwingers:7 = V/fSs 2 x 106 mm/s/6 x 106 Hz = 1/3 mm.Resolving power of the optical system or calculation of the wavelength in sound optics using the aforementioned 6 MHz oscillator: 7 = V / fSs 2 x 106 mm / s / 6 x 106 Hz = 1/3 mm.

x /n x sind' & = Abstand, bei dem Teilchen noch eben getrennt wiedergegeben werden. Lt Pohlmann "Über die Möglich= keit einer akustischen Abbildung in Analogie zur optischen* Z.Phys. 113 (1939) Seite 700: Wird die Frequenz ganz ungefähr (bis zu ein) /1 gewobbelt, so kann das Auflösungsvermögen, bzw die Schärfe und Genauigkeit der Abbildung weiter gesteigert werden. Allerdings müssen dann (aus Konkav- und Konvexlinsen bestehende) Anastigmate verwendet werden.x / n x are '& = distance at which the particles are just separated be reproduced. Lt Pohlmann "About the possibility of an acoustic image in analogy to the optical * Z.Phys. 113 (1939) page 700: The frequency becomes whole about (up to one) / 1 wobbled, so the resolution, or the sharpness and the accuracy of the mapping can be further increased. However, (from Anastigmates consisting of concave and convex lenses can be used.

Die kreisförmige Elektrode 3 ist isoliert gegen Elektrode 1 angeordnet. Zwischen den Elektroden 3 u 4 befindet sich (außer dem Schallschwinger) ein Flüssigkristall zur Sichtbarmachung des Spannungsbildes auf der Schwinger-Oberfläche (innerhalb Elektrode 2). Zwischen den Elektroden 3 u 4 liegt eine regel= bare, rechteckförmige Inipulsfolgefrequenz-Vorspannung an von 5-20 V (Impulsverhältnis ca 1:1), um schwächere Echospannungen noch sichtbar machen zu können, und zwar wird der Sendeimpuls vom Rechteck-Oszillator so angetriggert, daß gleichzeitig mit dem Impuls der Wellenberg der niederfrequenten Impulsfolge= frequenz-Rechteckwelle beginnt. Der Schallschwinger ist etwas etltaktiv bedämpft (Schwinger an Stelle eines Quarzes in einem bei= nahe schwingenden, simplen Quarzoszillator), so daß nach in Impulsfolgefrequenz stattfindender Anregung des zB 4 MHz-Schwin= gens durch die aus dem untersuchten Material rückkehrenden Echos der Sender-Kurzimpulse, am Schwinger aus jeweils mehreren 4 MHz Schwingungen bestehende Wellenbäuche entstehen. Nach dem Sendetimpuls wird der gleichzeitig mit dem Sendetimpuls aus= gelöste Wellenberg der Rechteckwelle zeitlich so begrenzt,daß wohl noch ein Fehlerecho aus dem untersuchten Material, das Rückwandecho aber gerade nicht mehr oder schwach abgebildet wird, damit der Fehler nicht von der ("Helligkeit" der) Rück= wand überstrahlt wird. Die zeitliche Begrenzung mag durch ein kontinuierlich verstellbares Monoflop geschehen. Da die 4 MHz-Bäuche nur auf den zB positiven Wellenbergen der Rechteckwelle entstehen, findet bei einem relativ niederohmigen bzw leistungs= starken Rechteckoszillator im Stromkreis, mit seinem (in dem Fall)richtungsabhängigen (bzw gleichrichtenden) ri eine Spanngs= addition von Rechteckwelle und zB 4 MHz-Welle statt. Die (Rechteck-) Vorspannung wird so hoch gewählt, daß noch keine nennenswerte (Flüssigkristall-) Anzeige erfolgt, aber bei aus= reichender Echospannung die niederfrequente Hüllkurve der effektiven Gesamt spannung eine ausreichende Flüssigkristall-Drehung und damit eine Anzeige bewirkt.The circular electrode 3 is arranged so as to be insulated from electrode 1. Between the electrodes 3 and 4 there is a liquid crystal (apart from the sound transducer) to visualize the stress pattern on the transducer surface (within Electrode 2). Between the electrodes 3 and 4 there is a regulable, rectangular shape Pulse repetition bias on from 5-20 V (pulse ratio approx. 1: 1) in order to still be able to make weaker echo voltages visible, namely becomes the transmission pulse from the square-wave oscillator triggered so that simultaneously with the Pulse the crest of the low-frequency pulse train = frequency square wave begins. The sound transducer is somewhat actively damped (transducer instead of a quartz in a simple crystal oscillator oscillating close to =), so that after in pulse repetition frequency taking place excitation of, for example, 4 MHz oscillation by the from the examined Material returning echoes of the transmitter short pulses, on the transducer from several 4 MHz oscillations, existing wave protuberances arise. After the transmission pulse the wave crest of the square wave that is released at the same time as the transmission pulse limited in time that there is probably still an error echo from the examined material, the back wall echo is no longer or weakly displayed so that the Error is not outshone by the ("brightness" of the) rear wall. The temporal Limitation may be done by a continuously adjustable monoflop. Since the 4 MHz bellies only arise on the e.g. positive wave crests of the square wave, takes place with a relatively low-resistance or powerful square-wave oscillator in the circuit, with its (in this case) direction-dependent (or rectifying) ri a Spanngs = addition of a square wave and, for example, a 4 MHz wave. The (rectangular) The bias voltage is chosen so high that no noteworthy (liquid crystal) Display takes place, but if the echo voltage is sufficient, the low-frequency envelope curve the effective total voltage a sufficient liquid crystal rotation and thus causes a display.

Wenn ein Materialfehler ermittelt ist, kann man anschließend durch Verändern der Laufzeit feststellenlin in welcher Tiefe des Materials der Fehler anfängt sichtbar zu werden und in welcher Tiefe er voll sichtbar ist.If a material defect is found, you can then go through Changing the running time determine the depth of the material the error begins to become visible and in what depth it is fully visible.

Die erfindungsgemäße Schalloptik weist folgende Vorteile auf: Wenig Aufwand, kein Wasserbad erforderlich, daher billig und leicht transportabel. Homogenisierter, gebündelter, tiefen= schärfenunabhängiger Schallstrahl. Durch geeignetere Optik mit doppelter Brennweite und durch einen geeigneteren Schall-Licht-Wandler (in erfindungsgemäßer Anordnung, mit erfindungsgemäßer Elektroden-Anordnung und Ansteuerung) bessere Bildwiedergabe mit größerer Auflösung.The sound optics according to the invention have the following advantages: Little Effort, no water bath required, therefore cheap and easy to transport. Homogenized, bundled, deep sound beam that is independent of focus. With more suitable optics with double focal length and a more suitable sound-light converter (in inventive Arrangement, with electrode arrangement and control according to the invention) better image reproduction with higher resolution.

Claims

Claim device for making a sound image visible from the inside of the material to be examined, characterized in that it is a disk-shaped Sound transducer along its circumference on both parallel surfaces with one each large, ring-shaped electrode is provided, between which one in pulse train = frequency of repeated, short transmitter pulse is present and that within one of the two ring-shaped electrodes a large disk-shaped electrode insulates against the ring-shaped electrode is arranged and that on the last two electrodes the surface of a plano-convex lens rests as part of a sound optic consisting of two plano-convex lenses at the ends of the lens with a relatively low speed of sound and raw sound conductance z, embedded at twice the focal length distance from each other into a material with a much higher speed of sound, but a similar sound conductance z and that on the other large area of the transducer, which is opposite to the sound optics a liquid crystal working according to the reflection principle is applied with a large transparent electrode and that between the last-mentioned electrode and the aforementioned large, disc-shaped electrode sound = oscillator and liquid crystal are spatially and electrically in series and that one between the two electrodes Rectangular pulse repetition frequency bias voltage, adjustable in voltage and pulse duration is applied, with a pulse ratio of approx. 1: 1, with a low-resistance, direction-dependent Characteristic, of active de-attenuating effect for the high-frequency echo voltage on the transducer and a transmission pulse triggering simultaneously with the rise of the rectangular roofs the pulse repetition frequency bias, so that on the rectangular roofs the "equal = add the directional "RF wave packets of the echoes and thus the effective total voltage of the low-frequency envelope exceeds the response threshold of the liquid crystal.