DE2813289C2 - Verfahren und Schaltungsanordnung zur Anregung von Ultraschallschwingern mit elektrischen Impulsen - Google Patents
Verfahren und Schaltungsanordnung zur Anregung von Ultraschallschwingern mit elektrischen ImpulsenInfo
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- G—PHYSICS
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Description
35
ergibt, wobei A 1 die Amplitude des ersten Anregungsimpulses (i/l), Zßder akustische Wellenwiderstand
eines dem Ultraschallschwinger zugeordneten Dämpfungskörpers (10) und Zs der
Wellenwiderstand des Ultraschallschwingers (9) sind.
5. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der
Ansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet durch einen ersten Impulsgenerator (1) für den ersten Anregungsimpuls
(Ul) sowie einen vom ersten Impulsgenerator triggerbaren zweiten Impulsgenerator (2)
für den zweiten Anregungsimpuls (t/2) sowie eine Addierstufe (7) an den Ausgängen (5, 6) der beiden
Impulsgeneratoren zur Bildung des Überlagerungssignals (U 3).
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Addierstufe (7) und
Ultraschallschwinger (9) ein Breitbandverstärker (8) eingeschaltet ist, der die Überlagerungsspannung (3)
am Ausgang des Addiergliedes (7) auf die erwünschte Anregungsamplitude naturgetreu verstärkt.
bO
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Anregung von Ultraschallschwingern
mit elektrischen Impulsen in dem Sinne, daß ein akustischer Einzelimpuls mit cos2-ähnlichem Verlauf
erzeugt wird.
Der Einsatz von Einzelimpulsen mit cos2-ähnlichem
Verlauf ist immer dort von Interesse, wo es bei der Abtastung auf besonders gute Tiefenauflösung ankommt
Das Einsatzgebiet erstreckt sich dabei sowohl auf die Ultraschall-Werkstoffprüfung als auch auf die
medizinische Ultraschall-Diagnose. Ein besonderes Einsatzgebiet ist das der Impediographie (Impediography:
a new ultrasonic technique for non-destructive testing and medical diagnosis von j. P. Jones aus
»Ultrasonics International« 1973 Conference Procedings,
Seiten 214 bis 218). Impulse der genannten Art
lassen sich jedoch auch mit Vorteil bei der Raylographie und bei Abtastung nach dem sogenannten Flugzeitverfahren
einsetzen.
Vorschläge für Systeme zur Erzeugung cos2-ähnlicher
Abstrahlimpulse sind z. B. aus dem Buch »Werkstoffprüfung mit Ultraschall« von J. und H. Krautkrämer,
Springer-Verlag, 1975, Seiten 132 bis 141, vorbekannt
Diese bekannten Systeme setzen jedoch voraus, daß der Ultraschallschwinger auf seiner Rückseite mit einem
Dämpfungskörper betrieben ist, der wellenwiderstandsmäßig
an das Schwingermaterial angepaßt ist Durch Anregung mit einem Spannungssprung würde im
Idealfall ein einzelner Rechteckdruckimpuls abgestrahlt Durch den endlichen Innenwiderstand der Spannungsquelle und aufgrund der Kapazität des Ultraschallschwinger*
wird dieser Rechteckimpuls zu einem cos2-ähnlichen Verlauf verschliffen. Der Dämpfungskörper
absorbiert ferner auch weitgehend die nach hinten abgestrahlte Druckwelle. Die unbedingt notwendige
wellenwiderstandsmäßige Anpassung zwingt jedoch zur Festlegung des Schwingersystems auf solche sehr eng
begrenzte Kombinationen von Schwinger- und Dämpfungskörpermaterialien, die gerade die für die Anpassung
günstigen Wellenwiderstände aufweisen. Gute Anpassung bei gleichzeitig guter Absorption im
Dämpfungskörper ergibt sich, wenn als Schwingermaterial Bleimetaniobat und als Material für den Dämpfungskörper
eine Mischung aus Kunststoff und Metallpulver hoher Dichte verwendet wird (J. und
H. Krautkrämer, »Werkstoffprüfung mit Ultraschall«, 1975, Seite 141, 2. Absatz). Der Einsatz von
Bleimetaniobat als Schwingermaterial ist erforderlich, obgleich dieses Material im Hinblick auf optimalen
Schalldruck als Senderwerkstoff weniger gut geeignet ist als beispielsweise Bleizirkonat-Titanate (PZT), die in
großer Zahl auf allen anderen Einsatzgebieten zur Erzeugung akustischer Pulsschwingungen eingesetzt
werden (J. und H. Krautkrämer, »Werkstoffprüfung mit Ultraschall«, 1975, Seite 140, letzter Absatz, 4.
und 5. Zeile). Bleizirkonat-Titanate als Schwingermaterial kamen jedoch deshalb nicht für die Erzeugung von
Einzelimpulsen mit cos2-ähnlichem Verlauf in Frage, weil diese Stoffe so hohe akustische Wellenwiderstände
haben, daß für sie eine Anpassung aus technologischen Gründen praktisch nicht möglich ist.
Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, einen Weg anzugeben, wie dennoch völlig unabhängig von der Art
des Systemaufbaus des Ultraschall-Senders akustische Einzelimpulse erzeugt werden können, die cos2-ähnlichen
Verlauf aufweisen.
Die Aufgabe wird mit einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
einem ersten elektrischen Anregungsimpuls, dessen Anstiegszeit kleiner oder gleich, vorzugsweise jedoch
gleich, der Laufzeit einer akustischen Welle im Ultraschallschwinger ist und dessen Abfallzeit wesentlich
größer, z. B. wenigstens zehnmal größer ist als die Laufzeit, ein zweiter Anregungsimpuls überlagert wird,
der gegenüber dem Beginn des ersten Anregungsimpul-
ses vorzugsweise um etwa zwei Drittel der Laufzeit verzögert ist, und dessen Dauer etwa der Laufzeit
entspricht, und daß das Oberlagerungssignal das elektrische Anregungssigna] für den Ultraschallschwinger
ist
Eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch
einen ersten Impulsgenerator für den ersten Anregungsimpuls sowie einen vom ersten Impulsgenerator
triggerbaren zweiten Impulsgenerator für den zweiten Anregungsimpuls sowie eine Addierstufe an den
Ausgängen der beiden Impulsgeneratoren zur Bildung
des Überlagerungssignals.
Mit der Erfindung lassen sich also durch Vorgabe einer exakt definierten elektrischen Anregungsform
kurze cos2-ähnliche Druckimpulse in der erwünschten Weise erzeugen. Die cos^ähnliche Form der Druckimpulse
ergibt sich lediglich aufgrund der speziellen Anregungsform; ihre Erzeugung ist völlig unabhängig
vom Sendersystemaufbau. Es lassen sich damit auch nichtangepaßte Systeme verwenden. Da bei einem
solchen nichtangepaßten System die Wahl des Schwingermaterials völlig frei ist, können im Gegensatz
zu bisher auch Schwinger auf der Basis von Bleizirkonat-Titanaten (PZT) mit all ihren besonderen Vorteilen
eingesetzt werden. Die spezielle elektrische Anregungsform läßt sich mit Hilfe von lediglich zwei Impulsgeneratoren
synthetisieren. Die Ausgangsimpulse dieser Impulsgeneratoren (erster und zweiter Anregungsimpuls)
müssen nach Anstiegszeit, Abfallzeit und Impulsbreite lediglich unabhängig voneinander einstellbar sein.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung sollte die Anstiegs- und Abfallzeit des zweiten Anregungsimpulses
vorzugsweise im Bereich etwa ein Drittel seiner Dauer liegen. Die Amplitude des ersten Anregungsimpulses
ist beliebig vorgebbar. Die Amplitude des zweiten Anregungsimpulses geht mit der Amplitude des
ersten Anregungsimpulses, dem Wellenwiderstand Zs
des Ultraschallschwingers und dem akustischen Wellenwiderstand Zd eines dem Ultraschallschwinger zugeordneten
Dämpfungskörpers eine Beziehung nach der Formel
verhindert die Entstehung weilerer Schwingungen nach
Abgabe der erwünschtea Getriggert vom ersten Impulsgenerator über den Triggereingang 4 erzeugt
auch der zweite Impulsgenerator 2 einen Ultraschalümpuls U2 (Fig. 2). Die Abgabe dieses Impulses erfolgt
dabei verzögert Die Verzögerungszeit gegenüber dem ersten Anregungsimpuls U1 beträgt etwa zwei Drittel
der Laufzeit fsder Welle im Schwinger. Der Impuls U 2
hat die Form eines schmalen Trapezes. Die Amplitude
ίο A 2 des Impulses ist im vorliegenden Fall kleiner als die
Amplitude A i des ersten Anregungsimpuises Ui. Der
zweite Anregungsimpuls U 2 hat ferner im vorliegenden Fall umgekehrte Polarität zum ersten Anregungsimpuis
U1. Die Dauer des Impulses t/2 entspricht der Laufzeit
fj. Anstiegs- und Abfallzeit des Impulses t/2 betragen
etwa ein Drittel der Impulsdauer. Die Amplitude A 2 ist auf d;e rückseitige Bedämpfung des Ultraschallschwingers
abgestimmt Hat der erste Anregungsimpuls t/l also die Amplitude A 1, so ergibt sich für die Amplitude
A 2 des zweiten Anregungsimpulses t/l allgemein die Beziehung
A2 = A1 ■
Zn - Zs
Wie bereits angedeutet ist Zp der akustische
Wellenwiderstand des Dämpfungskörpers. Zs ist der
Wellenwiderstand des Piezoschwingers.
Die Anregungssignale Ui und t/2 der beiden
Impulsgeneratoren 1 und 2 werden in einem Addierglied 8 (z. B. passiv in einem Widerstandsnetzwerk) addiert
Das Überlagerungssignal t/3 (Fig.2) wird dann über
einen Breitbandverstärker 8 dem Piezoschvur.ger 9 mit
Dämpfungskörper 10 zugeleitet. Qieser Schwinger 9 erzeugt daraufhin einen Ultraschallimpuls mit dem in
F i g. 2 dargestellten cos2-ähnlichen Druckverlauf P.
Der Breitbandverstärker 8 soll das Überlagerungssignal t/3 auf die erwünschte Anregungsamplitude
möglichst naturgetreu verstärken. Dies ist erfüllt wenn für obere und untere Grenzfrequenz fo und fu des
Verstärkers 8 folgende Bedingungen eingehalten werden:
Al = Al
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines
Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung in Verbin- w dung mit den weiteren Unteransprüchen.
Es zeigt
F i g. 1 ein Ausführungsbeispiel im Prinzipschaltbild,
F i g. 2 ein Diagramm der wesentlichsten Spannungsverläufe im Prinzipschaltbild der F i g. 1. 3-,
In der F i g. 1 sind mit 1 und 2 ein erster und ein zweiter Impulsgenerator bezeichnet. Der erste Impulsgenerator
1 ist an einem Triggereingang 3 durch einen Sendetriggerimpuls triggerbar. Der zweite Impulsgenerator
2 ist vom ersten Impulsgenerator 1 über einen wi Triggereingang 4 triggerbar. Bei Triggerung des ersten
Impulsgenerators 1 durch Sendetriggersignal am Eingang 3 erzeugt dieser an seinem Ausgang 5 einen
trapezförmigen Impuls U1 (F i g. 2), dessen Anstiegszeit
tan gleich der Laufzeit ts einer Welle im verwendeten en
Piezoschwinger ist und dessen Abfallzeit t„b im
vorliegenden Fall wenigstens zehnmal so groß ist wie die Anstiegszeit. Die verhältnismäßig lange Abfallzeit
Für den Ausgangswiderstand Ra des Verstärkers muß
gelten:
Hierbei ist
schwingers 9.
schwingers 9.
2 -τ ./„ · C0
die geklemmte Kapazität des Piezo
die geklemmte Kapazität des Piezo
Zusammenfassung
Verfahren und Schaltungsanordnung
zur Anregung von Ultraschallschwingern
mit elektrischen Impulsen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung ^jr Anregung von Ultraschallschwingern
mit elektrischen Impulsen in dciu Sinne, daß
ein akustischer Einzelimpuls mit cos?-ähn!:rhem Verlauf
erzeugt wird. Wünschenswert ist, daß ein solcher Einzelimpuls mit einem cos2ähnüchei Verlauf unab-
hängig von einer wellenwiderstandsmäßigen Anpassung des Sendersystems erzeugt wird. Gemäß der
Erfindung ist dies dadurch erreicht, daß ein erster elektrischer Anregungsimpuls (t/l) erzeugt wird,
dessen Anstiegszeit (t2n) kleiner oder gleich, vorzugsweise
jedoch gleich, der Laufzeit (ts) einer akustischen
Welle im Ultraschallschwinger (9) ist und dessen Abfalizeit (t,b) wesentlich größer, z. B. wenigstens
zehnmal größer ist als die Laufzeit (ts). Diesem Impuls
wird ein zweiter Anregiingsimpuls (U2) überl
gegenüber dem Beginn des ersten Anregung um vorzugsweise etwa zwei Drittel der La
verzögert ist. Die Dauer des zweiten entspricht etwa der LaufzeiL Das Überlageru
(i/3) ist das elektrische Anregungssignal Uitraschallschwinger (9). Die Erfindung läßt sie
bei der Ultraschall-Werkstoffprüfung als auch sehen I Htraschail-Diagnostik einsetzen (F i g. 2
Hierzu 1 Blau Zeichnungen
Claims (4)
1. Verfahren zur Anregung von Ultraschallschwingern mit elektrischen Impulsen in dem Sinne, daß ein
akustischer Einzelimpuls mit cos2-ähnlichem Verlauf erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß einem ersten elektrischen Anregungsimpuls (L/1), dessen Anstiegszeit (ίω) kleiner oder gleich,
vorzugsweise jedoch gleich, der Laufzeit (ts) einer
akustischen Welle im Ultraschallschwinger (9) ist und dessen Abfallzeit (t3b) wesentlich größer, z. B.
wenigstens zehnmal größer ist als die Laufzeit (is),
ein zweiter Anregungsimpuls (U 2) überlagert wird, der gegenüber dem Beginn des ersten Anregungsimpulses
(Ui) vorzugsweise um etwa zwei Drittel der
Laufzeit fI5) verzögert ist und dessen Dauer etwa der
Laufzeit (ts) entspricht, und daß das Überlagerungssignal (i/3) das elektrische Anregungssignal für den
Uliraschallschwinger (9) ist
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anstiegs- und Abfallzeit des
zweiten Anregungsimpulses (i/2) vorzugsweise im Bereich etwa ein Drittel seiner Dauer (ts) liegen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude (A 1) des ersten
Anregungsimpulses (U1) beliebig vorgebbar ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Amplitude
(A 2) des zweiten Anregungsimpulses (U2) nach der Beziehung
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19782813289 DE2813289C2 (de) | 1978-03-28 | 1978-03-28 | Verfahren und Schaltungsanordnung zur Anregung von Ultraschallschwingern mit elektrischen Impulsen |
Applications Claiming Priority (1)
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DE19782813289 DE2813289C2 (de) | 1978-03-28 | 1978-03-28 | Verfahren und Schaltungsanordnung zur Anregung von Ultraschallschwingern mit elektrischen Impulsen |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE2813289B1 DE2813289B1 (de) | 1978-12-14 |
DE2813289C2 true DE2813289C2 (de) | 1979-08-09 |
Family
ID=6035560
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19782813289 Expired DE2813289C2 (de) | 1978-03-28 | 1978-03-28 | Verfahren und Schaltungsanordnung zur Anregung von Ultraschallschwingern mit elektrischen Impulsen |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE2813289C2 (de) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3008267A1 (de) * | 1980-03-04 | 1981-09-17 | Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München | Ultraschallwandler |
-
1978
- 1978-03-28 DE DE19782813289 patent/DE2813289C2/de not_active Expired
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3008267A1 (de) * | 1980-03-04 | 1981-09-17 | Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München | Ultraschallwandler |
Also Published As
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DE2813289B1 (de) | 1978-12-14 |
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