DE3008267C2 - Ultraschallwandler - Google Patents

Description

liefert.

12. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Entzerrer so aufgebaut ist, daß er für Leerlaufbetrieb des Wandlers eine Übertragungsfunktion nach der Beziehung

liefert.

13. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Entzerrer so aufgebaut ist, er für Kurzschlußbetrieb" des Wandlers eine Übertragungsfunktion nach der Beziehung

liefert, wobei die Indizes K den Kurzschlußfall mit entsprechend geänderten Parametern andeuten

14. Ultraschailwandler nach Anspruch 13. dadurch gekennzeichnet, daß für den Fall r_lx = r_2K = r_K der Entzerrer eine Übertragungsfunktion nach der Beziehung

liefert.

15. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Entzerrer so aufgebaut ist, daß er für Kurzschlußbetrieb des Wandlers eine Übertragungsfunktion nach der Beziehung

liefert.

16. Ultraschallwandler nach c^:nem der Ansprüche I bis 9. dadurch gekennzeichnet, daß der Entzerrer so aufgebaut ist, daß er im K.urzsch!ußbetrieb des Wandlers eine Übertragungsfunktion nach der Beziehung

. *,²rf,₂1-(l-r_l2)p-«-r₁₂i·-²··
H_Kr=1

g
i-r.V

liefert, wobei </,₂. r₁₂ verallgemeinerte Durchgangsbzw. Reflexionsfaktoren sind.

17. Ultraschallwandler nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß für den Spezialfall r, = r₂ = r die Übertragungsfunktion des Entzerrers nach der Be-Ziehung

verläuft.

1 -J-r.f-"
liefert, wobei r,, r₂ — rück- bzw. vorderseitige Re-

_n . , , , . (I ., . ,, . 65 Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschallflexionsfaktoren und g = p- -. mit p=Variabe des ., . P ... . . _c

⁶ ' <· ' wandler, mit einer Einrichtung zur Erzeugung zeit

begrenzter Ultraschall-Signale, die wenigstens einen Entzerrer für Ultraschall-Signale umfaßt.

Bildbereichs, d= Schwingerdicke und c = Schallgeschwindigkeit im Schwinger.

Ultraschallwandler dieser Art werden in der medizinischen Ultraschall-Diagnostik oder auch bei der Ultraschall-Werkstoffprüfung eingesetzt. Von Interesse ist hierbei die Erzeugung kurzer, breitbandiger Sende- und Empfangsimpulse. Kurze Impulse (unipolar, bipolar) können mit einem sogenannten »matched transducer« (angepaßter Wandler) erzeugt werden. Solche Wandler sind beispielsweise durch den Aufsatz »A study of waveform in the generation and detection of short ultrasonic pulses« von M. Redwood aus Applied to Materials Research, April 1963, Seiten 76 bis 84 bzw. durch den Aufsatz »The design and characterization of short pulse ultrasound transducers« von F. S. Foster und J. W. Hunt aus ULTRASONICS, May 1978, Seiten 116 bis 122 bekannt. Signifikante Eigenschaft eines solchen '5 Wandlers ist demnach, daß die Piezokeramik auf der Rückseite mit einem Material gleichen akustischen Wellenwiderstandes als Dämpfungskörper verbunden ist. Die Realisierung eines solchen Aufbaues ist jedoch technologisch recht schwierig; das Ergebnis ist zudem !miner ein Spezialwandler, der nur für den speziellen Fall, nicht jedoch allgemein, einsetzbar ist. Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung kurzer Impulse besteht in der Anregung mit einer speziellen Signalform. Wandler mit derartigen Anregungsfonnen sind beispielsweise in der US-PS 3656012 oder auch in der DE-PS 2813289 beschrieben. Diese bekannte Methode läßt sich jedoch prinzipiell nur in der Sendephase anwenden. Außerdem lassen sich die speziellen Anregungsformen nicht mit einem einzigen Standard-Signalgenerator erzeugen, dessen Vorhandensein aus Gründen der Vereinfachung der Schaltung wünschenswert ist. Entzerrer zur elektrischen Anpassung von Piezoschwingern sind an sich schon durch den Artikel »Optimization of the piezoelectric transducer response by means of electrical correcting circuits« von R. Kazys und A. Lukosevicius aus ULTRASONICS. May 1977, Seiten 111 bis 116 bekannt. Die dort niedergelegten Vorschläge gehen jedoch vom Prinzip der Inversfilterung aus; sie sind aus Stabilitätsgründen nur m.herungsweise realisierbar. Für den Fall w großer elektromechanischer Kopplungsfaktoren (bei Piezokeramik immer erfüllt) benötigen die angegebenen Realisierungen jeweils einen Hilfswandler, der völlig gleichartig aufgebaut sein muß wie der eigentliche Sende/Empfangswandler.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, ein Wandlersystem mit En'zerrer zu schaffen, das im Gegensatz zum Stand der Technik vielseitiger anwendbar ist und dennoch technisch einfach aufgebaut ist.

Die Aufgabe wird erfinuungsgemäß dadurch gelöst, so daß eine Kettenschaltung aus Wandler und Entzerrer die Übertragungsfunktion bzw. Impulsantwort eines akustisch angepaßten Wandlers liefert.

Ein System dieser Art läßt sich technisch einfach realisieren und vielseitig anwenden. Mit der Erfindung lassen sich nämlich nicht nur Systeme aufbauen, die erwünscht kurze Impulse liefern; ebensogut ist es in Umkehrung des Prinzips möglich, einen Wandler unbekannter Eigenschaften dahingehend auszumessen, daß durch Variierung einzelner Schaltungskomponenten des Entzerrers (insbesondere durch Einsatz von Potentiometern) einzelne unbekannte Parameter des Wandlers bestimmt werden. Bei diesen Parametern handelt es sich unter anderem beispielsweise um den vorder- und rückseitigen ReflexionskoeffizienUin. woraus sich die Wellenwiderstände des Piezomaterials und Dämpfungskörpers bestimmen lassen, oder Hu,Ji den elektromechanischen Kopplungsfaktor bzw. auch die akustische Laufzeit des Wandlers, woraus sich dann schließlich die Resonanzfrequenz bestimmen läßt. Ebensogut läßt sich das System aber auch dahingehend einsetzen, daß sich der Wellenwiderstand bei unbekannten Materialproben auf einfachste Weise messen läßt.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Unteransprüchen. t

Es zeigen:

Fig. 1 die Erfindung im Prinzipschaltbild für getrennten Sende- und Empfangswandler,

Fig. 2 die Erfindung im Prinzipschaltbild für Anwendung auf einen gemeinsamen Sende/Empfangswandler,

Fig. 3 das Prinzipschaltbild eines Entzerrers für Leerlaufbetrieb,

Fig. 4 ein vereinfachtes Schaltbild für Leerlaufbetrieb,

Fig. 5 ein weiteres Kettenglied eines Entzerrers im Prinzipschaltbild, das in Verbindung, mit den Schaltbild der Fig. 3 Kurzschlußbetrieb realisiert,

Fig. 6 das entsprechend zugeordnete vereinfachte Schaltbild für Kurzschlußbetrieb in Verbindung mit dem vereinfachten Schaltbild der Fig. 4,

Fig. 7 die schaltungstechnische Realisierung des Wandler-Entzerrers entsprechend Fig. 3 mit Modifikation für naiierungsweisen Sendebetrieb.

Bei den in den Figuren dargestellten Wandlern kann es sich um Einzelwandler, wie beispielsweise für A-Scan oder auch B-Compound-Scan od. dgl., handeln. Ebenso möglich ist auch der Einsatz von ganzen Wandlersystemen mit einer Vielzahl in einer Linie oder matrixförmig in Zeilen übereinander bzw. Spalten nebeneinander angeordneten Einzelschwingerelementen (sogenanntes Ultraschall-Array). Die Erfindung gilt im Prinzip sowohl für Reflexions- als auch Transmissionsbetrieb. Im Falle der Transmission kann das Prinzipschaltbild der Fig. 1 herangezogen werden. Dieses Prinzipschaltbild mit getrenntem Sender/Empfänger kann jedoch selbstverständlich auch für den Reflexionsbetrieb angewendet werden, wenn der Wandler 1 und der Wandler 2 entsprechend in bestimmter räumlicher Konfiguration zum Untersuchungsobjekt getrennt voneinander angeordnet sind. Für den reinen Reflexionsbetrieb kann auch das Prinzipschaltbild der Fig. 2 mit gemeinsamen Sende/Eiripfangswandler 1 angewendet werden. In beiden Prinzipschaltbildern sind die Sender jeweils mit 4 und die Empfänger mit 5 dargestellt. Ein Entzerrer für den Sendefall ist mit 6 und ein Entzerrer für den Empfangsfall mit 7 bezeichnet. Ein Entzerrer kann also sowohl für den Sendeais auch für den Empfangsfall vorhanden sein. Es ist jedoch auch möglich, lediglich einen von beiden Entzerrern, d.h. also entweder den Sende- oder auch den Empfan^sentzerrer, zu verwenden. Ebensogut kann auch ein einzelner (z.B. umschaltbarer) Entzerrer gleichermaßen für den Sendefall als auch für den Empfangsfall eingesetzt werden.

Das Prinzipschaltbild der Fig. 3 zeigt speziell den Leerlaufbetrieb. Die Übertragungsfunktion H_L des Leerlaufbetriebs ergibt sich nach der folgenden Beziehung:

1-T₂(I-,

\-r_xr₂e-²'

k, = Dickenkopplungstaktor des Wandlers,
r,, r₂ = rück-, vorderseitige Reflexionsfaktoren,

g = p.'-., wobei ρ = Variable des Bild(Frequnez)Bereichs,

</= Dicke der Piezokeramik,

c - Ultraschallgeschwindigkeit in der Piezokeramik.
Für den Fall der Anpassung, also r, =0, gilt:

1__r
2g

(2) parameter zur Erzeugung näherungsweise zeitbegrenzter Signale im Kurzschlußbetrieb einsetzen.

Die Übertragungsfunktion des Kurzschlußbetriebes ergibt sich dann mit unterschiedlich gewählten Kurzschlußgrößen r_IK.r_2K.g_K wie folgt:

Hierzu erhält man nach Rücktransformation in den Zeitbereich die Impulsantwort:

H_K —

Für den Fall der Anpassung, also /·, _A = 0. gilt:

⁽³>

Hierzu gehört die Impulsantwort::

Mit a(t- /j)= Einheitssprung zum Zeitpunkt I=U-Für die Übertragungsfunktion eines entsprechenden Entzerrers H_Li: gilt nun folgende Bestimmungsgleichung: 15 h_K

Durch Einsetzen der Gleichungen (I) und (2) in Glei-

chung (4)erhält man: Für die übertragungsfunktion eines cninpictiicMUcn

• __r -iq 20 Entzerrers H_Kf gilt wieder die Bcstimmungsgleichung:

"""7T^' ^P) Η_Κ·Η_ΚΕ=Η_ΚΛ. (16)

if)= Dirac-Stoß (rt-Impuls) zum Zeitpunkt

Gemäß dieser Gleichung kommt man dann schließlich zum Prinzipschaltbild der Fig. 3, das neben zwei Koeffizienteneinstellern 8, 9 und zwei Addiergliedern 12. 13 in prinzipieller Realisierung nach der ersten kanonisehen Systemstruktur auch noch zwei Verzögerungsglieder 10 und 11 umfaßt.

Das beschriebene System der Fig. 3 ist stabil für alle Durch Einsetzen der Gleichungen (13) und (14) h (16) erhält man:

25 \ _ _{r r c}

¹
Für den Spezialfal!

vereinfacht sich die Gleichung (5) zu:
//_L£=l-re"».

(7) Die «-a/ugehörige prinzipielle Realisierung entspricht der in Fig. 3 dargestellten Schaltung, wenn die Leerlaufgrößen/·,,/·, und ,? durch die entsprechenden Kurzschlußgrößen ersetzt werden.

Dies gilt natürlich auch Tür den Spezialfall

r_iK = r_2K = r_K. (18)

J5

(8) wodurch sich Gleichung (17) vereinfacht zu:
H_Kt:=\ -r_Kc ■"■

Die prinzipielle Realisierung dieser Übertragungsfunktion ist in der Fig. 4 dargestellt. Das Glied 14 ist wieder ein Koeffizienteneinsteller. während das Element 15 wieder ein Addierglied und das Element 16 ein Verzögtrungsglied sind. In den beiden Fällen der Fig. 3 und 4 ist der Eingang der Entzerrerschaltung jeweils mit E und der Ausgang mit A bezeichnet.

Die Übertragungsfunktion nach der Beziehung (1)45 führt aber auch im Falle r₂ = 0 (entspräche Anpassung an der Vorderseite) zu einer zeitbegrenzten Impulsantwort gemäß der folgenden Beziehung:

k¹

²⁹]-

(9)

Die zugehörige Impulsantwort lautet:
/i'_L/l = -y- a{t)~ (1 — Γ,)σί/— J — r, σ ( / — 2-1 .

Mit der Bestimmungsgleichung für die entsprechende Entzerrerübertragungsfunktion H'_LE

H_LH_LE = (\-r₂) H_1Λ (11) _m

erhält man in diesem Falle:

Die prinzipielle Realisierung dieser Übertragungsfunktion ist in dcrn allgemeineren Fall der Fig. 3 enthalten; es entfällt einfach die Rückkopplung 17.

Die Prinzipschaltbilder der Fig. 3 und 4 lassen sich auch bei entsprechender Modifikation der System-(prinzipielle Realisierung wieder entsprechend Fig. 4). Die Übertragungsfunktion nach Gleichung (13) führt natürlich ebenfalls zu einer zeitbegrenzten Impuisantwort (ürr_1K = 0. Hierfür gilt:

Η'_Κλ = - [1 -(I - r_lK) e"^K — r_lKc'^2qK]. (20)

Die dazugehörige Impulsantwort lautet:

h'_KA = - <>(/) — (1 —r_lK) ό I / J —r_IJtc5l/ —2 — J.

Mit der Bestimmungsgleichung für die dazugehörige Entzerrer-Übertragungsfunktion H'_KE

"AT"A.£— I' +^rlK) "KA ¹^"'

erhält man in diesem Fall:

//«=l-r,_K2X,-. <23)

In Realisierung gemäß Fig. 3 mit Dimensierung auf Kurzschlußerößen entfallt dann wieder die Rückkopp-

_{Bej etwas erhöhtem} Schaltungsaufwand lassen sich jedoch in Verbindung mit den Prinzipschaltbildern der Fig. 3 und 4 für Kurzschlußbetrieb auch exakt zeitbegrenzte Signale erzeugen. Die Übertragungsfunktion des Kurzschlußbetriebes läßt sich nämlich als Produkt zweier Funktionen darstellen, wobei eine der beiden Funktionen identisch ist mit jener der Gleichung (13). wenn r_iK. r_2K und g_K durch die entsprechenden Leerlaufgrößen ersetzt werden. Gemäß der Produktform der

Übertragungsfunktion kann nun der dazugehörige Wandler-Enlzerrer als die Kettenschaltung zweier Teilsysteme aufgefaßt werden, wobei eines dieser beiden Teilsysteme genau der prinzipiellen Realisierung nach Fig. 3 bzw. Fig. 4 entspricht. Für die Übertragungsfunktion des zweiten Teilsystems Hg_E gilt die Beziehung:

_
* ~(1 ~^r\i)^l' *-^ri2^e

I- r_x r₂e

~²*

ίο

flexionskoeffizient.

Die Gleichung (24) führt in Realisierung zum Prinzipschaltbild der Fig. 5. Im Prinzipschaltbild der Fig. 5 bezeichnen die Kennziffern 18. 19. 20. 21 wieder Koeffizienteneinsteller. Die Glieder 22. 23, 24. 25 sind wieder Addierglieder und die Glieder 26, 27 Verzögerungsglieder. Mit 28 ist ein Integrator bezeichnet.

Fig. 5 ist stab:! für aüe

a* tKsCiinciicriC Syste

20

(25)

Für den Spezialfall

Ί = ^r2 = ^r

(26)

vereinfacht sich die Gleichung (27):

2?

(27)

jo

Die prinzipielle Realisierung zeigt die Fig. 6. Hier bezeich! .cn 29 und 30 wieder die Koeffizienteneinsteller, 31. 32 und 33 die Addierglieder und 34 das Verzögerungsglied bzw. 35 das Integrierglied. Mit 36 ist zusätzlich ein Vorzeicheninvertcr eingeschaltet.

Die Impulsantwort der Kettenschaltung aus den beiden Entzerrerteilsystemen der Fig. 3 und 5 oder 4 und 6 mit dem Wandler im Kurzschlußbetrieb berechnet sich nun exakt mit Gleichung (15) bzw. (21), wenn r,_K, r_1K und g_K durch die entsprechenden Leerlaufgrößen ersetzt werden.

Eine spezielle schaltungstechnische Realisierung des Prinzipschaltbildes der Fig. 3 ist in der Fig. 7 mit Hilfe eines ausgangsseitigen Pufferverstärkers PV für den Kurzschluß-Sendebetrieb ausgelegt. Ihre Funktionsweise ergibt sich wie folgt:

Der Betrag des Koeffizienten -r_u ■ r_1K läßt sich an einem eingangsseitigen (E) massebezogenen Potentiometer mit z.B. dem normierten Wert R zwischen 0 und 1 kontinuierlich einstellen. Das negative Vorzeichen wird erst nach der Verzögerungsstufe Ti. FZ,. Tl gebildet. Der Transistor TX realisiert einen Emitterfolger mit hochohmigem Eingang und niederohmigem Ausgang. Das Verzögerungselement KZ₁ umfaßt z.B. miniaturisierte LC-Ketten. Es ist sowohl am Eingang als auch am Ausgang mit seinem Wellenwiderstand ZW abgeschlossen. Für einen speziell eingesetzten Wandler von 1 MHz-Resonanzfrequenz wird eine Verzögerungszeit von etwa 500 ns benötigt. Das verzögerte Signal wird an dem entsprechenden Zwischenabgriff hochohmig abgegriffen und gelangt über den Emitterfolger 7"2 zu ersten Addierstufe (OP_x mit Widerstandsbeschattung). Hier wird nun das negative Vorzeichen des Koeffizienten —r_iKr_1K eingebracht. Da der wellenwiderstandsmaßige Abschluß der Verzögerungskeite eine Sⁿänriun°stc!lun° um den Faktor 2 bewirkt, wird der bisher beschriebene Signalpfad durch die Operationsverstärkerschaltung OP_x mit dem Faktor -2 multipliziert. Der positive Eingang von OP_x geht auf ein zweites massebezogenes Potentiometer, an dem der Betrag des Koeffizienten —r_IK zwischen 0 und 1 kontinuierlich eingestellt werden kann. Da der positive Eingang von OP₁ mit dem Faktor 3 bewertet wird, liegt in Serie zu dem Potentiometer ein Festwiderstand 2R. der eine Spannungsteilung um den Faktor 3 bewirkt. Das Vorzeichen des Koeffizienten -r_il: ist im vorliegenden Fall positiv (r_iK <0). Die zweite V^rzögerungsMufe, gebildet aus 7"3, IZ₂ und T4, ist identisch mit der ersten. Die zweite Addierstufe (OP₂ mit Widerstundsschaltung) bewertet den verzögerten Signalpfad mit dem Faktor 2 (wodurch die Spannungsteilung der angepaßten Verzögerungskette ausgeglichen wird) und den unverzögerten Signalpfad mit dem Faktor 1. Der Pufferverstärker PV treibt schließlich die durch den V/andler und das Anschlußkabel gebildete Last.

Durch einfache Modifikationen am Eingang E bzw. Ausgang A des Entzerrers kann die Schaltung gemäß der Fig. 7 auch für die anderen drei Betriebsarten des Wandlers, d.h. Tür Kurzschluß-Empfangsbetrieb bzw. Leerlauf-Sendebetrieb bzw. Leerlauf-Empfangsbetrieb. eingesetzt werden. Im Leerlaufbetrieb müssen die Koeffizienten entsprechend verändert werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Ultraschallwandler, mit einer Einrichtung zur Erzeugung zeitbegrenzter Ultraschall-Signale, die wenigstens einen Entzerrer für Ultraschall-Signale umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kettenschaltung aus Wandler (1 bzw. 1,2) und Entzerrer (6, T) die Übertragungsfunktion bzw. Impulsantwort eines akustisch angepaßten Wandlers liefert.

2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Entzerrer als Analogschaltung dem Wandler in Kette vor- oder nachgeschaltet ist.

3. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Entzerrer als digitales Filter hardware- oder softwaremäßig realisiert ist.

4. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Entzerrer (6) für den Seadefall und/oder ein Entzerrer (7) für den Eiüpfangsiaü vorhanden sind.

5. Ultraschallwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl für den Leerlaufbetrieb, d. h. bei Anregung des Wandlers mit Stromquelle im Sendefall und/oder Messung der Leerlaufspannung im Empfangsfall, als auch für den Kurzschlußbetrieb, d. h. bei Anregung des Wandlers mit einer Spannungsquelle im Sendefall und/oder Messung des Kurzschlußstromes im Empfangsfall, speziell strukturierte Entzerrer (Fig. 3 bis 6) vorhanden sind.

6. Ultrascrallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis S, dadurch gekennzeichnet, daß das Wandler-Entzerrer-System auch dahingehend ausgebildet ist. daß es durch Variation einzelner Schaltungskomponenten des Entzerrers, insbesondere durch Einsatz von Potentiometern, das Ermitteln einzelner unbekannter Parameter eines Wandlers ermöglicht.

7. Ultraschallwandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich durch Variation einzelner Schaltungskomponenten des Entzerrers der vorder- und/oder rückseitige Reflexionskoeffizienl ermitteln läßt, woraus sich die Wellenwiderstände des Pie7omaterials und Dämpfungskörpers bestimmen lassen.

8. Ultraschallwandler nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich durch Variation einzelner Schaltungskomponenten des Entzerrers der elektromechanische Kopplungsfaktor bzw. auch die akustische Laufzeit des Wandlers ermitteln läßt, woraus sich dann schließlich die Resonanzfrequenz des Piezoschwingers bestimmen läßt.

9. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich durch Variation einzelner Schaltungskomponenten des Entzerrers der Wellenwiderstand unbekannter Materialproben ermitteln läßt.

10. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Entzerrer so aufgebaut ist, daß er für Leerlaufbetrieb des Wandlers eine Übertragungsfunktion H_Lf nach der Beziehung

¹""

11. Ultraschallwandler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß für den Spezialfall r_x=r₂ = r der Entzerrer eine Übertragungsfunktion nach der Beziehung