DE3040635A1

DE3040635A1 - Herstellung fresnel'scher zonenplatten zur schallfeldfokussierung

Info

Publication number: DE3040635A1
Application number: DE19803040635
Authority: DE
Inventors: Eberhard Prof. Dr.-Ing. 1000 Berlin Mundry; Eberhard Dr.-Ing. Neumann; Manfred Dipl.-Ing. Römer; Rudi Ing.(grad.) Schmid
Original assignee: Bundesrepublik Deutschland; Bundesanstalt fuer Materialforschung und Pruefung BAM
Current assignee: Bundesrepublik Deutschland; Bundesanstalt fuer Materialforschung und Pruefung BAM
Priority date: 1980-10-29
Filing date: 1980-10-29
Publication date: 1982-05-13

Description

Patentbeschreibung Herstellunq Fresnel'scher Zonenplatten zur Schallfeldfokussierung Anwendungsgebiet: Die Erfindung betrifft die Herstellung Fresnel'scher Zonenplatten zur Schallfeldfokussierung, die einem Ultraschallschwinger vorgeschaltet werden oder in den Ultraschallschwinger direkt eingebracht werden und insbesondere für eine Fehlerrandabtastung in der zerstörungsfreien Prüfung und für die medizinische Diagnostik anwendbar sin& Beschreibung des Verfahrens: Aus der Optik ist die fokussierende Wirkung Fresnel'scher Zonenplatten für Licht bekannt. Die Anwendbarkeit dieser Zonenplatten für die Bündelung von Ultraschall wird in/Fresnel'sche Zonenplatten zur Schallfeldfokussierung, Materialprüfung Heft Nr. 10, Band 21, 1979/ und n / 5-7/ beschrieben.
Wesentlichen Einfluß auf die Schallausbildung besitzt die Form des Beugungsgitters (Fresnel'sche Zonenplatten). In der zerstörungsfreien Prüfung werden im allgemeinen rotationssymmetrische und in Spezialfällen linienfokussierte Schallfelder angewendet. Ein rotationssymmetrisches Schallfeld entsteht durch den Einsatz einer aus konzentrischen Ringen bestehenden Zonenplatte (Bild 1) bei Senkrechteinschallung oder bei Schrägeinschallung durch eine Zonenplatte mit einer Aufeinanderfolge von elliptischen Gitterelementen (Bild 4).
Ein linienfokussiertes Schallfeld erhält man bei Verwendung eines Strichgitters. Im Schnitt stellen diese Gitter ein Rechteckprofil (Bild 1) dar. Ist die Anordnung der Gitterelemente so gewählt, daß sich in einer Aufeinanderfolge durchlässige und undurchlässige abwechseln, so spricht man von Aksorpttonszonenplatten. Bei dieser Bauart wird die Hälfte der Energie absorbiert.
Die Berechnung der Fokustiefe f und der Ringradien rn einer P solchen Fresnelschen Zonenplatte erfolgt nach den bekannten Formeln. fp = k . #² mit k... Wellenzahl (1) Die sich so ercrebenden Kreisringe werden in ein von seinen mechanischen und akustischen Eigenschaften her geeignetes Material wie z.B. Plexiglas eingearbeitet. Der Außendurchmesser der Fresnelschen Zonenplatten entspricht dem Schwingerdurchmesser. Die Ringtiefe (tR) ist so zu wählen, daß eine völlige akustische Entkoppe-1 und zwisclteii Schwinger und den ausgearbeiteten Ringen erreicht wirt. Um möglichst gerinqe Reflexionsverluste in den Zonenplatten ?U erhalten, wird die Dicke d so gewählt, daß sie ein Vielfaches ft #/2 » ergibt. Fin weiteres Kriterium für die Ermittlung von d ist, daß die Fresnclsche Zonenplatte gleichzeitig als Vorlaufstrecke dient, die so lang sein muß, daß störende Sendeechos im Prüfbereich vermieden werden.
Dies# Fresnelsche Zonenplatte wird dann entsprechend Bild 2 an den Ultraschallschwinger angekoppelt.
Füllt man die Rillen der beschriebenen Zonenplatte mit einem Medium, das eine Phasenverschiebung gegenüber der benachbarten Ringe von 180 ergibt, so wird dicse Zonenplatte für die gesamte teilende Energie durchlässig. Man spricht dann von einer Phasen-Zonenplatte.
Eine weitere sehr einfache Möglichkeit für die Herstellung einer Fresnel'schen Zonenplatte besteht darin, daß das Beugungsgitter direkt in die Elektrode des Schwingers eingearbeitet wird (Bild 3).
Die 180° Phasenverschiebung erreicht man durch eine gegenphasige Anregung der benachbarten Zonen. Diese Art einer akustischen Fresnel'schen Zonenplatte ist besonders deshalb sehr günstig, weil hier keinerlei akustische Anpaßprobleme zwischen unterschiedlichen Zonenplattenmaterialien auftreten und weil der Aufbau sehr einfach ist.
Die Anwendung der Fresnelschen Zonenplatten zur Ultraschall-Fokussierung ist fir verschiedene Anwendungsfälle in der zerstörungsfreien Prüfung und in der medizinischen Diagnostik interessant, weil sich mit Fresnelschen Zonenplatten eine besonders einfache Möglichkeit bietet, eine kurze Brennweite und einen hohen Fokussierungsgrad zu erzielen, wobei man mittels Phasen-Zonenplatten besonders hohe Intensitäten aufgrund ihrer völligen Durchlässigkeit erreicht.
L e e r s e i t e

Claims

Patentansprüche: 1.) Verfahren zur Herstellung Fresnelscher Zonenplatten, dadurch gekennzeichnet, daß in ein akustisch geeignetes Material, wie z.B. Polymethacryl, ein nach den Gleichungen 1 und 2 berechnetes Gitter eingebracht wird.
2.) Verfahren nach Anspruch 1), dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter direkt in die Elektrode des Schwingers eingearbeitet wird (Bild 3).
3.) Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter zum Erzielen eines rotationssymmerischen Fokusbereiches bei Normaleinschallung aus konzentrischen Ringen besteht (Bild 3 ).
4.) Verfahren nali Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter bei Schrägeinschallung aus elliptischen Ringen besteht, deren große Halbachse in der Einschall-@@@@@ liegt (Bild 4). Ein analoger Vorschlag wurde für den Fall des Kolbenschwingers gemacht /1 - 4/.
3.) Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch yekennzeichnet, daß das Beugungsgitter zum Erzielen eines Linienfokus aus einem. Strichgitter besteht, das senkrecht auf der Einschallebene steht (Bild 5).
6.) Verfahren nach Ansprüchen 1) und 2) oder 3) oder 4), dadurch gekennzeichnet, daß tn den benachbarten Gitterelementen eine Phasendrehung um 1800 erreicht wird, indem man die Rillen des Gitters mit einem flüssigen oder festen Medium füllt, daß die halbe oder doppelte Schallgeschwindigkeit des Zonenplattengrundwerkstoffes bei etwa gleichen Schallwel lenwide rstand besitzt und die Rillentiefe tp (Bild 1) entsprechend wählt.

Geeignete Materialkombinationen sind: Polymethacryl - Glycerin, Aluminium - Blei, 7.) Verfahren nach Ansprüchen 1) und 6), dadurch gekennzeichnet, daß die 1800 Phasendrehung der benachbarten Gitterelemente erzeugt wird durch a) entgegengesetzte Anregung der benachbarten Gitterelemente (Bild 6) h) Verwendunq von Vorverstärkern mit Null- und 1800-Ausgang c) entgegengesetzte Polarisierung der benachbarten Gitterelemente