DE3206111A1

DE3206111A1 - Wandler mit verbesserter aufloesung systeme und verfahren fuer die aussendung und/oder den empfang von durch schwingungen ausgebteiteten wellen

Info

Publication number: DE3206111A1
Application number: DE19823206111
Authority: DE
Inventors: John Phillip Crowborough Weight
Original assignee: National Research Development Corp UK
Current assignee: National Research Development Corp UK
Priority date: 1981-02-19
Filing date: 1982-02-19
Publication date: 1982-11-04
Also published as: JPS57160078A; GB2095951A; US4509153A

Description

Wandler mit verbesserter Auflösung sowie Systeme und Verfahren für die Aussendung und/oder den Empfang von durch Schwingungen ausgebreiteten WeIlen

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen bezüglich der Auflösung von Wandlern für die Aussendung und/oder den Empfang von Wellen, die durch Schwingungen eines Fortpflanzungsmediums ausgebreitet werden, sowie auf Systeme und Verfahren, bei denen mit sich auf diese Weise ausbreitenden Wellen gearbeitet wird. Die Erfindung ist insbesondere auf den Gebieten der Sonar- und Ultraschalltechnik nnwendbar.

Ultraschall-Impulsecho-Verfahren werden auf den Gebieten der Sonartechnik, der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung und der medizinischen Diagnose angewendet. In jedem dieser Anwendungsfälle sendet ein Wandler kurze Impulse, und zwar gewöhnlich Ultraschallimpulse aus, die beim Auftreffen auf ein Ziel ein Echo erzeugen, mittels dessen es möglich ist, die Lage des Ziels zu ermitteln und das Ziel zu charakterisieren. Hierbei hat die normierte Bandbreite des Impulsspektrums gewöhnlich etwa den Wert 1/2.

Bei einer Mittenfrequenz von 6 MHz und einer normierten Bandbreite von 1/2 liegt z.B. der Frequenzbereich des Impulsspektrums zwischen 4,5 und 7,5 MHz. Die Echos können durch einen zweiten Wandler bzw. einen Empfangswandler 5 oder mit Hilfe des Sendewandlers empfangen werden. Im letzteren Fall muß die Entfernung des Ziels hinreichend groß sein, um zu gewährleisten, daß das Echo nicht innerhalb der "toten Zeit" empfangen wird, bevor die elektrischen und mechanischen Wirkungen der Aussendung abgeklungen sind.

Die mit Hilfe eines solchen Verfahrens erreichbare Auf- ***' lösung richtet sich nach dem Aufbau des Wandlers. Die Entfernungsauflösung wird durch die effektive Impulslänge bestimmt, die bei einem praktisch benutzbaren Wandler nicht ohne weiteres kleiner sein kann als eine Periode einer Sinuswelle. Die Auflösung in seitlicher Richtung wird durch die Breite des ausgesandten Strahls bestimmt, die bei den gebräuchlichen ebenen Wandlern etwa gleich der Breite des Wandlers ist. In der Praxis werden auf dem Sonargebiet und bei der medizinischen Diagnose Impulse verwendet, die jeweils mehrere Perioden umfassen; in der nachstehenden Tabelle I sind typische Werte für die Auflösung zusammengestellt.

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Tabelle I

Art des Mitten- Entfernungs- Seitliche Systems frequenz auflösung Auflösung des Impulses

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Sonar 1 - 100 kHz 10 - 0,1 m 100 -Im Medizinische

Diagnostik 1-5 MHz 5 - 1 mm 30 - 10 mm

Zerstörungsfreie Werk-Stoffprüfung 1-20 MHz 5 - 0,3 mm 20 - 5 mm

Sowohl in der medizinischen Diagnostik als auch bei der zerstörungsfreien Prüfung können die in der vorstehenden Tabelle genannten höheren Frequenzen nur in speziellen Fällen benutzt werden, in denen das zu untersuchende Material solche Frequenzen überträgt, ohne eine übermäßige Dämpfung hervorzurufen.

Eine bessere seitliche Auflösung läßt sich mit Hilfe geformter Fokussierwandler erzielen, jedoch ergibt sich eine Verbesserung nur innerhalb eines begrenzten Tiefenbereichs nahe dem Brennpunkt, der bei unterschiedlichen Materialien in unterschiedlichen Entfernungen entsteht.

Die neuere Fachliteratur, z.B. "Observations of the "Propagation of Very Short Ultrasonic Pulses and their Reflection by Small Targets" von J.P. Weight und A.J. Hayman, The Journal of the Acoustical Society of America, Bd. 63, Nr. 2, Februar 1978, S. 396 bis 404, hat gezeigt, daß die sich von einem Ultraschallwandler aus fortpflanzenden Impulse jeweils aus einer ebenen Welle bestehen, die sich in dem geometrischen Strahlbereich in gerader Richtung vor dem Wandler fortpflanzt, sowie aus einer gebeugten Kantenwelle, die sich vom Rand des Wandlers aus in allen Richtungen fortpflanzt. Durch diese ebene Welle und die Kantenwelle wird das Auflösungsvermögen bei kleinen Zielen im Bereich der Achse und bei kleinem Abstand erheblich beeinträchtigt. (Bei einem Wandler, der ungedämpfte Wellen aussendet, erstreckt sich der Nahbereich von dem Wandler bis zu r /λ , wobei r den Radius der Wandleröffnung, d.h. bei einer piezoelektrischen Scheibe den Scheibenradius und λ. die Wellenlänge bezeichnet.) Beim Sende- und Empfangsbetrieb wird die Impulslänge auf das Doppelte des zeitlichen Abstandes zwischen der das Ziel von der Mitte des Wandlers aus und der das Ziel von seinem Rand aus erreichenden Energie vergrößert.

Durch die Erfindung ist ein Verfahren geschaffen worden, das es ermöglicht, Wellen auszusenden bzw. zu empfangen, die durch Schwingungen des Fortpflanzungsmediums ausgebreitet werden, und zwar durch Aussenden bzw. Empfangen von Kantenwellen der nachstehend definierten Art, wobei ebene Wellen im wesentlichen ausgeschlossen sind.

Ferner ist durch die Erfindung ein Verfahren zum Aussenden und Empfangen von Wellen geschaffen worden, die durch Schwingungen des Fortpflanzungsmediums dadurch ausgebreitet werden, daß Kantenwellen der nachstehend definierten Art ausgesendet und empfangen werden, ohne daß ebene WeI-^s-' len in einem erheblichen Ausmaß ausgesendet und empfangen werden.

Ib

Weiterhin ist durch die Erfindung ein Wandler zum Aussenden bzw. Empfangen von Wellen geschaffen worden, die durch Schwingungen des Fortpflanzungsmediums ausgebreitet werden, wobei der Wandler Einrichtungen aufweist, die so ausgebildet bzw. eingerichtet sind, daß während des Betriebs Kantenwellen der hier definierten Art ausgesendet bzw. empfangen werden können, ohne daß in einem erheblichen Ausmaß ebene Wellen übertragen werden bzw. ohne daß in einem erheblichen Ausmaß ein Ansprechen auf ebene Wellen erfolgt.

Bei den Verfahren und Wandlern nach der Erfindung ist. es

gewöhnlich vorzuziehen, dafür zu sorgen, daß sich die

Kantenwellen in Form von Ringen, insbesondere von kreisrunden Ringen, fortpflanzen.

In der vorliegenden Beschreibung und den Ansprüchen besagt der Ausdruck "Kantenwellen", daß es sich um sich ausbreitende Wellen handelt, die dann, wenn sie sich von einer kreisrunden Quelle aus fortpflanzen, einen theoretisch

konstanten Spitzendruck auf der Achse der Quelle mindestens im Nahbereich haben. Die veiter oben genannte Literaturstelle enthält weitere Informationen über die Eigenschaften solcher Kantenwellen.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dnß insbesondere auf dem Ultraschall- und Sonargebiet dann, wenn eine ringförmige Kantenwelle ausgesendet und/oder empfangen wird, Verbesserungen bezüglich der seitlichen Auflösung um eine Größenordnung sowie bezüglich der Auflösung im Nahbereich erzielt werden können. Die Auflösung kann ebenso gut sein wie die besten Werte, welche sich mit Hilfe eines fokussierenden Wandlers erreichen lassen, doch wird im Gegensatz zu einem solchen fokussierenden Wandler die Auflösung über eine verhältnismäßig große Strecke aufrechterhalten. Bei kleinen Entfernungen ist das Entfernungsauflösungsvermögen besser als bei einem normalen Wandler, und es lassen sich ähnliche Empfindlichkeitswerte bei Zielen von unterschiedlicher Große erreichen. Dies kann sich bei der Prüfung und Bilderzeugung als vorteilhaft erweisen, wenn starke gerichtete Reflexionen, die von bekannten Begrenzungen herrühren, bei der Fortpflanzung ebener Wellen die interessierenden Signale verdecken können, welche von den betreffenden Zielen stammen.

Die Ringform der mittels eines Wandlers ausgesendeten bzw. empfangenen Kantenwellen führt praktisch zwangsläufig zu einer Verzögerung, die dem Doppelten der Laufzeit längs des Wandlerradius entspricht. Dies führt zu einer erheblichen Verkleinerung der "toten Zone" auf der Vorderseite des Wandlers, wo keine Reaktion auf Ziele eintritt.

Wie im folgenden erläutert, beruhen die durch die Erfindung ermöglichten Vorteile darauf, daß die ebene Wellen-

-ΙΟΙ komponente der ausgesendeten und/oder empfangenen Signale beseitigt wird oder daß keine solche Welle erzeugt wird oder daß ein Ansprechen darauf verhindert wird. Hierdurch wird erreicht, daß die Anzahl von Ausgangsimpulsen, die auf empfangene Reflexionen zurückzuführen sind, verringert wird, da die auf die ebene Welle zurückzuführenden Impulse fortfallen. Daher führt bei einem bestimmten System ein einziger ausgesandter Impuls auf der Empfangsseite zu einem einzigen Ausgangsimpuls und nicht etwa zu drei solchen Impulsen. Ferner erreicht der Empfangsimpuls ein Maximum nur für Ziele, die auf der Achse des Wandlers liegen, und seine Amplitude geht mit zunehmendem seitlichem Abstand von dieser Achse schnell zurück.

Wenn ebene Wellen auf ideale Weise unterdrückt werden sollen, muß der Druck der Wellen, die von einer Fläche ausgesendet werden, einer Gaußschen Verteilung folgen, wobei das Maximum der Verteilung an der Kante liegt, von der die Welle theoretisch ausgeht. Eine Annäherung an dieses Ideal ist möglich, indem man eine nichtlineare Erregung eines piezoelektrischen scheibenförmigen Elements oder eine nichtlineare Polarisierung eines piezoelektrischen Scheibenelements bewirkt, bei dem die Nichtlinearität möglichst weitgehend einer Gaußschen Verteilung folgt.

Die erforderliche Verteilung kann auch erreicht werden, indem man das Relief einer aussendenden Fläche in Verbindung mit der nichtlinearen Erregung oder Polarisation entsprechend formt. Eine Kombination dieser Verfahren kann bei Wandlern angewendet werden, die als Sender und/oder Empfänger betrieben werden sollen.

Das Problem der Erzeugung von Nebenkeulen läßt sich bekanntlich dadurch lösen, daß man die Wandler, insbesondere die erfindungsgemäßen Wandler, so ausbildet, daß sie zum Aussenden oder Empfangen von Breitbandimpulsen, d.h. von

jeweils aus einer einzigen Periode bestehenden Impulsen, geeignet sind.

Einfache erfindungsgemäße Wandler können als Wandler ausgebildet sein, zu denen eine Scheibe aus einem piezoelektrischen Material gehört, wobei auf den Hauptflächen der Scheibe Elektroden angeordnet sind. Die Scheibe kann mit Ausnahme einer Randzone mittels einer Dämpfungsplatte abgedeckt sein, die im Betriebsfrequenzbereich des Wandlers nicht in einem erheblichen Ausmaß als Sender zur Wirkung kommt, so daß das Aussenden ebener Wellen im •wesentlichen verhindert wird.

Bei einer anderen Ausführungsform eines einfachen Wandlers nach der Erfindung wird eine piezoelektrische Scheibe verwendet, boi dor eine hintere. Kloktrodo vorhanden ist, welche eine Hauptfläche der Scheibe vollständig überdeckt, wobei außerdem eine vordere Elektrode in Gestalt eines Ringes vorhanden ist, der in Berührung mit der anderen Hauptfläche der Scheibe im Bereich ihres äußeren Randes steht. Da interferierende elektrische Felder entstehen, wenn die Elektroden erregt werden, weist die Scheibe eine Erregung auf, die sich sehr weitgehend einer G_außschen Verteilung annähert,

Es ist möglich, getrennte Wandler als Sender und Empfänger zu benutzen, und zu diesem Zweck läßt sich jede praktisch brauchbare Kombination der vorstehend genannten Wandler verwenden. Ferner kann es sich bei einem der Wandler um einen Wandler bekannter Art handeln, bei dem ebene Wellen nicht unterdrückt werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

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Fig. 1 eine Darstellung von Wellen, die von einem Ultraschal lgeber bekannter Art ausgesendet werden, wie sie bei der Beobachtung mit Hilfe eines stroboskopischen Schlierensystems erscheinen würden;

Fig. 2a bis 2d jeweils ein Schlierendiagramm zur Darstellung eines anderen Augenblicks der Reflexion von ebenen Wellen und Kantenwellen an einem Gegenstand in Beziehung zu einer Achse;

Fig. 3a bis 3d jeweils die Ausgangsspannung eines Ultraschallsystems in den Augenblicken, für welche die Figuren 2a bis 2d gelten;

Fig. 4a bis 4d jeweils ein Schlierendiagramm für einen anderen Augenblick, in welchem auf einer Achse durch einen Gegenstand nur eine Kantenwelle reflektiert wird;

Fig. 5a bis 5d die A_usgangsspannung eines Ultraschallsystems, wobei die Darstellungen den in Fig. 4a bis 4d wiedergegebenen Augenblicken entsprechen;·

Fig. 6 Polardiagramme für einander diametral gegenüberliegende Punkte auf einer Wellenquelle mit einer kreisrunden Kante;

Fig. 7 einen Wandler, der bei einem erfindungsgemäßen System verwendet werden kann und bei dem das Wandlerelement in Form einer piezoelektrischen Scheibe ausgebildet ist;

Fig. 8 eine Darstellung eines C-Abtastungsbildes, das mit Hilfe eines erfindungsgemäßen Wandlers erzeugt worden ist;

Fig. 9 das bei der Erzeugung des Bildes nach Fig. 10 verwendete Target;

Fig. 10 ein C-Abtastungsbild, vie es mit Hilfe eines Wandlers bekannter Art erzeugt wird;

Fig. 11 im Schnitt einen erfindungsgemäßen Wandler mit einer nicht linear erregbaren piezoelektrischen Scheibe;

Fig. 12a und 12b jeweils im Schnitt einen erfindungsgemäßen Wandler mit einem nichtlinear polarisierten piezoelektrischen Element;

Fig. 12c den Verlauf der Polarisation der Elemente nach Fig. Λ2 a und 12b;

Fig. ] 3a einen erfindungsgemäßen Wandler mit einem nichtlinear polarisierten piezoelektrischen Ring;

Fig. 13b den Verlauf der Polarisation bei dem Ring nach Fig. 13a; und

Fig. 14a und 14b jeweils ein Breitbandstrahlprofil eines erfindungsgemäßen Wandlers bzw. eines Wandlers bekannter Art.

Die meisten theoretischen Untersuchungen auf dem Ultraschallgebiet beruhen auf dem Huygens'sehen Prinzip, das besagt, daß sich eine ebene Welle aus einer großen Anzahl kleiner kugelförmiger Wellen zusammensetzt, und aus diesem Grund wird häufig angenommen, daß eine Scheibe aus piezoelektrischem Material, die als Ultraschallsender benutzt wird, eine ebene Welle erzeugt.

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Wie erwähnt, betrachten jedoch einige Autoren die Welle, die durch eine solche Scheibe 10 in der in Fig. 1 dargestellten Weise erzeugt wird, als eine ebene Welle 11 in Verbindung mit einer Kantenwelle 12 mit einer sich ausbreitenden Wellenfront. Neuere Arbeiten haben gezeigt, daß man Impulse, die sich in einem Fluid von einem Ultraschallwandler nach Fig. 1 aus fortpflanzen, sowie praktisch auch die Wellenfronten mit Hilfe eines stroboskopischen Schlierensystems sichtbar machen kann.

Für Fluide ist die Wirkung der Kombination ebener Wellen und von Kantenwellen bei einem Ultraschallsystem, bei dem sich ein abzubildender Gegenstand 13 im Nahbereich befindet, in Fig. 2a bis 2d mittels schematischer Schlierendiagramme dargestellt. In Fig. 2a erkennt man zwei reflektierte Wellen 1.4 und 15, die von einer ebenen Welle bzw. einer Kantenwelle herrühren und auf einen von der Scheibe 10 ausgesendeten Impuls zurückzuführen sind, welche beginnen, sich in Richtung auf die Scheibe 10 zu bewegen. Bei der Vorderkante der Welle 14 handelt es sich um eine Verlagerung des Fortpflanzungsmediums in einer Längsrichtung, die in Fig. 2b durch das Zeichen + bezeichnet ist, während es sich bei der Welle 15 um eine Verlagerung in der entgegengesetzten Richtung handelt, weshalb sie in Fig. 2b mit dem Zeichen - bezeichnet ist. In Fig. 3a bis 3c sind über der Zeit die Ausgangsspannungen aufgetragen, die sich der Scheibe 10 entnehmen lassen, wenn diese zum Empfangen reflektierter Impulse benutzt wird. In Fig. 3a hat diese Ausgangsspannung den Wert i*ull, da die ^ücheibe 10 noch nicht von einem reflektierten impuls erreicht worden ist.

In ^Fig. 2b hat die auf die Reflexion der ebenen Welle zurückzuführende Wellenfront 14 gerade die Scheibe 10 erreicht, doch befindet sich die von den Kantenwellen

herrührenden Wellenfront 15 noch auf ihrem Wege zu der

Scheibe. Daher erscheint in Fig. 3b ein erster Ausgangs- - spannungsimpuls 16.

In Fig. 2c hat die auf die Reflexion der Kantenwellen zurückzuführende Wellenfront 15 gerade die Scheibe 10 erreicht, doch außerdem ist die Wellenfront 14 am Rand der Scheibe eingetroffen, so daß gemäß Fig. 3c als Ausgangsspannung ein kombinierter Impuls mit einer doppelt so großen Amplitude 17 auftritt. Diese Impulse addieren sich, denn die Polarität des Impulses, der erzeugt wird, wenn eine sphärische Welle die Kante eines scheibenförmigen Wandlers erreicht, ist der Polarität des Impulses entgegengesetzt, welcher entsteht, wenn eine solche Welle den Mittelpunkt des Wandlers erreicht.

Schließlich gelangt die Wellenfront 14 zur Kante der Scheibe 10, so daß sie den in Fig. 3d dargestellten weiteren Impuls 18 erzeugt.

Somit erzeugt ein einziger von dem Wandler 10 ausgesendeter Impuls drei Ausgangsimpulse 16, 17 und 18 von unterschiedlicher Amplitude, wenn sich der abzubildende, sich in axialer Richtung erstreckende Gegenstand 13 im Nahbereich befindet. Natürlich führt diese Erscheinung zu einer Unscharfe des Bildes des Gegenstandes 13, und wenn mehrere Gegenstände vorhanden sind, die durch kleine Abstände getrennt sind, überlappen sich ihre Bilder. Dieser Effekt macht sich außerhalb des Nahbereichs weniger stark bemerkbar, doch läßt sich mit Hilfe der Erfindung eine Verbesserung erzielen. Schlierendiagramme können auch dazu dienen, zu zeigen, daß dann, wenn ein von einer punktförmigen Quelle ausgehender Impuls empfangen wird, der Mittelpunkt des Wandlerelements einen ersten Impuls erzeugt, wenn die Wellenfront von der Quelle aus erst-

malig den Wandler erreicht, und daß ein weiterer Impuls von entgegenqeset % I er Polarität auftritt·., wr»nn die Wellenfront die Kante des Wandlers erreicht.

Im Anschluß an die vorstehende Beschreibung der Arbeitsweise eines geprüften Ultraschallsystems bekannter Art im Nahbereich wird im folgenden ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.

Ein Kantenwellen-Wandlerelement 20, das keine ebenen Wellen aussendet, ist in Fig. 4a bis 4d gezeigt, und seine Wirkungsweise ist in Fig. 5a bis 5d dargestellt.

Gemäß Fig. 4a wird nur eine einzige Wellenfront 21 erzeugt, wenn die Kantenwellen von dem Wandler 20 aus auf den Gegenstand 13 auftreffen. Da der Wandler 20 keinen zentralen Abschnitt aufweist, entsteht keine ebene Welle, die auf den Gegenstand 13 auftreffen und eine Wellenfront erzeugen könnte, die der Wellenfront 14 nach Fig. 2a bis 2d entspricht.

Fig. 4b entspricht bezüglich der zeitlichen Verzögerung nach der Aussendung des Impulses der Fig. 2b, doch wird gemäß Fig. 5b kein Ausgangsimpuls erzeugt, da keine Wellenfront vorhanden ist, die der Wellenfront 14 entspricht und auf den Wandler 20 auftreffen könnte. Außerdem besitzt der Wandler keinen zentralen Abschnitt, welcher auf die Wellenfront 14 ansprechen könnte. Gemäß Fig. 5c wird wiederum keine Ausgangsspannung erzeugt, wenn die Wellenfront 21

³^ den Mittelpunkt des Ringes 20 erreicht, denn an dieser Stelle ist kein Wandlermaterial vorhanden. Daher erscheint in Fig. 5c kein dem Impuls 17 nach Fig. 3c entsprechender Impuls.

Der einzige Ausgangsimpuls wird erzeugt, wenn die Wellen-

front 21 gemäß Fig. 4d die Kante des Wandlers 20 erreicht, und dieser in Fig. 5d dargestellte Impuls 22 entspricht dem Impuls 18 nach Fig. 3d.

Auf diese Weise ist ersichtlich, wie bei dieser Ausführungsform der Erfindung infolge einer Reflexion an einem Gegenstand 13 im Nahbereich ein einziger eindeutiger Impuls 22 erzeugt wird, der auf eine Reflexion durch den Gegenstand 13 im Nahbereich zurückzuführen ist. Zwar ist die Amplitude des Impulses 22 nur halb so groß wie diejenige des Impulses 17, doch ist er mehr als ausreichend, um eine gute Abbildung zu gewährleisten. Es ist auch möglich, Schlierendiagramme zu benutzen, um zu zeigen, auf welche Weise eine von einer punktförmigen Impulsquelle ausgehende Welle, die auf ein ringförmiges Empfangselement trifft, anstelle von zwei durch ein scheibenförmiges Element er zeugten Impulsen nur einen einzigen Impuls erzeugt. Wenn ein ringförmiges Empfangselement eine ebene Welle und eine Kantenwelle empfangen würde, wie es bei einem scheibenförmigen Wandler bekannter Art unter Reflexion an einem Gegenstand geschehen würde, würde man zwei Impulse erhalten. Hierbei wird der eine Impuls erzeugt, wenn die reflektierte ebene Welle das ringförmige Element erreicht, während der andere Impuls erzeugt wird, wenn die reflektierte Kanten welle eintrifft. Somit stellt ein System, bei dem eine ebene Welle und eine Kantenwelle ausgesendet, jedoch ein ringförmiges Empfangselement benutzt wird, gegenüber bekannten Systemen eine Verbesserung dar, denn für jeden ausgesendeten Impuls werden nur zwei Impulse anstelle von drei Impulsen empfangen.

Eine Eigenschaft von Kantenwellen gemäß der vorstehenden Definition die bei anderen sich ausbreitenden Wellen, d.h. Wellen mit sich vergrößernden Wellenfronten, gegeben ist, besteht darin, daß bei einer kreisrunden Quelle der

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Spitzendruck der Welle längs der Quellenachse konstant ist. In Fig. 6 sind zwei einander diametral gegenüberliegende Punkte 80 und 81 einer kreisrunden Kantenwellenquelle zusammen mit den zugehörigen Polardiagrammen 82 und 83 und mehreren Druckvektoren dargestellt. Die dargestellte Richtwirkung bewirkt einen Ausgleich für die natürliche Ausbreitung der Wellenfront mit dem Ergebnis, daß der Spitzendruck auf der Quellenachse ohne Rücksicht auf die Entfernung konstant bleibt. Dieser konstante Spitzendruck bietet eine verbesserte Entfernungsempfindlichkeit gegenüber anderen Arten von Wellen, z.B. einer ringförmigen Welle (bei der es sich um eine sich zylindrisch ausbreitende Welle handelt, die von manchen kreisrunden Quellen ausgesendet wird), denn ringförmige Wellen haben einen Spitzendruck, der entsprechend dem Ausdruck 1/ vd zurückgeht, wenn d den Abstand von der Quelle bezeichnet. Bei fokussierten Quellen ist der Spitzendruck auf der Achse nur über eine relativ kurze Strecke konstant, und daher beschränkt sich die gute Empfindlichkeit auf einen kleinen Bereich.

Natürlich ergeben sich Grenzen für das Entfernungsauflösungsvermögen von Kantenwellenquellen, da es in der Praxis nicht möglich ist, eine theoretisch ideale Kantenwellenquelle zu schaffen,und da bei großen Entfernungen der Spitzendruck auf der Achse allmählich zurückgeht.

Es läßt sich ferner zeigen, daß die seitliche Auflösung eines kreisrunden Wandlers, der nur eine ringförmige Kantenwelle erzeugt, derjenigen eines auf bekannte Weise ausgebildeten kreisrunden scheibenförmigen Wandlers sowohl im Nahbereich als auch in entfernteren Bereichen überlegen ist. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Länge der Fortpflanzungswege von einem Teil des Randes einer Scheibe zu einem anderen Teil oder zu dem genannten Teil zurück nur für auf der Scheibenachse liegende Gegenstände die

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gleiche ist. Daher sind reflektierte Impulse für solche Punkte additiv, doch gilt dies für andere Punkte nur teilweise oder gar nicht.

Ein für praktische Zwecke geeigneter Ultraschallwandler, der dazu dienen kann, Ultraschall-Kantenwellen in dem genannten Frequenzbereich auszusenden und/oder zu empfangen, ist in Fig. 7 dargestellt. Hierzu gehört ein Wandlerelement bekannter Art in Form einer Scheibe 25 aus piezoelektrischem Material, z.B. Bleimetaniobät oder Bleizirkonattitanat, die mit einer vorderen Elektrode 26 und einer hinteren Elektrode 27 versehen ist. Eine Verbindung zu der hinteren Elektrode 27 ist durch einen Draht 28 hergestellt, während eine zu der vorderen Elektrode 26 führende Verbindung durch ein leitfähiges Gehäuse 29 gebildet wird, das mit einem äußerst dichten Stützmaterial 30, z.B. einem mit Wolfram angereicherten Epoxitharz, gefüllt ist. In diesem Fall braucht die Menge des Beschwerungsmaterials nicht auszureichen, um das Material elektrisch leitfähig zu machen. Verwendet man ein so dichtes Material, um das Element zu hinterfüttern, ist es mit Hilfe des Wandlers möglich, Breitbandimpulse zu erzeugen. An der vorderen Elektrode 26 ist eine als Dämpfer wirkende scheibenförmige Platte 31 befestigt, die einen kleineren Durchmesser hat als die Scheibe 25 und dazu dient, nahezu alle ebenen Wellen zu unterdrücken. Diese Dämpfungsplatte besteht aus einem geschlossene Luftzellen enthaltenden Kunststoff, z.B. einem selbstklebenden Kunststoffschaummaterial mit einer Dicke von 1 mm. Ein solcher Wandler ist für Ultraschall-

³^ impulse geeignet, deren Spektrum sich von 1 bis 5 MHz erstreckt. Bei einer alternativen Anordnung hat die Dämpfungsplatte nur eine Dicke von etwa 10 Mikrometer, und sie besteht aus einem Epoxit- oder Polyäthylenharz, das ein Aufschäumungsmittel zum Erzeugen von Luftblasen enthält.

Der Unterschied zwischen den Durchmessern der Dämpfungs-

platte 31 und der Scheibe 25 soll mindestens einer Wellenlänge bei der Betriebsmittenfrequenz entsprechen, d.h. der Mittenfrequenz des Impulsspektrums, und der Radius der Scheibe 25 soll vorzugsweise größer sein als 10 Wellenlängen bei dieser Frequenz.

Um ein Bild von der Verbesserung zu geben, die sich mit Hilfe der Erfindung erzielen läßt, zeigt Fig. 8 ein C-Abtastungsbild, das mit Hilfe des Wandlers nach Fig. 7 unter Verwendung einer Scheibe mit einem Durchmesser von 16 mm gewonnen wurde, wenn eine Reihe von Schrauben abgetastet wurde, d.h. je zwei Schrauben mit Durchmessern von etwa 6 mm bis herab zu 1,5 mm, von denen in Fig. 9 eine mit 34 bezeichnet ist. (Bei einem C-Abtastungsbild handelt es sich um ein Bild, in dem das Target so im Querschnitt dargestellt ist, wie es vom menschlichen Auge gesehen würde, wenn das Auge das dazwischen vorhandene Medium durchdringen könnte, in dem sich die Ultraschallwellen fortpflanzen; siehe das Buch "Biomedical Ultrasonics" von P.N.T. Wells, veröffentlicht durch Academic Press, 1977, S. 224 und 225.) Die Schrauben ragten senkrecht aus einem Metallklotz 32 heraus, und eine Ultraschall-C-Abtastung bei einer Mittenfrequenz von etwa 3 MHz wurde in einem Abstand von 30 mm senkrecht oberhalb der Reihe von Schrauben unter Benutzung des Wandlers nach Fig. 7 durchgeführt. Bei den in Fig. 8 wiedergegebenen Bildern entspricht das Bild 33 der Schraube 34.

Fig. 10 zeigt das entsprechende C-Abtastungsbild, das unter Benutzung eines einen Durchmesser von 16 mm aufweisenden Wandlers bekannter Art mit einer kreisrunden Scheibe bei der gleichen Reihe von Schrauben gewonnen wurde, wobei mit der gleichen Frequenz und dem gleichen Targetabstand

gearbeitet wurde.
35

Fig. 11 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Wandlers nach der Erfindung. In Fig. 11 sind Teile, die in Fig. 7 dargestellten entsprechen, jeweils in der gleichen Weise bezeichnet. Die vordere Elektrode 35 nach Fig. 11 ist ringförmig, und ihre Öffnung ist von einer Scheibe 36 aus isolierendem Material ausgefüllt. Die Elektrode 35 überlappt den Rand der Scheibe 25, und nur in diesem Überlappungsbereich kommt das piezoelektrische Material der Scheibe 25 zur Wirkung, um Ultraschall- oder Sonar-Schwingungen zu erzeugen bzw. zu empfangen.

Daher werden nahezu allr> ebenen Wellen unterdrückt, da die Scheibe 25 nichtlinoar erregt wird und da sich die untere Elektrode nur über einen Teil des Elements hinweg erstreckt und bewirkt, daß in dem Element interferierende elektrische Felder entstehen.

Ein Beispiel für die seitliche Auflösung und die Veränderung der seitlichen Auflösung mit der Entfernung wird im

^O folgenden für eine Ausführungsform der Erfindung, die derjenigen nach Fig. 11 ähnelt, bei der sich jedoch die Elektrode 35 über die gesamte Außenfläche der Schicht 36 erstreckt, anhand von Fig. 14a und 14b gegeben. Dieser nur Kantenwellen erzeugende Wandler liefert die Strahlprofile,

^° die in Ficj. 14a fiber einen Bereich von 10 mm bis VSO mrn in Schritten von 10 mm dargestellt sind, wobei das lO-mm-Profil an der "Vorderseite" der Figur wiedergegeben ist. Der Maßstab bezeichnet in mm gemessene Abstände von der

Achse.
30

Fig. 14b zeigt ähnliche Profile für einen fokussierten Wandler bekannter Art mit einem Brennpunkt bei 30 mm bei Bereichen zwischen 20 mm und 45 mm mit Intervallen von 5 mm. Hierbei wird die erheblich verbesserte Konstanz der seitlichen Auflösung und der Empfindlichkeit des nur

Kantenwellen erzeugenden Wandlers ersichtlich.

Wurde ein solcher Wandler benutzt, um ein B-Abtastungsbild von drei durch senkrechte Abstände getrennten Gittern aus Nylonfäden zu erzeugen, wobei jeder Faden einen Durchmesser von 0,5 mm hatte und der kleinste Fadenabstand 2,0 mm betrug, wurden die Fäden auf allen drei Niveaus aufgelöst, woraus sich die verbesserte Tiefenschärfe dieses Wandlers erkennen ließ.

Ausführungsformen von Wandlern, bei denen eine Gaußsche piezoelektrische Polarisation angewendet wird, sind in FLq. 1?a und 12b darqestr-l 1 h; dor angewondol-o Verlauf d<*r Verteilung ist in Fig. 12c wiedergegeben.

Eine solche Polarisation läßt s.ich erreichen, indem man zuerst die gesamte Polarisation in einer Scheibe aus einem amorphen piezoelektrischen Material dadurch beseitigt,daß man das Material auf eine Temperatur erhitzt, die über dem Curiepunkt liegt, wobei man gleichzeitig dafür sorijt, daß auf das Material kein elektrisches Feld wirkt oder daß ein etwa wirksames Feld schnell alterniert. Nachdem das Material auf diese Weise entpolarisiert worden ist, wird ein gleichmäßiges axiales elektrisches Feld auf eine ziemlich breite ringförmige Zone der Scheibe aufgebracht, und die Temperatur wird hinreichend erhöht, damit etwa 5% bis 10% der in dem Material vorhandenen Bezirke eine axiale Polarisation annehmen können. Es werden mehrere weitere Schritte dieser Art durchgeführt, wobei das elektrische Feld auf eine allmählich schmaler werdende Ringzone aufgebracht wird, deren innerer Radius allmählich abnimmt. Das Verfahren zum Polarisieren von ringförmigem Material ist beschrieben in der US-PS 2 928 163 sowie in "Polarising Techniques for Ferroelectric Ceramics" von R.M. Gruver et al, Linden Labs. Inc., Mai 1966, Bericht Nr. AD8O1O27.

Gemein Fig. 'J2a wird eine piezoelektrische Scheibe 60 mit dem Radius r gemäß Fig. 12c polarisiert, wobei die halbe Amplitudenbreite der Gaußschen Kurve gleich 2λ. ist, wenn λ· die Wellenlänge in dem Fortpflanzungsmedium bei der Mi ttenfrequenz des Impulsspektrums bezeichnet. Da sich jede Hälfte von Fig. 12c nur über eine halbe Gaußsche Kurve erstreckt, ist die halbe Amplitudenbreite mit und nicht mit 2 bezeichnet, und da der äußere Rand der Scheibe als Quelle der Kantenwellen betrachtet wird, liegt der Spitzenwert der Gaußschen Kurve auf dieser Kante.

Die Scheibe 60 ist gemäß Fig. 12a zwischen einer vorderen Elektrode 61 und einer hinteren Elektrode 62 angeordnet. Der Wandler ist in ein zylindrisches Metallgehäuse 64 eingeschlossen, das es ermöglicht, einen elektrischen Kontakt zu der Elektrode 61 herzustellen, während der Kontakt zu der anderen Elektrode 62 durch einen Draht 65 hergestellt wird, der in ein akustisches Dämpfungsmaterial 30 eingebettet ist, bei dem es sich um ein Wolfram enthaltendes Epoyitharz handeln kann. Da sich eine verbesserte Bandbreite erzielen läßt, wenn ein Harz verwendet wird, das einen Füllstoff enthält und daher elektrisch leitfähig ist (wegen des hohen Verhältnisses zwischen dem Gehalt an Wolfram und dem Gehalt an Epoxitharz), ist es in diesem Fall erforderlich, eine Isolierschicht 63 zu verwenden.

Diese Schicht aus einem elektrisch isolierenden akustischen Dämpfungsmaterial, z.B. einem Epoxitharz, das Bleimennige enthält, isoliert die Elektrode 62 und das Material 30

gegenüber dem Gehäuse 64.
30

Der in Fig. 12b dargestellte Wandler ähnelt demjenigen nach Fig. 12a, abgesehen davon, daß die Elektrode 61· dicker ist und eine Aussparung zum Aufnehmen eines Isoliermaterials 67 aufweist. Somit werden bei dem Wandler nach Fig. 12b Kantenwellen beseitigt, und zwar nicht nur durch

die nichtlineare Polarisierung der Scheibe 60, sondern auch durch die Siebwirkung der Schicht 67, wenn diese aus einem Material besteht, das eine ähnliche Wirkung hat wie die Platte 31 nach Fig. 7. Da außerdem die Elektrode 61· nur längs ihres Randes in Berührung mit dem Rand der Scheibe 60 steht, wird die Scheibe nichtlinear polarisiert, wodurch die Unterdrückung der Kantenwellen gesteigert wird. Die Anordnung nach Fig. 12b ermöglicht es außerdem, die Elektrode 61· als sich über die ganze Scheibe 60 erstrekkende Hochfrequenzabschirmung zu benutzen, obowhl sie nur an den Rändern Kontakt hat. Die radiale Breite des dickeren Teils der Elektrode 61· wird so gewählt, daß sie zwischen 1λ und 5 λ beträgt, was sich jeweils nach der in der Scheibe 60 tatsächlich erzielten Polarisation richtet.

Fig. 13a zeigt einen piezoelektrischen Ring 70, der in der aus Fig. 13b ersichtlichen Weise polarisiert ist; da die maximale Polarisation am inneren Rand des Ringes 70 vorhanden ist, kommt dieser Rand als Kantenwellenquelle'zur wirkung. Die zur Polarisation angewendeten Verfahren ähneln den .anhand von Fig. 12c beschriebenen, abgesehen davon, daß in diesem Fall nach dem Entpolarisieren des Ringes die Polarisationsschritte so durchgeführt werden, daß der äußere Radius des aufgebrachten elektrischen Feldes jedesmal verkleinert wird, wenn ein weiterer Polarisationsschritt durchgeführt wird. Für die radiale Breite des Ringes 70 wird mindestens der Wert 10 λ gewählt, damit sich keine Probleme aus unerwünschten radialen Schwingungsmodi ergeben. Eine scheibenförmige vordere Elektrode

71 aus Metall steht in Berührung mit dem inneren Rand des

Ringes 70, um eine nichtlineare Polarisation des Ringes zu bewirken, und man kann den Durchmesser der Elektrode 71 so wählen, daß eine optimale Kantenwellenunterdrückung in Verbindung mit der tatsächlichen Polarisation des RIn- °° ges 70 erreicht wird. Die Elektrode 71 ist mittels einer

weiteren Elektrode 72 und eines in das akustische Dämpfungsmaterial 63 eingebetteten Drahtes 73 angeschlossen. Eine hintere Elektrode 75 aus Metall in Form eines Ringes steht in Berührung mit der Rückseite des piezoelektrischen Materials 70 und ist über einen in das Material 30 eingebetteten Draht 76 angeschlossen. Derjenige Teil des Ringes 70, der nicht von der vorderen Elektrode 71 überdeckt ist, ist durch einen Ring 77 aus Isoliermaterial geschützt, und der gesamte Wandler ist in einem Metallgehäuse 78 angeordnet. Eine Schicht 79 aus einem elektrisch isolierenden akustischen Dämpfungsmaterial isoliert die Elektrode 75 und das Material 30 gegenüber dem Gehäuse 78.

Für den Betrieb als Breitbandwandler soll die Dicke der Elektrode einem kleinen Bruchteil der fortgepflanzten Wellenlängen entsprechen, und bei der Anordnung nach Fig. 12b soll die Gesamtdicke der Elektrode 61' und der Schicht 67 diese Forderung immer noch erfüllen.

Wenn ringförmige Wandlerelemente ohne mindestens eine angenäherte Gaußsche Polarisation oder Erregung benutzt v/erden, soll der innere Radius gewöhnlich mindestens fünf Wellenlängen bei der anzuwendenden Frequenz (z.B. die Mittenfrequenz eines Impulses) betragen, und der äußere Ra- dius soll um nicht mehr als fünf Wellenlängen größer sein als der innere Radius.

Zwar weisen die vorstehend beschriebenen Wandler nach der Erfindung ringförmige aktive Flächen auf, doch sei bemerkt, daß man unter bestimmten Bedingungen auch andere Formen vorsehen kann. Beispielsweise können die aktiven Flächen eine beliebige andere geschlossene Form erhalten, z.B. eine elliptische Form, und derartige aktive Flächen können sich als geeignet erweisen, elliptische Gegenstände abzubilden odor die Orientierung langg.esLreckter Targets va\

ermitteln. Ferner können zu dem Wandler mehrere punktförmige Wandler gehören, die z.B. auf einem Kreis angeordnet sind und anstelle eines einzigen ringförmigen Elements oder einer Scheibe mit einem gedämpften zentralen Abschnitt verwendet werden.

Wird eine nur Kantenwellen erzeugende lineare Quelle benötigt, können sich die aktiven Flächen der Quelle längs zweier paralleler Linien erstrecken.

Ein einzelner Wandler kann getrennte Elemente aufweisen, die als Sender bzw. Empfänger oder beides wirken und dazu dienen, Kantenwellen, jedoch keine ebenen Wellen auszusenden oder auf sie anzusprechen. Beispielsweise kann ein piezoelektrisches scheibenförmiges Element bekannter Art unmittelbar vor dem zentralen Abschnitt der Elektrode 71 nach Fig. 13a angeordnet sein und als Sender oder Empfänger betrieben werden, wenn der Ring 70 den Empfänger bzw. den Sender bildet.

Zwar beschränkt sich die vorstehende Beschreibung der Wirkungsweise der Erfindung auf mit Impulsen arbeitende Systeme, doch läßt sich die Erfindung ebenso gut bei Systemen anwenden, boi denen mit: ungedämpften Wellen gearbeitet wird.

Beispielsweise erweist sich die Erfindung als besonders vorteilhaft bei der unter Benutzung ungedämpfter Wellen erfolgenden Zerstörung von Gewebe mittels Ultraschall, wobei jeweils nur als Sender betriebene Wandler benötigt werden, wobei die Erfindung eine verbesserte Fokussierung längs der Wandlerachse ermöglicht. Weiterhin bietet die Erfindung in anderen Fällen Vorteile, in denen mit ungedämpften Ultraschallwellen gearbeitet wird, z.B. bei der Doppler-Geschwindigkeitsmessung, der Entfernungsmessung und der Bilderzeugung.

Die Erfindung läßt sich innerhalb eines Frequenzbereichs anwenden, rlor nich von njedriqen Frequenzen von weniger al;; 1 kll·.·, b i ri y.u 1OC)Ci MIi;-, <-_rr.l rcrk h, «.B. b<->:i Ul t.r.i.'jchallmikroskopen. .'Jotnit kommen auch der Bereich der medizinisehen Diagnostik von etwa 1 bis 5 MHz und der Bereich der zerstörungsfreien Prüfung von 1 bis 20 MHz in Frage.

Außer piezoelektrischen Wandlerelementen kann man auch Elemente anderer Art benutzen, z.B. magnetostriktive EIernente.

Zwar bezieht sich die vorstehende Beschreibung der Erfindung auf die Fortpflanzung von Wellen in Fluiden, doch ist die Erfindung auch bei der Fortpflanzung von Wellen in festen Körpern anwendbar.

Da weitere Elemente, Bestandteile und Schaltkreise für Ultraschall- und Sonar-Systeme bekannt sind, wird hier auf eine nähere Beschreibung verzichtet; jedoch sei erneut auf das bereits genannte Fachbuch verwiesen, dem weitere Einzelheiten zu entnehmen sind: "Biomedical Ultrasonics" von P.N.T. Wells, Academic Press, 1977. Weitere Einzelheiten sind dem folgenden Werk zu entnehmen: "Instrumentation Associated with the Development of Wide Band Ultrasonic Techniques (Ultrasonic Spectroscopy)" von J.P. Weight, M. Phil., Thesis, The City University, London, 1975.

Der Patentanwalt 30

Claims

Patentanwälte ^»

Dipl.-Inn ti ΜΓΙSCHERLICH ~^Ä~

Dini -:ii(i. K. GU"JSCHMANN
Dr. rer. nst. W.KÖRBER

Dipl.-Ing. J. SCMMiDT-EVERS

stoin;ticrf3ir.io, eocü München 22

NATIONAL RESEARCH DEVELOPMENT CORPORATION 66-74 Victoria Street
London SWl, England

19. Februar 1982

Ansprüche

/ I^ Verfahren zum Aussenden oder Empfangen von Wellen, die durch Schwingungen des Fortpflanzungsmediums dadurch ausgebreitet werden, daß Kantenwellen der in der Beschreibung definierten Art ausgesendet bzw. empfangen werden, dadurch gekennzeichnet, daß im wesentlichen keine ebenen Wellen ausgesendet bzw. empfangen werden.

2. Verfahren zum Aussenden und Empfangen von Wellen, die durch Schwingungen des Fortpflanzungsmediums dadurch fortgepflanzt werden, daß Kantenwellen der in der Beschreibung definierten Art ausgesendet bzw. empfangen werden, dadurch gekennzeichnet, daß ebene Wellen im wesentlichen weder ausgesendet noch empfangen werden.

3. Wandler zum Aussenden (oder Empfangen) von Wellen, die durch Schwingungen des Fortpflanzungsmediums ausgebreitet werden, mit Einrichtungen zum Aussenden (oder Empfangen) von Kantenwellen der in der Beschreibung definierten Art., dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler so ausgebildet und/oder eingerichtet ist, daß während des Betriebs im wesentlichen keine ebenen Wellen ausgesendet (oder empfangen) werden.

—Ρ—

4. System zum Aussenden und Empfangen von Wellen, die durch Schwingungen des Fortpflanzungsmediums ausgebreitet werden, mit einem Sendewandler und einem Empfangswandler zum Aussenden bzw. Empfangen von Kantenwellen der in der Beschreibung definierten Art, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Wandler so ausgebildet und/oder eingerichtet ist, daß während des Betriebs im wesentlichen keine ebenen Wellen ausgesendet oder empfangen werden.

5. Verfahren bzw. Wandler bzw. System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet:, daß ein Ring von Kantenwellen ausgesendet und/oder empfangen wird.

6. Verfahren bzw. Wandler bzw. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring eine kreisrunde Form hat.

7. Wandler nach Anspruch 3 zum Aussenden oder Empfangen eines kreisrunden Ringes von Kantenwellen mit einer Scheibe aus einem piezoelektrischen oder magnetostriktiven Material mit einer ersten und einer zweiten Elektrode, die im wesentlichen in Berührung mit den beiden gesamten Hauptflächen der Scheibe stehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe mit Ausnahme einer Randzone durch eine Schwingungsdämpfungsplatte (31) abgedeckt ist.

3. Wandler nach einem der Ansprüche 3, 5 und 6 mit einem piezoelektrischen oder magnetostriktiven Element, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (25; 60; 70) während des Betriebs durch ein räumlich variierendes elektrisches Feld erregt wird (oder ein räumlich variierendes elektrisches Feld erzeugt), wobei dieses Feld zwischen Elektroden (27, 35, 61, 61·, 62, 71, 75) entsteht,

^° die in Berührung mit dem Element stehen, und/oder wobei

das Feld eine räumlich variierende Polarisation aufweist und/oder wobei das Feld ein Sendeflächenrelief derart ,aufweist, daß der Wandler dazu tendiert, Kantenwellen der in der Beschreibung definierten Art abzustrahlen (oder auf solche Kantenwellen anzusprechen), wobei im wesentlichen keine ebenen Wellen abgestrahlt werden (bzw. wobei im wesentlichen kein Ansprechen auf Kantenwellen erfolgt).

109. Wandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Element eine Scheibe (25; 60) ist, die während des Betriebs durch ein räumlich variierendes elektrisches Feld erregt wird (oder die ein räumlich variierendes elektrisches Feld erzeugt), wobei das Feld zwischen einer ersten und einer zweiten Elektrode entsteht, daß die erste Elektrode (27; 62) im wesentlichen eine Hauptfläche der Scheibe vollständig berührt und daß die zweite Elektrode (35; 61) nur eine Ringzone der anderen Hauptfläche der Scheibe nahe dem Rand der Scheibe berührt.

10. Wandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Element eine Scheibe (60) ist, die eine räumlich variierende Polarisation von im wesentlichen Gaußscher Form aufweist, wobei die maximale Polarisation am Rand der Scheibe vorhanden ist, während am Mittelpunkt der Scheibe eine vergleichsweise geringe Polarisation vorhanden ist, und wobei zu der Scheibe eine erste Elektrode (61) und eine zweite Elektrode (62) gehören, die jeweils im wesentlichen mit den ganzen Hauptflächen der Scheibe in

^O Berührung stehen.

11. Wandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Element eine Scheibe (60) ist, die eine räumlich variierende Polarisation von im wesentlichen Gaußscher Form aufweist, wobei die maximale Polarisation am Rand der

Scheibe vorhanden ist, und daß die Scheibe während des Betriebs durch ein räumlich variierendes elektrisches Feld erregt wird bzw. ein räumlich variierendes elektrisches Feld erzeugt, da eine erste Elektrode (62) im wesentlichen mit der gesamten einen Hauptfläche der Scheibe in Berührung steht, während eine ringförmige zweite Elektrode (61·) nur mit einer Ringzone der anderen Hauptfläche der Scheibe nahe dem Rand der Scheibe in Berührung steht.
10

12. Wandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Element ein Ring (70) ist, dor eine räumlich variierende Polarisation von im wesentlichen Gaußscher Form aufweist, wobei die maximale Polarisation an einem Rand des Ringes vorhanden ist, während am äußeren Rand eine vergleichsweise geringe Polarisation vorhanden ist.

13. Wandler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring während des Betriebs durch ein räumlich variierendes elektrisches Feld erregt wird bzw. ein räumlich variierendes elektrisches Feld erzeugt, da eine erste Elektrode (75) im wesentlichen mit einer vollständigen Ringfläche des Ringes in Berührung steht und da eine zweite Elektrode (71) nur mit einer Ringzone der anderen Ringfläche des Ringes nahe dem inneren Rand des Ringes in Berührung steht.

14. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Wandler um einen Wandler nach einem der

° Ansprüche 5 bis 13 handelt.