DE3390293T1

DE3390293T1 - Ultraschallwandler

Info

Publication number: DE3390293T1
Application number: DE19833390293
Authority: DE
Inventors: Jon Charles Palo Alto Calif. Taenzer
Original assignee: Sri International, Menlo Park, Calif.
Priority date: 1982-10-25
Filing date: 1983-09-22
Publication date: 1985-02-07
Also published as: US4452084A; EP0122275A4; GB8413840D0; NL8320320A; GB2138650A; WO1984001830A1; EP0122275A1; IT8349199A0; JPS59501921A

Description

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Ultraschal!wandler

Ultraschallwandler, die Ultraschallwellen in ein Objekt einstrahlen und/oder Ultraschallwellen empfangen, sind allgemein bekannt und vielseitig verwendbar, z. B. bei der zerstörungsfreien Prüfung und Untersuchung, bei der Ultraschalluntersuchung für medizinische Diagnosen u. dgl. Häufig werden dabei sowohl ein fokussierter Ultraschallstrahl als auch Mittel zur Strahlabtastung benötigt. Die Schallwellenfokussierung durch akustische Linsen, gekrümmte Wandlerkörper, akustische Fokussierspiegel u. dgl. ist ebenso bekannt wie die mechanische Abtastung. Elektronische Fokussierung und Strahlabtastung sind möglich, wenn Wandleranordnungen mit einer Mehrzahl einzelner Wandlerelemente eingesetzt werden. Ferner sind elektromechanische Wandler bekannt, die eine oder mehrere spiralförmige Elektroden aufweisen (US-PS'en 1 957 063, 2 597, 3 059 130 und 3 114 849). Bei keiner der bekannten Einrichtungen wird jedoch eine Eigenverzögerung der zur Fokussierung und/oder Abtastung verwendeten Wandler angewandt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Ultraschallwandlers, der Elektroden auf entgegengesetzten Endflächen trägt, die eine Verzögerungsstrecke für die Eigenverzögerung der Fortpflanzung elektromagnetischer Wellen entlang dieser Strecke bilden, wodurch die Fortpflanzungsrichtung und/oder die Fokussierung akustischer Wellen beeinflußbar ist. Dabei ist die Impedanz der Verzögerungsstrecke zwecks Regelung der Apodisation zwischen den beiden Enden der Strecke änderbar. Ferner soll eine ein Magnetfeld erzeugende Quelle vorgesehen sein, um die Impedanz der Verzögerungsstrecke durch Einstellung der verteilten Induktivität derselben regeln

zu können. Außerdem soll ein verbesserter dynamisch fokussierter Ultraschallwandler bereitgestellt werden, durch den eine dynamische Fokussierung ohne gesonderte änderbare Verzögerungsstrecken od. dgl. in der Verbindung zwischen den Wandlerelektroden und dem Ultraschall-Sender und/oder -Empfänger möglich ist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch Verwendung eines einheitlich polarisierten piezoelektrischen Elements, das auf entgegengesetzten Endflächen Elektroden trägt, von denen wenigstens eine ein langer Streifenleiter ist. Die Elektroden bilden eine Verzögerungsstrecke zur Eigenverzögerung der Fortpflanzung elektromagnetischer Wellen entlang der Strecke durch die Eigenkapazität und die verteilte Induktivität der Verzögerungsstrecke. Ein Ende des langen Streifenleiters ist dabei mit einem Ultraschall-Sender und/oder -Empfänger gekoppelt, und das andere Ende endet in einer Last, die an die Impedanz der Leitung an dieser Stelle angepaßt ist, so daß die Ausbildung von Stehwellensignalen infolge einer Fehlanpassung vermieden wird. Die Last kann ein Abschlußwiderstand sein, der die Elektroden auf den entgegengesetzten Endflächen des piezoelektrischen Elements koppelt, und/oder es kann sich um die akustische Eigenlast handeln, die durch das piezoelektrische Element am Ende des langen Streifenleiters gebildet ist. Ein fokussierter Ultraschallstrahl-Wandler ist durch Verwendung eines ebenen zylindrischen piezoelektrischen Elements gegeben, das wenigstens einen spiralförmigen Streifenleiter auf einer Endfläche trägt. Wenn der Ultraschallsender und/oder -empfänger mit dem äußeren Ende der spiralförmigen Streifenelektrode und der Elektrode auf der entgegengesetzten Endfläche des piezoelektrischen Elements parallelgeschaltet ist, bewirkt die Verzögerung der Fortpflanzung der elektromagnetischen Wellen entlang der Verzögerungsstrecke eine Fokussierung des Wandlers.

In weiterer Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß eine ein Magnetfeld erzeugende Quelle und ein hochpermeables Material angrenzend an den Wandler vorgesehen sind, um die

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verteilte Induktivität der Verzögerungsstrecke zum Zweck der akustischen Fokussierung einzustellen. Eine dynamische akustische Fokussierung ergibt sich durch zeitliche Änderung der Stärke des Magnetfeldes während des Sende- und/oder Empfangsbetriebs unter zeitlicher Änderung der Streckenverzögerung. Ein gesteuerter Strahlwandler wird durch Verwendung eines im wesentlichen rechteckförmigen piezoelektrischen Elements mit wenigstens einem im wesentlichen zickzackförmigen Streifenleiter auf einer Endfläche erhalten. Wenn der Ultraschallsender und/oder -empfänger mit einem Ende der Streifenelektrode und mit der Elektrode auf der entgegengesetzten Endfläche des piezoelektrischen Elements parallelgeschaltet ist, wird ein Schallstrahl erhalten, der unter einem Winkel von weniger als 90° zur Wandlerfläche verläuft. Der Strahl wird durch Regelung einer Magnetfeld-Erzeugungseinheit gesteuert, die mit einem hochpermeablen Material, z. B. Ferrit, zusammenwirkt, wodurch die verteilte Induktivität der Verzögerungsstrecke änderbar ist zur Einstellung der Fortpflanzungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Wellen entlang der Strecke. Da die Wandler-Verzögerungsstrecke von sich aus verlustbehaftet ist, sind Wandler der vorliegenden Art in sich apodisiert. Durch Verwendung einer Verzögerungsstrecke mit vom einen Ende zum anderen steigender Streckenimpedanz wird eine Einstellung der Apodisation erhalten. Eine sich verjüngende Strecke und/oder eine Strecke, bei der der Abstand zwischen Leitern auf entgegengesetzten Endflächen sich vom einen zum anderen Ende ändert, kann zur Einstellung der Impedanz der Verzögerungsstrecke und infolgedessen zur Apodisation des Wandlers angewandt werden.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

QOQ η ο α

Pig. 1 das Blockschaltbild eines konventionellen Ultraschall-Abbildungssystems, das eine konzentrische ringförmige Wandleranordnung und änderbare Verzögerungsmittel zur Steuerung des Wandlerbrennpunkts aufweist;

Fig. 2 eine Draufsicht auf einen Ultraschallwandler gemäß der Erfindung;

Fig. 3 eine Querschnittsansicht 3-3 von Fig. 2, wobei ferner in Form eines Blockschaltbilds eine damit verbundene Sende-Empfangseinheit gezeigt ist;

Fig. 4 eine der Fig. 3 ähnliche Querschnittsansicht, die jedoch eine Abwandlung der Erfindung zeigt, bei der parallele lange Streifenleiter auf entgegengesetzten Flächen des piezoelektrischen Elements verwendet werden;

Fig. 5 eine ebenfalls der Fig. 3 ähnliche Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, wobei der lange Streifenleiter in der akustischen Anpassungsimpedanz des piezoelektrischen Elements endet;

Fig. 6 einen Sendewandler der in Fig. 5 gezeigten Art, der jedoch vom inneren Ende der spiralförmigen Elektrode angesteuert wird, so daß anstatt einer fokussierten Wellenfront eine sich ausbreitende akustische Wellenfront erzeugt wird;

Fig. 7 eine Draufsicht auf einen Ultraschallwandler, der demjenigen von Fig. 1 gleicht, wobei jedoch eine sich verjüngende Elektrode zur Modifizierung des Frequenzgangs des Wandlers verwendet wird;

Fig. 8 eine Querschnittsansicht 8-8 nach Fig. 7;

Fig. 9 eine Querschnittsansicht eines weiteren

Ausführungsbeispiels, wobei die Korrektur des Frequenzgangs durch eine progressive Änderung der Eigenkapazität des spiralförmigen Leiters erfolgt;

Fig. 10 das Blockschaltbild eines Ultraschall-Abbildungssystems mit B-Abtastung, bei dem ein dynamisch fokussierter Wandler nach der Erfindung verwendet wird;

Fig. 11 Signalverläufe elektrischer Signale, die an

verschiedenen Stellen in dem System von Fig.10 erzeugt werden und der Erläuterung der Funktionsweise des Systems dienen;

Fig. 12 eine Draufsicht auf einen weiteren

Ultraschallwandler nach der Erfindung, bei dem elektrisch parallelgeschaltete Streifenelektroden verwendet werden;

Fig. 13 eine Querschnittsansicht 13-13 von Fig. 12;

Fig. 14 eine Draufsicht auf einen weiteren Ultraschallwandler nach der Erfindung für die Strahlabtastung; und

Fig. 15 eine Querschnittsansicht 15-15 von Fig. 14.

Es wird zuerst auf die bekannte Ultraschalleinrichtung eines gepulsten Systems mit Α-Abtastung gemäß Fig. 1 Bezug genommen, das Schaltungsmittel zur Änderung des Brennpunkts der Ultraschall-Wandleranordnung 10 aufweist. Dabei ist schaubildlich eine ringförmige Wandleranordnung 10 gezeigt mit einem Mittenelement 10-1 und äußeren Ringelementen 10-2 und 10-3.

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Elektroden der Wandlerelemente sind mit einer gepulsten Sende-Empfangseinheit 12 für A-Abtastbetrieb gekoppelt. Zwischen die Wandlerelemente 10-1 und 10-2 und die Sende-Empfangseinheit sind steuerbare Verzögerungsglieder 14-1 und 14-2 geschaltet.

Wiederkehrende HF-Energieirapulse werden der Wandleranordnung 10 vom Sender zur Impulsbeschallung eines Objekts (nicht gezeigt) zugeführt. Die Bündelung bzw. Fokussierung erfolgt durch die elektrischen Signalverzögerungen mittels der Verzögerungsglieder 14-1 und 14-2. Der Empfänger wird nach einer Verzögerungsperiode anschließend an die Übertragung eines Ultraschallimpulses geöffnet zum Empfang von Echosignalen aus einem Tiefenbereich entlang dem Strahl im Objekt. Die Verzögerung der Glieder 14-1 und 14-2 wird dynamisch durch eine Verzögerungssteuerung 16 während des Empfangsteils des Zyklus geändert, so daß eine dynamische Fokussierung erreicht wird. Am Empfänger werden die Ausgangssignale der einzelnen Elemente der Wandleranordnung addiert und einer Anzeigeeinheit 17 zugeführt, die eine Anzeige entsprechend der Α-Abtastung erzeugt. Bei solchen bekannten elektrisch fokussierten Systemen auftretende Probleme sind u. a. Schwierigkeiten bei der Anpassung der Funktion der Verzögerungsglieder 14-1 und 14-2, durch diese Glieder bewirkte Störsignale bzw. eine Signalfilterung sowie die Kosten. Mit der vorliegenden Erfindung wird die Notwendigkeit für Verzögerungsglieder in der Verbindung zwischen dem Ultraschallwandler und der Sende-Empfangseinheit beseitigt; stattdessen wird mit einer durch den neuen Wandler gegebenen Eigenverzögerung gearbeitet, wodurch gesendete und/oder empfangene Signale zur Fokussierung, Strahlabtastung od. dgl. verzögert werden.

Es wird nun auf die Fig. 2 und 3 Bezug genommen, die ein Ausführungsbeispiel eines Ultraschallwandlers 18 zeigen, der einen flachen zylindrischen Körper 20 aus piezoelektrischem Material irgendeines bekannten Typs umfaßt. Z. B. kann Bleizirkonat oder ein Titanat wie etwa Bariumtitanat verwendet werden, das während der Fertigung gleichmäßig senkrecht zu den entgegengesetzten parallelen Endflächen polarisiert wird, z. B.

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indem es einem einseitig gerichteten elektrischen Feld ausgesetzt wird, während es über die Curie-Temperatur erwärmt wird.

Auf entgegengesetzten Endflächen des Wandlerkörpers sind Elektroden 22 und 24 vorgesehen, wobei wenigstens eine dieser Elektroden als langer Streifenleiter ausgebildet ist. Bei der Ausführungsform nach den Fig. 2 und 3 ist die eine Elektrode 22 spiralförmig mit einem Außenende 22-1, das an den Außenrand des piezoelektrischen Elements 20 angrenzt, und einem Innenende 22-2, das sich in der Mitte des Elements 10 befindet. Die Elektrode 24 ist kreisförmig und überdeckt die entgegengesetzte Endfläche des piezoelektrischen Elements 20. Bei dieser Elektrodenanordnung bilden die Elektroden Elemente einer Verzögerungsstrecke, wobei die Elektrode 24 eine Masseebene für die Streifenelektrode 22 bildet. Das piezoelektrische Element 20 ist nichtleitend und bildet das Dielektrikum der Verzögerungsstrecke.

Nach Fig. 3 ist die Elektrode 24 der Verzögerungsstrecke an Masse 26 gelegt, und das äußere Ende 22-1 der Streifenelektrode 22 der Verzögerungsstrecke ist mit einer Sende-Empfangseinheit 28 verbunden. Das innere Ende 22-2 der Streifenelektrode endet in einer Belastungsimpedanz, die im wesentlichen an die Impedanz der Verzögerungsleitung an dieser Stelle angepaßt ist. Bei der Anordnung nach Fig. 3 umfaßt die Belastungsimpedanz einen Widerstand 30, dessen eines Ende elektrisch an das innere Ende 22-2 der Streifenelektrode und dessen anderes Ende an die als Masseebene wirkende Elektrode 24 angeschlossen ist. Der Widerstand 30 ist in einem Loch positioniert, das die Mitte des piezoelektrischen Elements 20 durchsetzt. Der Widerstand 30 kann mit dem piezoelektrischenElement 20 einstückig ausgebildet sein (vgl. Fig. 3). Alternativ kann auch ein separater Widerstand gemäß Fig. 4 verwendet werden, oder die Anpassungs-Lastimpedanz für den Streifenleiter besteht einfach aus der akustischen Impedanz des piezoelektrischen Elements 20 am inneren Ende des Streifenleiters (vgl. Fig. 5 und folgende

QQQf! 7OQ

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Beschreibung). Jedenfalls ist der Abschluß der Verzögerungsleitung in einer Anpassungsimpedanz erwünscht, um die Ausbildung eines Stehwellensignals infolge einer Fehlanpassung am Abschlußende des Streifenleiters an dessen innerem Ende zu vermeiden.

Die Sende-Empfangseinheit 28 umfaßt einen Impulssender 32, der über einen Sende-Empfangsschalter 34 an das äußere Ende 22-1 der Streifenelektrode 22 angeschlossen ist, so daß eine sich wiederholende Impulsaktivierung des Wandlers erfolgt. Die geerdete äußere Elektrode 24 ist akustisch mit einem Untersuchung sob j ekt (nicht gezeigt) gekoppelt. Wenn der Wandler durch einen Ausgangsimpuls vom Sender aktiviert wird, pflanzt sich eine elektromagnetische Welle entlang der streifenförmigen Übertragungsstrecke fort. Durch die Eigenverzögerung bei der Fortpflanzung der ausgesandten elektromagnetischen Welle entlang dem Streifenleiter ergibt sich eine Fokussierwirkung für vom Wandler erzeugte akustische Wellen. Eine Spirale mit konstanter Breite und konstanter Steigung gemäß den Fig. 2 und 3 erzeugt den im wesentlichen quadratischen Verzögerungsverlauf, der für eine ideale Fokussierung der gesendeten akustischen Welle erforderlich ist. In Fig. 3 ist der Wandler im Punkt F fokussiert.

Reflexionen von Ungleichmäßigkeiten im Prüfobjekt werden vom Wandler 18 empfangen; dieser erzeugt ein elektrisches Signal, das durch den Sende-Empfangsschalter 34 einem Entfernungstore aufweisenden Empfänger 36 zugeführt wird. Der Empfänger 36 kann zum Empfang von Signalen aus einem Bereich entlang dem Brennpunkt F geöffnet sein, und das Ausgangssignal des Empfängers 36 wird einer Anzeigeeinheit 38 zur A-Abtastanzeige zugeführt. Während des Empfangs arbeitet der Wandler 18 weiter und fokussiert den Strahl im Brennpunkt F infolge der Eigenverzögerung bei der Übertragung der Energie der elektromagnetischen Welle entlang dem Streifenleiter 22. Die Verzögerung und damit der Brennpunkt des Wandlers 18 hängt von der Eigen-

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kapazität und der verteilten Induktivität der das piezoelektrische Element 20 und die Elektroden 22 und 24 auf dessen entgegengesetzten Flächen umfassenden Verzögerungsstrecke ab.

Bei einer bekannten ringförmigen Wandleranordnung, wie sie schematisch in Fig. 1 gezeigt sind, ist es häufig erforderlich, daß die aktiven mittleren und ringförmigen Elektroden an der Vorderseite der Anordnung positioniert sind. Bei dem hier angegebenen neuen Wandler kann gemäß Fig. 3 die vordere Elektrode geerdet sein. Wenn der Wandler für die Ultraschalldiagnose beim Menschen eingesetzt wird, trägt die Verwendung einer geerdeten Vorderelektrode zur Sicherheit des Patienten bei. Weitere Vorteile einer geerdeten vorderen Elektrode sind eine verringerte elektrische Störung und eine Minimierung von Hochfrequenzstörungen. Ungeachtet dieser Vorteile kann erwünschtenfalls die die Elektrode 22 tragende Endfläche des piezoelektrischen Elements als Vorderseite des Wandlers eingesetzt werden, wobei dann die Elektrode 24 auf der Rückseite angebracht ist.

Es sind viele verschiedene Modifizierungen von Ultraschallwandlern der hier aufgezeigten Art möglich. Z. B. kann das piezoelektrische Element mit entgegengesetzten Spiralelektroden gemäß Fig. 4 ausgebildet sein. Dabei weist der zylindrische piezoelektrische Körper 20 des Wandlers 40 eine vordere und eine hintere Spiralelektrode 42 und 22 auf, die einander auf entgegengesetzten Endflächen des Körpers direkt gegenüberliegen. Das äußere Ende 40-1 der vorderen Elektrode 42 ist an Masse 26 gelegt, und das innere Ende 42-2 ist mit einem Widerstand 44 verbunden. Der andere Anschluß des Widerstands 44 ist mit dem inneren Ende 22-2 der rückwärtigen Elektrode 22 verbunden, und das äußere Ende 22-1 der Elektrode 22 ist an eine Sende-Empfangseinheit (nicht gezeigt) anschließbar. Der gesonderte Widerstand 44 ist an die Impedanz der Verzögerungsstrecke an deren innerem Ende angepaßt, um die Ausbildung von Stehwellen zu verhindern. Der Wandler ist sowohl für den Sendeais auch den Empfangsbetrieb auf den Brennpunkt F fokussiert.

Bei einer weiteren Abwandlung des Wandler gemäß Fig. 5 endet die Streifenelektrode in der akustischen Impedanz des piezoelektrischen Wandlerkörpers, die an die Impedanz des Streifenleiters an dieser Stelle angepaßt ist. Hier umfaßt der Wandler 50 einen zylindrischen Körper 52 mit einer Streifenelektrode 22 an der Rückseite und einer ebenen geerdeten Elektrode 24 an der entgegengesetzten Vorderseite. Am inneren Ende 22-2 der Spiralelektrode 22 ist kein Belastungswiderstand erforderlich, da die mechanische Belastungsimpedanz des piezoelektrischen Körpers an die elektrische Impedanz der Elektrode 22 an deren innerem Ende 22-2 angepaßt ist. Durch Anpassen der Impedanzen wird eine Fehlanpassung am Ende 22-2 des Streifenleiters 22 vermieden, wodurch Probleme in Verbindung mit Stehwellen entlang der Verzögerungsstrecke ausgeschaltet werden.

Eine sich ausbreitende anstatt eine fokussierte Wellenfront kann unter Verwendung jedes der Wandler gemäß den Fig. 2-5 dadurch erzeugt werden, daß einfach ein Wandler vom Innenende der Spiralelektrode anstatt von ihrem Außenende her angesteuert wird. Eine solche Anordnung ist in Fig. 6 gezeigt. Hier ist ein Wandler 50 des Typs von Fig. 5 zusammen mit einem Sender 54 gezeigt, der an das innere Ende 22-2" der Spiralelektrode 22 angeschlossen ist. Das äußere Ende 22-1 der Elektrode 22 ist über einen Belastungswiderstand 56 an Masse 26 gelegt, wobei der Widerstand 56 an die Impedanz des Streifenleiters 22 an dessen Ende angepaßt ist. Durch Ansteuerung des Wandlers von der Mitte aus wird eine akustische Welle mit einer sich ausbreitenden Wellenfront, die mit 58" bezeichnet ist, aufgrund der Eigenverzögerung der Fortpflanzung der treibenden elektromagnetischen Welle auf ihrer Bahn entlang dem Leiter 22 vom inneren Ende 22-2 zum äußeren Ende 22-1 erzeugt.

Bei der Fortpflanzung elektromagnetischer Wellen entlang den Verzögerungsstrecken-Elektroden der Wandler geht Energie durch Abstrahlung der Ultraschallwellen verloren. Auch tritt ein

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Energieverlust im piezoelektrischen Material des Wandlerkörpers auf. Wegen solcher Energieverluste ändert sich der Wirkungsgrad (oder die effektive Ansprechempfindlichkeit) des Wandlers vom Mittelpunkt zum Äußeren desselben. Wenn z. B. die Wandler nach den Fig. 2-5 als fokussierte Wandler eingesetzt sind, wobei der Sender und/oder Empfänger mit dem äußeren Ende der Spiralelektrode gekoppelt ist, ist derjenige Teil des Wandlers nahe dem Außenrand wirksamer als der Mittelpunkt in bezug auf die Erzeugung und/oder den Empfang akustischer Wellen. Dabei hat der Wandler eine sog. "umgekehrte" Apodisation.

Um Energieverluste der Verzögerungsstrecke sowie die resultierende "umgekehrte" Apodisation auszugleichen, kann eine Verzögerungsstrecke mit abnehmender Impedanz verwendet werden. Eine Möglichkeit zur Erzeugung einer Impedanzabnahme besteht darin, die Spiralelektrode(n) mit sich verjüngender Breite auszubilden, wie die Fig. 7 und 8 zeigen. Hier weist ein Wandler 60 einen zylindrischen Körper 62 aus piezoelektrischem Material, eine Spiralelektrode 64 auf der einen Endfläche und eine ebene Elektrode 66 auf der entgegengesetzten Endfläche auf. Ein Anpassungs-Belastungswiderstand 68 ist schematisch gezeigt, der das innere Ende 64-2 der Elektrode 64 mit der Elektrode 66 verbindet. Das äußere Ende 64-1 der Spiralelektrode ist an einen Sender und/oder Empfänger anschließbar. Wie die Zeichnung zeigt, ist die Spiralelektrode 64 hinsichtlich ihrer Breite vom äußeren zum inneren Ende hin verjüngt. Infolgedessen verringert sich auch die Impedanz der resultierenden Eigenverzogerungsstrecke, wobei die Impedanz der Strecke am äußeren Ende am kleinsten und am inneren Ende nahe der Mitte des Wandlers am größten ist. Mit abnehmender Impedanz kann die Spannung der elektromagnetischen Welle vom äußeren Ende der Spiralelektrode zu deren innerem Ende hin·konstantgehalten werden.

Ferner ist zu beachten, daß sich die Steigung der verjüngten Spiralelektrode 64 vom äußeren Ende zum inneren Ende der Spirale hin verringert, wodurch die Elektrodenuberdeckung des

piezoelektrischen Körpers relativ zu einer sich verjüngenden Elektrodenanordnung mit konstanter Steigung vergrößert wird. Bei dieser Anordnung mit sich verringernder Impedanz und abnehmender Steigung ist die "umgekehrte" Apodisation des Wandlers 60 geringer als diejenige der Wandler 20, 40 und 50, so daß der Wandler 60 über seine Wandlerfläche einen flacheren akustischen Frequenzgang aufweist.

Es gibt weitere Möglichkeiten für die Verringerung der Impedanz der Eigenverzögerungsstrecke, z. B. eine Änderung des Abstands zwischen den Streckenleitern. Fig. 9 zeigt einen sendenden Wandler 70 mit einem zylindrischen piezoelektrischen Körper 72, der auf seiner Vorderfläche eine ebene Elektrode 74 trägt. An der Rückseite des piezoelektrischen Körpers 72 ist ein Isolierelement 76 mit einer konkaven Rückfläche befestigt, und auf der konkaven Fläche des Isolierelements 76 ist eine Spiralelektrode 78 gleichförmiger Breite und Steigung befestigt. Das äußere Ende 78-a der Spiralelektrode ist mit einer Sendereinheit verbunden, und das innere Elektrodenende endet in der Impedanz der Verzögerungsstrecke an diesem Punkt. Bei Aktivierung der Elektrode durch ein elektrisches Ultraschallsignal vom Sender ergibt sich zwar eine Abnahme der Energie der elektromagnetischen Welle auf ihrer Bahn entlang der verlustbehafteten Verzögerungsstrecke, es erfolgt jedoch keine entsprechende Abnahme des elektrischen Feldgradienten durch das piezoelektrische Element, da die äußeren Windungen der Spiralelektrode von der als Masseebene dienenden Elektrode 74 weiter entfernt sind als die inneren Windungen. Somit kann das elektrische Feld E2 im Zentrum des Wandlers im wesentlichen gleich dem elektrischen Feld E1 nahe dem Umkreis des Wandlers gemacht werden, so daß über die Wandlerfläche akustische Energie gleicher Stärke erzeugt wird. Wie bei den übrigen Ausführungsbeispielen, die vorstehend erläutert wurden, ergibt sich eine akustische Fokussierung aufgrund der verzögerten Fortpflanzung der elektromagnetischen Welle entlang den die Übertragungsstrecke bildenden Elektroden.

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Wie vorstehend erläutert, hängt der durch die fokussierenden Wandler erhaltene Brennpunkt F unter anderem von der durch die Eigenverzogerungsstrecke bewirkten zeitlichen Verzögerung ab. Durch Ändern der Induktivität der Verzögerungsstrecke können die Verzögerung und damit die akustische Fokussierung des Wandlers geändert werden; durch dynamisches Ändern der Induktivität kann der Brennpunkt des Wandlers dynamisch geändert werden. Ein neuer dynamisch fokussierter Wandler ist zusammen mit einem Ultraschall-Abbildungssystem in Fig. 10 gezeigt. Hier ist ein Ultraschallwandler 80 in einem Behälter 82 angeordnet, der mit einer akustischen Kopplungsflüssigkeit 84 gefüllt ist. Ein akustisch durchlässiges Fenster 86 ist im Behälter ausgebildet, so daß die akustischen Wellen mit einem Prüfobjekt 88 koppelbar sind.

Der Wandler 80 umfaßt einen zylindrischen piezoelektrischen Körper 90 mit einer Spiralelektrode 92 auf der Rückseite und einer ebenen, geerdeten Elektrode 94 auf der Vorderseite. Das innere Ende 92-2 der Spiralelektrode ist über eine Belastungsimpedanz 96 mit der vorderen Elektrode 94 verbunden, so daß die Eigenverzogerungsstrecke in der Impedanz der Strecke an deren Innenende endet. Die bisher beschriebene Anordnung kann von der unter Bezugnahme auf die Fig. 2 und 3 erläuterten Art sein.

Erwünschtenfalls kann der Wandler eine akustische Linse 98 aufweisen. Wenn die Fokussierung durch die akustische Linse mit der Fokussierung durch die Eigenverzogerungsstrecke kombiniert wird, wird zur Fokussierung angrenzend an den Wandler eine geringere Verzögerung benötigt. Auch wird die Induktivität der Eigenverzogerungsstrecke durch Verwendung eines Ferritelements oder -blocks 100 gesteigert, der an der Rückseite des Wandlers angrenzend an die Spiralelektrode 92 befestigt ist. Es ist bekannt, daß die Verzögerung einer Strecke von ihrer verteilten Induktivität abhängt; dabei erhöht sich die Verzögerung mit einer Erhöhung der Induktivität. Da die Verzögerung der Strecke

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durch den Einsatz des Ferritelements 100 gesteigert wird, wird der Brennpunkt des Wandlers näher an den Wandler gebracht durch Einführung des Ferritelements in die Wandlerkonstruktion.

Die Permeabilität yu des Ferritelements 100 wird durch ein Magnetfeld bestimmt, das durch eine auf das Ferritelement gewickelte Treiberspule 102 erzeugt wird. Durch Regelung des durch die Spule fließenden Stroms sind die Permeabilität des Ferritelements und die Induktivität der Verzögerungsstrecke regelbar, wodurch der Brennpunkt des akustischen Wandlers einstellbar ist. Wenn die Induktivität der Eigenverzögerungsstrecke erhöht wird, wird der Brennpunkt vom Punkt F. näher zum Wandler zum Punkt F₂ verschoben. Hier ist zu beachten, daß durch Anbringen des Ferritelements 100 an der Rückseite des Wandlerkörpers die Frequenzbandbreite des Wandlers ebenfalls vergrößert wird durch die mechanische Belastung des Wandlers mit dem Ferritelement; dies ist auf dem Gebiet der Wandler bekannt. Es ist somit ersichtlich, daß durch einfache Regelung des durch die Spule 102 fließenden Stroms der Brennpunkt des Wandlers dynamisch regelbar ist. Fig. 10 zeigt ein Ultraschall-Abbildungssystem mit B-Abtastung, das den vorgenannten Wandler verwendet.

Der Spiralelektrode 92 des Wandlers 80 wird ein Breitbandimpuls von einer torgesteuerten Signalquelle 104 über einen Verstärker 106 zur Impulsbeschallung des Prüfobjekts 88 zugeführt. Die Signalquelle 104 wird durch einen Sendertorimpulsgeber 108 unter Steuerung durch Signale von einer Zeitsteuerung 110 wiederholt aufgesteuert. Im allgemeinen wird mit periodischem Impulsbetrieb gearbeitet, es kann aber auch im aperiodischen und kontinuierlichen Wellenmodus gearbeitet werden.

Von Grenzflächen und inneren Diskontinuitäten des Prüfkörpers 88 reflektierte Ultraschall impulse werden vom Wandler 80 empfangen, und die resultierenden elektrischen Signale werden einem torgesteuerten Verstärker 112 zugeführt, der während des Empfangs- und des Sendeteils des Arbeitszyklaus unter Steuerung

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durch die Zeitsteuerung 110 geöffnet und gesperrt wird. Es ist offensichtlich, daß zwischen den Wandler 80 und die Signalquelle 104 und den Signalempfänger 114 ein Sende-Empfangsschalter eingeschaltet sein könnte, der die Torsteuerung des Verstärkers hinfällig machen würde, um somit eine Blockierung des Empfängers durch die Senderimpulse zu verhindern. Der Empfänger 114 umfaßt eine Signalverarbeitungseinheit 116, die einen Regelverstärker enthalten kann, dem die durchgelassenen Empfängersignale zugeführt werden. Der Regelverstärker kann zeitlich nach Maßgabe der abgelaufenen Zeit seit dem letzten gesendeten Impuls geändert werden, so daß bereichsproportional

eine erhöhte Verstärkung derart erhalten wird, daß der durch die Schallabsorption im Prüfobjekt auftretende Signalverlust ausgeglichen wird. Der Empfänger kann einen Breitband-Verstärker mit Dynamikregelung umfassen, der den Ausgang des Regelverstärkers unter dynamischer Regelung verstärkt. Ferner kann ein Hüllkurvendetektor oder ein anderer Detektor im Empfänger vorhanden sein, der die Hüllkurve des Ausgangssignals vom Verstärker mit Dynamikregelung erfaßt. Der vorstehend erläuterte Signalempfänger ist konventionell ausgelegt und braucht nicht näher erläutert zu werden. Für den Betrieb mit B-Abtastung wird das Ausgangssignal des Empfängers dem Steuergitter einer Katodenstrahlröhrenanzeige 118 zur Intensitätsmodulation des Elektronenstrahls zugeführt. Hierbei ist zu beachten, daß für den Betrieb mit Α-Abtastung das Empfänger-Ausgangssignal einfach als Ablenksignal einer Katodenstrahlröhre zur Ablenkung des Strahls in die eine Richtung zugeführt wird, während ein mit dem Senderbetrieb synchronisiertes Rampensignal als Ablenksignal zur Strahlablenkung in orthogonaler Richtung zugeführt wird.

Bei dem hier gezeigten Betrieb mit B-Abtastung wird der Wandler 80 in einer Abtastbewegung relativ zum Prüfobjekt 88 bewegt. Nach Fig. 10 ist der Wandler 80 über eine mechanische Verbindung 122 mit einer Abtastvorrichtung 120 verbunden. Es kann lineare und/oder Sektorabtastung durchgeführt werden; im vorliegenden Fall ist beispielhaft die Linearabtastung über das

ο ο ο Γι ι π ο

O O b ¹J Λ J

Prüfobjekt 88 in Richtung des Doppelpfeils 124 gezeigt. Die Abtastvorrichtung umfaßt einen Abtastlagekreis, dessen Ausgang mit der Zeitsteuerung 110 verbunden ist. Ausgangssignale der Zeitsteuerung 110 dienen der Synchronisation des Sende-, . j

Empfangs- und Anzeige-Abtastvorgangs sowie der Steuerung eines Ablenk- und Austastgebers 126. Ein Ausgang des Gebers 126 ist eine Ablenkspannung, die der Wandlerlage entlang der Abtastbahn

I proportional ist, und ein weiterer Ausgang ist der Zeit j proportional, die vergangen ist, seit der letzte Impuls gesendet wurde. Selbstverständlich sind auch andere Abtast- ! einrichtungen denkbar. ;

Zur Verwendung bei der A- und bei der B-Abtastung, wobei die ; zurückkommenden Signale von einem Bereich von Entfernungen : innerhalb des PrüfObjekts empfangen werden, wird der durch die Spule 102 fließende Strom zeitlich nach Maßgabe der abgelau- \ fenen Zeit seit dem letzten gesendeten Impuls geändert, um d^n Brennpunkt des Wandlers zwischen den Punkten F„ und F₁ zu | ändern. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Strom durch

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die Spule 102 und damit die Fokussierung des Wandlers 80 nach Maßgabe des Ausgangssignals eines Fokussier-Funktionsgebers| 128 geändert. Während des Empfangsbetriebs wird der Ausgang des Gebers 128 erhöht, um den Stromfluß durch die Spule 102 für die dynamische Fokussierung des Wandlers vom Brennpunkt F₂ auf den Brennpunkt F. zu steigern. Bei der gezeigten Anordnung wird während des Sendens des Impulses der Spulenstrom so geregelt; daß die Fokussierung auf einen Punkt F^ zwischen F„ und F₁ erfolgt. !

Die Funktionsweise des Ultraschall-Abbildungssystems nach Fig. 10 ist zwar aus der vorstehenden Erläuterung ersichtlich; eirie kurze Beschreibung soll jedoch unter Bezugnahme auf das Ablaufdiagramm von Fig. 11 folgen. Der Wandler 80 wird über das \ Prüfobjekt 88 in Richtung des Pfeils 124 durch die Abtastvor-y richtung 120 bewegt. Ein Abtastlagesignal wird von dem Abtast-

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lagekreis der Abtastvorrichtung erzeugt und der Zeitsteuerung 110 zugeführt, die Steuersignale für die zeitliche Steuerung

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des Senders, des Empfängers und der Katodenstrahlröhren-Abtastmittel erzeugt. Während der Dauer des Sendeimpulses 130 von Fig. 11 werden Breitband-Ultraschallwellen mit schmaler Strahlkeule erzeugt, wobei der Sendeimpuls 130 zum Zeitpunkt T1 beginnt und zum Zeitpunkt T2 endet. Der Impuls pflanzt sich durch die Linse 98 in das Prüfobjekt 88 fort und wird an der Grenzfläche zwischen dem Prüfobjekt und dem Fenster 86 sowie von verschiedenen Niveaus an Diskontinuitäten im Prüfobjekt reflektiert. Nach einer Zeitverzögerungs-Dauer zwischen T2 und T4 wird der Empfänger geöffnet zur Verarbeitung der Echosignale 132 von Fig. 11. Während der Empfänger zwischen den Zeitpunkten T4 und T5 arbeitet, nimmt das Ausgangssignal des Fukussier-Funktionsgebers 128 entsprechend der Kurve 134 zu, um die Induktivität und infolgedessen die Verzögerung der Wandler-Verzögerungsstrecke zu verringern, wodurch die Brennweite des Wandlers vergrößert wird, wenn Echosignale aus zunehmenden Tiefen von innerhalb des Prüfobjekts empfangen werden. Zum Zeitpunkt T5 ist die Empfangsoperation beendet, ein weiterer Sendeimpuls wird zum Zeitpunkt T6 erzeugt, und der obige Zyklus wird wiederholt. Während des Betriebs des Senders zwischen den Zeitpunkten T1 und T2 befindet sich das Ausgangssignal des Fokussier-Funktionsgebers auf einem Pegel zwischen seinem oberen und seinem unteren Pegel, so daß Wandlerimpulse auf den Brennpunkt F₃ zwischen F- undF₂ fokussiert werden. Selbstverständlich ist die Steuerung des Fokussier-Funktionsgebers während der Impulsübertragung zur Fokussierung auf irgendeinen anderen Pegel als den Punkt F- ebenfalls möglich.

Die Fig. 12 und 13 zeigen eine modifizierte Ausführungsform eines fokussierenden Wandlers unter Verwendung von mehreren konzentrischen Spiralelektroden auf einer Wandlerfläche. Hierbei umfaßt ein fokussierender Wandler 140 einen zylindrischen Körper 142 aus piezoelektrischem Material mit einer ebenen Elektrode 144 auf der Vorderfläche. Die Rückfläche des Körpers 142 weist mehrere konzentrische Elektroden 146-1 und 146-2 auf. Die inneren Enden der Spiralelektroden sind miteinander und über einen Impedanzanpassungs-Belastungswider-

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stand 148 mit der Elektrode 144 verbunden. Die äußeren Enden der Spiralelektroden sind miteinander und mit einer Sende-Empfangseinheit 150 verbunden. Bei dieser Anordnung, bei der die die spiralförmige Verzögerungsstrecke bildenden Elektroden elektrisch parallelgeschaltet sind, ist die elektrische Impedanz verringert, was zu einer besseren Impedanzanpassung zwischen dem Wandler und dem damit verbundenen Sender und/oder Empfänger fuhrt. Wie bei den vorher erläuterten Wandlern erfolgt die Fokussierung des Wandlers 140 durch die Eigenverzögerüng der Fortpflanzung der elektromagnetischen Wellen entlang den Elektroden bei der Fortpflanzung vom Rand des piezoelektrischen Körpers zu dessen Mitte.

Die vorliegende Erfindung ist bei der Fokussierung eines Strahls nicht auf die Verwendung der Eigenverzögerung durch die Elektrodenkonfiguration eines Ultraschallwandlers beschränkt. Gemäß einer weiteren Ausführungsform nach den Fig. 14 und 15 umfaßt ein Ultraschallstrahl-Abtastwandler 160 einen rechteckförmigen piezoelektrischen Körper 162 gleichmäßiger Dicke, der auf seiner einen Endfläche eine streifenförmige Elektrode 164 und auf seiner anderen Endfläche eine ebene Elektrode 166 trägt. Dabei ist die Elektrode 164 zickzackförmig anstatt spiralförmig. Die zickzackförmige Elektrode 164 verläuft vom einen Ende des piezoelektrischen Elements zum anderen Ende desselben.

Ein Ende 164-1 der Zickzack-Elektrode 164 ist an einen Ultraschallsender und/oder -empfänger (nicht gezeigt) anschließbar, und das andere Ende 164-2 ist über einen Anpassungs-Belastungswiderstand 168 an Masse 26 gelegt. Wie bei den übrigen Wandlern nach der Erfindung ergibt sich in der Fortpflanzung einer elektromagnetischen Welle entlang der langen Streifenelektrode des Wandlers eine Eigenverzögerung. Wenn die Zickzack-Elektrode im wesentlichen konstante Steigung hat, wie im Fall der Elektrode 164, wird bei Aktivierung des Wandlers eine akustische Welle mit einer im wesentlichen ebenen Wellenfront 170 erzeugt. Aufgrund der Verzögerung der Fortpflanzung der

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elektromagnetischen Welle entlang dem als Verzögerungsstrecke wirkenden Wandleraufbau verläuft die Wellenfront 170 unter einem Winkel A zur Oberfläche der ebenen Elektrode 166 und breitet sich in Richtung des Pfeils 172 aus.

Durch Einstellung der Verzögerung der Eigenverzögerungsstrecke kann die Richtung der akustischen Welle bestimmt werden. Bei der Anordnung nach den Fig. 14 und 15 ist ein Element 174 hoher Permeabilität, z. B. ein Ferritblock, an der Rückseite des piezoelektrischen Körpers 162 angrenzend an die Zickzack-Elektrode 164 befestigt, wodurch die Induktivität der Elektrode gesteigert wird. Eine Spule 176 ist um den Rand des Ferritblocks 174 gewickelt und an einen Abtastfunktionsgeber (nicht gezeigt) anschließbar, so daß der Spule ein regelbarer Strom zur Einstellung der Permeabilität des Ferritblocks zuführbar ist. Mit steigendem Spulenstrom nimmt die Permeabilität des Ferritblocks 174 ab, wodurch die Induktivität der Verzögerungsstrecke reduziert wird. Die Geschwindigkeit der elektromagnetischen Welle, die sich entlang der Verzögerungsstrecke fortpflanzt, wird dadurch mit abnehmender Verzögerung der Strecke erhöht, wodurch die Wellenfront des Schallwellenfeldes in eine Lage bewegt wird, die näher an der Ebene der Vorderfläche des Wandlers liegt. Mit zunehmendem Spulenstrom wird eine Schallenergiewelle mit einer Front 170-1 erzeugt, die sich in Richtung des Pfeils 172-1 fortpflanzt. Eine Abtastbewegung der Schallwelle wird durch Zuführung eines sich ändernden Stroms zur Spule 176 erhalten. Die Abtastung der Schallwelle während des Sendens oder Empfangens oder während beider Vorgänge ist natürlich möglich. Es ist ersichtlich, daß der Wandler 160 mit einer akustischen Linse verwendbar ist zur Fokussierung der von ihm ausgesandten und/oder empfangenen Schallenergiewelle.

Selbstverständlich sind weitere Modifikationen der Erfindung möglich. Z. B. kann ein Ferrit-Stützelement od. dgl. an der Rückseite des Wandlers angrenzend an die lange Elektrode angeordnet sein, um die Induktivität der Verzögerungssstrecke

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zu erhöhen, ohne daß eine Spule zur Änderung der Permeabilität des Ferriteleraents vorgesehen ist, wenn eine einstellbare Verzögerung nicht erforderlich ist. Zusätzlich ist der Einsatz von Dauermagneten zur Regelung der Permeabilität des Ferrit-Stützelements denkbar. Zusätzlich zu der Verwendung des Ferrit-Stützelements ist die Verwendung vieler anderer Mittel zur Beeinflussung der Induktivität der Verzögerungsstrecke denkbar. Z. B. kann der lange Leiter mit einem Ferritmaterial beschichtet oder überzogen sein, während die übrige Rückfläche des den Wandler bildenden piezoelektrischen Körpers davon frei bleibt, so daß ein "luftgestützter" Wandler erhalten wird. Für die Herstellung der Wandler, insbesondere die Ausbildung der Elektroden und die Aufbringung des Ferrits bei "luftgestützten" Wandlern, können die verschiedensten Herstellungsverfahren wie Dünnfilm-, Dickfilm-Verfahren, Fotolithografie u. dgl. eingesetzt werden. Wie bereits erwähnt, kann jedes geeignete piezoelektrische Material eingesetzt werden; die Erfindung ist nicht auf irgendein spezielles Material beschränkt. Ferner besteht auch keine Einschränkung hinsichtlich der Verwendung von spiral- und zickzackförmigen Elektroden. Es können andere lange Elektrodenkonfigurationen verwendet werden, bei denen eine durch die Strecke gegebene Verzögerung zur Fokussierung oder anderweitigen akustischen Strahleinstellung verwendet wird. Die Verjüngung und die Steigung der Spiralelektroden kann ferner so gewählt werden, daß der Wandler unterschiedliche Fokussierungseffekte aufweist.

In der Zeichnung ist zwar ein flüssiger akustischer Koppler zum Koppeln des Wandlers mit einem Prüfobjekt gezeigt; selbstverständlich können erwünschtenfalls alle festen akustischen Koppler eingesetzt werden. Auch kann anstelle der Linse eine andere Schallwellen-Fokussiervorrichtung verwendet werden. Z. B. kann der Wandlerkörper zur Fokussierung eine gekrümmte und nicht eine ebene Oberfläche aufweisen. Alternativ kann entlang der akustischen Achse des Wandlers ein gekrümmter Spiegel positioniert sein.

Claims

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Patentansprüche

1. Ultraschall-Sende- und/oder -Empfangs-Wandler, der für die Ultraschalluntersuchung eines Prüfobjekts Schalldruckwellen erzeugt und/oder empfängt,
gekennzeichnet durch ein piezoelektrisches Element (20; 52; 62; 72; 90; 140; 162) mit zwei entgegengesetzten Endflächen; eine erste (22; 64; 78; 92; 146-1, 146-2; 164) und eine zweite Elektrode (24; 42; 66; 74; 94; 144; 166), die jeweils auf der ersten bzw. der zweiten Endfläche angeordnet sind, wobei wenigstens die eine Elektrode (22; 64; 78; 92; 146-1, 146-2; 164) als langer Streifenleiter ausgebildet ist, der zusammen mit der anderen Elektrode (24; 66; 74; 94; 144; 166) eine Verzögerungsstrecke zur Eigenverzögerung der Fortpflanzung elektromagnetischer Wellen entlang dieser Strecke durch die Eigenkapazität und die verteilte Induktivität der Verzögerungsstrecke bildet; und

Mittel zur akustischen Kopplung der einen Endfläche des piezoelektrischen Elements mit einem durch Ultraschall zu prüfenden Objekt (88).

2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß ein Ende des langen Streifenleiters in einer Belastungsimpedanz (30; 44; 68; 96; 148) endet, die im wesentlichen an die Impedanz der Verzögerungsstrecke an diesem einen Ende angepaßt ist, wodurch die Ausbildung von Stehwellensignalen entlang der Verzögerungsstrecke unterbunden wird.

3. Ultraschallwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

daß die Anpassungs-Belastungsimpedanz die akustische Impedanz des piezoelektrischen Elements (52) an dem einen Ende des langen Streifenleiters (22) ist.

4. Ultraschallwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

daß die Anpassungs-Belastungsimpedanz ein elektrischer Widerstand (30; 44; 68; 96; 148) ist.

5. Ultraschallwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

daß das piezoelektrische Element (20) von einem Loch für den elektrischen Widerstand (30) durchsetzt ist, und daß der elektrische Widerstand (30) die erste (22) und die zweite Elektrode (24) miteinander koppelt,

6. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß das piezoelektrische Element (20; 52; 62; 72; 90; 140) im wesentlichen zylindrisch und der lange Streifenleiter (22; 64; 78; 92; 146-1, 146-2) im wesentlichen spiralförmig ist, wobei das innere Ende des Spiralleiters am Mittelpunkt der einen Endfläche des piezoelektrischen Elements endet.

7. Ultraschallwandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

daß sich die Breite des spiralförmigen Leiters (64) von seinem einen zu seinem anderen Ende verjüngt zur Modifizierung der Impedanz der Verzögerungsstrecke mit der Änderung der Leiterbreite.

8. Ultraschallwandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,

daß die Steigung des sich verjüngenden spiralförmigen Leiters mit abnehmender Breite abnimmt.

9. Ultraschallwandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,

daß das innere Ende des sich verjüngenden spiralförmigen Leiters (64) geringere Breite als sein äußeres Ende aufweist.

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10- Ultraschallwandler nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch

Mittel zum Anschließen des äußeren Endes des spiralförmigen Leiters an einen Sender zur Aktivierung des Wandlers, so daß dieser fokussierte Ultraschallenergie in das Prüfobjekt (88) abstrahlt.

11. Ultraschallwandler nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch

ein hochpermeables Element (100; 174) angrenzend an den langen Streifenleiter (92; 164) zur Steigerung der verteilten Induktivität der Verzögerungsstrecke, wodurch die Fortpflanzungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen entlang dieser Strecke verringert und der Strahlbrennpunkt näher zum Wandler verschoben wird.

12. Ultraschallwandler nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch

eine ein Magnetfeld erzeugende Quelle (102; 176) in Verbindung mit dem hochpermeablen Element (100; 174) zur Einstellung von dessen Permeabilität, wodurch die Fortpflanzungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen entlang der Verzögerungsstrecke und der Strahlbrennpunkt des Wandlers einstellbar sind.

13. Ultraschallwandler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,

daß die das Magnetfeld erzeugende Quelle eine Spule (102; 176) angrenzend an das hochpermeable Element (100; 174) ist, und daß mit der Spule eine Stromversorgung zur Erregung der Spule gekoppelt ist.

14. Ultraschallwandler nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,

daß die Stromversorgung regelbar ist, so daß die Stärke des Magnetfelds und die Permeabilität des hochpermeablen Elements (100; 174) änderbar sind.

15.· Ultraschallwandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

daß die andere Elektrode (42) ebenfalls im wesentlichen spiralförmig und direkt entgegengesetzt zu der einen spiralförmigen Elektrode (22) angeordnet ist.

16. Ultraschallwandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

daß die andere Elektrode (24; 66; 74; 94; 144; 166) ein ebenes leitendes Element ist, das die andere Endfläche des piezoelektrischen Elements bedeckt und als Masseebene für den Streifenleiter wirkt.

17. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

ein hochpermeables Element (100; 174) angrenzend an den langen Streifenleiter (92; 164) zwecks Steigerung der verteilten Induktivität der Verzögerungsstrecke, wodurch die Fortpflanzungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen entlang dieser Strecke vermindert wird.

18. Ultraschallwandler nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch

eine ein Magnetfeld erzeugende Quelle (102; 176) in Verbindung mit dem hochpermeablen Element (100; 174) zur Einstellung der Permeabilität desselben, wodurch die Fortpflanzungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen entlang der Verzögerungsstrecke regelbar ist.

19. Ultraschallwandler nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet,

daß die das Magnetfeld erzeugende Quelle eine Spule (102; 176) benachbart dem hochpermeablen Element (100; 174) sowie eine Stromversorgung umfaßt, die an die Spule angeschlossen ist zur Erzeugung eines mit dem hochpermeablen Element koppelbaren Magnetfeldes.

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20i Ultraschallwandler nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch

Mittel zur Regelung der Stromversorgung, so daß das Magnetfeld änderbar ist.

21. Ultraschallwandler nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet,

daß das hochpermeable Element (100; 174) Ferrit ist.

22. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

an den langen Streifenleiter angrenzende Mittel zur Einstellung der Zeitverzögerung der Verzögerungsstrecke.

23. Ultraschallwandler nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch

ein Ultraschallwellen-Fokussierglied (98), das dem Wandler (80) zugeordnet ist, um den Brennpunkt der Ultraschallenergie relativ zum Wandler zu ändern.

24. Ultraschallwandler nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet,

daß das Ultraschallwellen-Fokussierglied eine akustische Linse (98) ist.

25. Ultraschallwandler nach Anspruch 24, dadurch gekennazeichnet,

daß die akustische Linse (98) an dem piezoelektrischen Element (90) entgegengesetzt zu dem langen Streifenleiter (92) befestigt ist.

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26. Ultraschallwandler nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch

Mittel zum Verbinden des inneren Endes des spiralförmigen Leiters (22) mit einem Sender (54), der den Wandler (50) aktiviert, so daß ein sich erweiternder Ultraschallenergiestrahl in das Prüfobjekt (88) gerichtet wird.

27. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß der eine lange Streifenleiter (164) zickzackförmig ist.

28. Ultraschallwandler nach Anspruch 27, gekennzeichnet durch

Mittel zum Verbinden eines Endes des zickzackförmigen Leiters (164) mit dem Sender zur Aktivierung des Wandlers (160) und Erzeugung eines Ultraschallenergiestrahls, dessen Wellenfront unter einem von Null verschiedenen Winkel (A oder B) relativ zu der einen Endfläche des piezoelektrischen Elements (162) verläuft.

29. Ultraschallwandler nach Anspruch 28, gekennzeichnet durch

Mittel zur Einstellung der zeitlichen Verzögerung der Verzögerungsstrecke zwecks Steuerung des Winkels (A oder B).

30. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß das piezoelektrische Element (142) im wesentlichen zylindrisch ist und daß die eine Elektrode aus mehreren konzentrischen spiralförmigen Leitern (146-1, 146-2) besteht.

31. Ultraschallwandler nach Anspruch 30, gekennzeichnet durch

Mittel zum elektrischen Parallelschalten der konzentrischen spiralförmigen Leiter (146-1, 146-2).

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32. Ultraschallsystem zur Prüfung des Inneren von Prüfobjekten, ζ. B. Körperteilen, wobei ein einen Sender und einen Empfänger umfassendes Betriebssystem vorgesehen ist, gekennzeichnet durch einen der Sende-Empfangseinheit zugeordneten Ultraschallwandler (80), der eine erste und eine zweite Elektrode (92, 94) auf entgegengesetzten Endflächen eines piezoelektrischen Elements (90) umfaßt, wobei wenigstens eine (92) der Elektroden ein langer Streifenleiter ist und die Wandlerelektroden die Leiter einer Verzögerungsstrecke zur Eigenverzögerung der Fortpflanzung elektromagnetischer Wellen entlang dieser Strecke bilden, und

eine Einheit (100, 102) zum Regeln der Verzögerung der Verzögerungsstrecke zwecks Änderung des Strahlverlaufs des Wandlers.

33. Ultraschallsystem nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet,

daß die Einheit (100, 102) zum Regeln der Verzögerung für die zeitliche Änderung des Strahlverlaufs zeitlich änderbar ist.

34. Ultraschallsystem nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet,

daß die Einheit zum Regeln der Verzögerung ein an den langen Streifenleiter (92) angrenzendes hochpermeables Element (100) umfaßt.

35. Ultraschallsystem nach Anspruch 34, gekennzeichnet durch

eine auf dem hochpermeablen Element (100) angeordnete Treiberspule (102) und

eine regelbare Stromversorgung, die mit der Treiberspule (102) gekoppelt ist zur Einstellung der Permeabilität des hochpermeablen Elements (100) und der zeitlichen Verzögerung der Verzögerungsstrecke.

36.· Ultraschallsystem nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet,

daß das piezoelektrische Element (90) zylindrisch und der lange Streifenleiter (92) spiralförmig ist.

37. Ultraschallsystem nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet,

daß das Betriebssystem an das äußere Ende der spiralförmigen Elektrode (92) angeschlossen ist, so daß der Wandler (80) ein fokussiertes Strahlmuster aufweist.

38. Ultraschallsystem nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet,

daß dem Wandler (80) eine akustische Fokussierlinse (98) zur akustischen Fokussierung des Wandlers zugeordnet ist.

39. Ultraschallsystem nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet,

daß der Sender des Betriebssystems an das innere Ende der spiralförmigen Elektrode angeschlossen ist, so daß der Wandler einen sich erweiternden Strahlverlauf aufweist.

40. Ultraschallsystem nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet,

daß der lange Streifenleiter (164) zickzackförmig ist.

41. Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung des Inneren eines PrüfObjekts,

gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

Beschallen wenigstens eines Teils des Prüfobjekts mit einem akustischen Energiestrahl und Empfangen akustischer Energie von innerhalb des Prüfobjekts und Umwandeln derselben in elektrische Signale an Verzögerungsstrecken-Elektroden eines Ultraschallwandlers, dessen Strahlverlauf von der Zeitverzögerung der Strecke abhängt.

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42.· Verfahren nach Anspruch 41,

dadurch gekennzeichnet,

daß die zeitliche Verzögerung des Wandlers zum Zweck der zeitlichen Änderung von dessen Strahlverlauf zeitlich geändert

43. Verfahren nach Anspruch 41,
dadurch gekennzeichnet,

daß der Ultraschallwandler einen fokussierten Strahlverlauf hat.

44. Verfahren nach Anspruch 43, bei dem akustische Echosignale von innerhalb des Prüfobjekts vom Wandler empfangen werden, gekennzeichnet durch

zeitliche Änderung der Zeitverzögerung des Wandlers in bezug auf die Tiefe, aus der die Echosignale empfangen werden, so daß die Fokussierung im wesentlichen auf das Niveau, von dem die Echosignale empfangen werden, erfolgt.

geänderte Ansprüche

45. Ultraschall-Sende- und/oder -Empfangs-Wandler, der Schalldruckwellen zum Einsatz bei der Ultraschallprüfung eines Prüfobjekts erzeugt und/oder empfängt, gekennzeichnet durch ein piezoelektrisches Element (20) mit zwei entgegengesetzten Endflächen, einer jeweils auf einer Endfläche angeordneten ersten bzw. zweiten Elektrode (22, 24), wobei wenigstens eine Elektrode (22) als langer Streifenleiter ausgebildet ist, der zusammen mit der anderen Elektrode (24) eine Verzögerungsstrecke zur Eigenverzögerung der Fortpflanzung elektromagnetischer Wellen entlang dieser Strecke durch die Eigenkapazität und die verteilte Induktivität der Verzögerungsstrecke bildet, und einem das piezoelektrische Element (20) durchsetzenden Loch für den elektrischen Widerstand (30), der die erste und die zweite Elektrode (22, 24) miteinander koppelt.

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46. Ultraschall-Sende- und/oder -Empfangs-Wandler, der
akustische Druckwellen zum Einsatz bei der Ultraschallprüfung eines Prüfobjekts erzeugt und/oder empfängt,
gekennzeichnet durch

ein piezoelektrisches Element (62) mit zwei entgegengesetzten Endflächen,

eine erste und eine zweite Elektrode (64, 66), die jeweils auf einer der Endflächen angeordnet sind, wobei wenigstens eine
Elektrode (64) als langer Streifenleiter ausgebildet ist, der zusammen mit der anderen Elektrode (66) eine Verzögerungsstrecke für die Eigenverzögerung der Fortpflanzung elektromagnetischer Wellen entlang derselben durch die Eigenkapazität
und die verteilte Induktivität der Verzögerungsstrecke bildet, Mittel zum akustischen Koppeln einer Endfläche des piezoelektrischen Elements (62) mit einem durch Ultraschall zu prüfenden Prüfobjekt (88), wobei das piezoelektrische Element im
wesentlichen zylindrisch und der lange Streifenleiter (64) im wesentlichen spiralförmig ist und sein inneres Ende am Zentrum der einen Endfläche des piezoelektrischen Elements endet und
wobei die Breite des spiralförmigen Leiters (64) sich vom einen zum anderen Ende desselben verjüngt zur Modifizierung der
Impedanz der Verzögerungsstrecke mit sich ändernder Leiterbreite, wodurch die Apodisation des Ultraschallwandlers (60)
einstellbar ist.

47. Ultraschallwandler nach Anspruch 46,
dadurch gekennzeichnet,

daß sich die Steigung des spiralförmigen Leiters (64) mit
abnehmender Breite desselben verringert.

48. Ultraschallwandler nach Anspruch 47,
dadurch gekennzeichnet,

daß das innere Ende des sich verjüngenden spiralförmigen
Leiters (64) geringere Breite als sein äußeres Ende aufweist.

49. Ultraschall-Sende- und/oder -Empfangs-Wandler, der akustische Druckwellen zum Einsatz bei der Ultraschallprüfung eines PrüfObjekts erzeugt und/oder empfängt, gekennzeichnet durch ein piezoelektrisches Element (90) mit zwei entgegengesetzten Endflächen,

eine erste (92) und eine zweite (94) Elektrode, die jeweils auf einer Endfläche angeordnet sind, wobei wenigstens eine Elektrode (92) als langer Streifenleiter ausgebildet ist, der zusammen mit der anderen Elektrode (94) eine Verzögerungsstrecke zur Eigenverzögerung der Fortpflanzung elektromagnetischer Wellen entlang dieser Strecke durch die Eigenkäpazität und verteilte Induktivität der Verzögerungsstrecke bildet, ein Element (98), das eine Endfläche des piezoelektrischen Elements (90) mit einem durch Ultraschall zu prüfenden Prüfobjekt (88) koppelt,

wobei das piezoelektrische Element (90) im wesentlichen zylindrisch und der lange Streifenleiter (92) im wesentlichen spiralförmig ist und das innere Ende des spiralförmigen Leiters am Zentrum der einen Endfläche des piezoelektrischen Elements (90) endet,

Mittel zum Verbinden des äußeren Endes des spiralförmigen Leiters (92) mit einem Sender zur Aktivierung des Wandlers (80), so daß fokussierte Ultraschallenergie in das Prüfobjekt (88) gestrahlt wird, und

ein hochpermeables Element (100) benachbart dem langen Streifenleiter (92) zur Steigerung der Eigenkapazität der Verzögerungsstrecke, wodurch die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Wellen entlang dieser Strecke verringert und der Strahlbrennpunkt näher zum Wandler (80) gebracht wird.

50. Ultraschallwandler nach Anspruch 49, gekennzeichnet durch

eine ein Magnetfeld erzeugende Quelle (102), die mit dem hochpermeablen Element (100) gekoppelt ist zur Regelung der Permeabilität desselben, wodurch die Fortpflanzungsgeschwindig-

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keit elektromagnetischer Wellen entlang der Verzögerungsstrecke sowie die Strahlfokussierung des Wandlers (80) einstellbar sind.

51. Ultraschallwandler nach Anspruch 50, dadurch gekennzeichnet,

daß die das Magnetfeld erzeugende Quelle eine Spule (102) auf dem hochpermeablen Element (100) ist und daß mit der Spule (102) zur Erregung derselben eine Stromversorgung gekoppelt ist.

52. Ultraschallwandler nach Anspruch 51, dadurch gekennzeichnet,

daß die Stromversorgung regelbar ist, so daß die Stärke des Magnetfelds und die Permeabilität des hochpermeablen Elements (100) änderbar sind.

53. Ultraschall-Sende- und/oder -Empfangs-Wandler, der zur Verwendung bei der Ultraschallprüfung eines Prüfobjekts akustische Druckwellen erzeugt und/oder empfängt, gekennzeichnet durch ein piezoelektrisches Element (162) mit zwei entgegengesetzten Endflächen,

eine jeweils auf einer Endfläche angeordnete erste (164) und zweite (166) Elektrode, wobei wenigstens die eine Elektrode (164) als langer Streifenleiter ausgebildet ist, der zusammen mit der anderen Elektrode (166) eine Verzögerungsstrecke zur Eigenverzögerung der Fortpflanzung elektromagnetischer Wellen entlang der Strecke durch die Eigenkapazität und verteilte Induktivität der Verzögerungsstrecke bildet, ein Element zum akustischen Koppeln der einen Endfläche des piezoelektrischen Elements (162) mit einem durch Ultraschall zu prüfenden Prüfobjekt (88), und

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ein hochpermeables Element (174) angrenzend an den langen Streifenleiter (164), so daß die verteilte Induktivität der Verzögerungsstrecke steigerbar ist, wodurch die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Wellen entlang der Strecke reduziert wird.

54. Ultraschallwandler nach Anspruch 53, gekennzeichnet durch

eine ein Magnetfeld erzeugende Quelle (176), die mit dem hochpermeablen Element (174) gekoppelt ist zur Regelung der Permeabilität desselben,wodurch die Portpflanzungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen entlang der Strecke änderbar ist.

55. Ultraschallwandler nach Anspruch 54, dadurch gekennzeichnet,

daß die das Magnetfeld erzeugende Quelle eine Spule (176) auf dem hochpermeablen Element (174) sowie eine mit der Spule (176) verbundene Stromversorgung umfaßt, so daß ein mit dem hochpermeablen Element koppelbares Magnetfeld erzeugbar ist.

56. Ultraschallwandler nach Anspruch 55, gekennzeichnet durch

Mittel zum Regeln der Stromversorgung, so daß das Magnetfeld änderbar ist.

57. Ultraschallwandler nach Anspruch 53, dadurch gekennzeichnet,

daß das hochpermeable Element (174) Ferrit ist.

58. Ultraschal1-Sende- und/oder -Empfangs-Wandler, der zur Verwendung bei der Ultraschallprüfung eines Prüfobjekts akustische Druckwellen erzeugt und/oder empfängt, gekennzeichnet durch ein im wesentlichen zylindrisches piezoelektrisches Element (142) mit zwei zueinander entgegengesetzten Endflächen,

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eine erste und eine zweite Elektrode (146-1, 146-2; 144), die jeweils auf einer der beiden Endflächen angeordnet sind, wobei wenigstens die eine Elektrode (146-1, 146-2) als langer Streifenleiter ausgebildet ist, der zusammen mit der anderen Elektrode (144) eine Verzögerungsstrecke zur Eigenverzögerung der Fortpflanzung elektromagnetischer Wellen entlang der Strecke durch die Eigenkapazität und die verteilte Induktivität der Strecke bildet, wobei die eine Elektrode mehrere konzentrische spiralförmige Leiter (146-1, 146-2) umfaßt, Mittel zum akustischen Koppeln der einen Endfläche des piezoelektrischen Elements (142) mit einem durch Ultraschall zu prüfenden Prüfobjekt (88), und

Mittel (148) zum elektrischen Parallelschalten der konzentrischen spiralförmigen Leiter (146-1, 146-2), wobei die äußeren Leiterenden elektrisch gekoppelt und die inneren Leiterenden elektrisch gekoppelt sind.

59. Ultraschallsystem zur Prüfung des Inneren von Prüfobjekten, z. B. Körperteilen, wobei das System ein Betriebssystem mit einer Sende-Empfangseinheit umfaßt,
gekennzeichnet durch einen Ultraschallwandler (80), der der Sende-Empfangseinheit zugeordnet ist und aufweist:

eine erste und eine zweite Elektrode (92, 94) auf jeweils entgegengesetzten Endflächen eines piezoelektrischen Elements (90), wobei wenigstens die eine Elektrode (92) ein langer Streifenleiter ist und die Wandlerelektroden (92, 94) die Leiter einer Verzögerungsstrecke zur Eigenverzögerung der Fortpflanzung elektromagnetischer Wellen entlang der Strecke bilden, und Mittel (100, 102) zum Einstellen der Verzögerung der Verzögerungsstrecke zwecks Änderung des Strahlverlaufs des Wandlers (80), wobei die Mittel zum "Ändern der Verzögerung der Verzögerungsstrecke ein hochpermeables Element (100) angrenzend an den langen Streifenleiter (92) umfassen.

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60.- Ultraschallsystem nach Anspruch 59, gekennzeichnet durch

eine Treiberspule (102) auf dem hochpermeablen Element (100) und eine regelbare Stromquelle, die mit der Treiberspule (102) gekoppelt ist zur Einstellung der Permeabilität des hochpermeablen Elements (100) und der Zeitverzögerung der Verzögerungsstrecke.