DE3635364A1

DE3635364A1 - Gruppenstrahler

Info

Publication number: DE3635364A1
Application number: DE19863635364
Authority: DE
Inventors: Hans-Peter Dipl Phys Schwarz; Bernd Dipl Phys Grohs
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1986-10-17
Filing date: 1986-10-17
Publication date: 1988-04-28
Also published as: DE3635364C2

Description

Die Erfindung betrifft einen Gruppenstrahler mit einer Vielzahl von Ultraschall erzeugenden Einzelstrahlern, die zum Fokussieren und Verschwenken des aus der Überlagerung der einzelnen Ultraschall-Signale resultierenden Schallbündels mit in ihrer Phase veränderbaren Wechselspannungssignalen beaufschlagbar sind.

Derartige Gruppenstrahler werden häufig als Phased-Array bezeichnet und gestatten es, in sehr flexibler Weise durch Überlagern zeitlich unterschiedlich verzögerter Ultraschallfelder Schallbündel zu verschwenken und/oder zu fokussieren. Bei Gruppenstrahlern, deren Einzelstrahler als rechteckige oder quadratische Matrix angeordnet sind, ist es möglich, ein elektronisches Schwenken in mindestens zwei Ebenen, die senkrecht aufeinander stehen, durchzuführen. Außerdem gestatten es solche Gruppenstrahler in verschiedenen Tiefen und Ebenen zu fokussieren. Nachteilig ist es jedoch, daß solche Matrix-Arrays schwierig herzustellen sind und sehr viele Einzelschwinger erfordern. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die Schallfelder unsymmetrisch sind.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Gruppenstrahler zu schaffen, der ein symmetrisches Schallfeld aufweist und ein elektronisches Schwenken in allen Ebenen des Raumes sowie einen elektronischen Punktfokus in verschiedene Tiefen in allen Ebenen gestattet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Einzelstrahler entlang wenigstens zwei konzentrisch verlaufenden Ringen angeordnet sind.

Vorzugsweise sind die Einzelstrahler als Segmente mit Abmessungen in der Größenordnung der Ultraschallwellenlänge ausgebildet, wobei sich die Segmente in Richtung auf den Mittelpunkt der Ringe nach innen verjüngen.

Durch die rotationssymmetrische Anordnung der Einzelstrahler ergibt sich ein symmetrisches Schallfeld, das in allen Ebenen des Raumes elektronisch geschwenkt werden kann. Außerdem ist ein elektronischer Punktfokus in verschiedenen Tiefen in allen Ebenen möglich. Von besonderem Vorteil ist es, daß das laterale Auflösungsvermögen in azimuthaler und elevativer Richtung gleich ist. Bei einem zweckmäßigen Ausführungsbeispiel der Erfindung werden lediglich 48 Einzelstrahler benötigt, wobei diese Zahl wesentlich niedriger als bei in etwa vergleichbaren Matrix-Arrays ist.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung für eine Ultraschallfrequenz von 2 MHz sowie weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Gruppenstrahler gemäß der Erfindung,

Fig. 2 einen radialen Schnitt durch den Gruppenstrahler gemäß Fig. 1,

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Ansteuerung des Gruppenstrahlers und

Fig. 4 eine Schaltungsanordnung zur Reduzierung der Ansteuerkanäle des Gruppenstrahlers durch Anschluß eines Multiplexers.

Der in Fig. 1 in einer Draufsicht dargestellte Gruppenstrahler verfügt über einen inneren Ring 101 und einen äußeren, konzentrisch zum inneren Ring 101 angeordneten äußeren Ring 102, wobei der innere Ring 101 in zwanzig und der äußere Ring 102 in achtundzwanzig Segmente unterteilt ist, weshalb der ringförmige Gruppenstrahler nachfolgend kurz als segmentiertes Ringarray bezeichnet wird.

Wie man in Fig. 1 erkennt, ist der äußere Ring 102 in achtundzwanzig Segmente unterteilt, die in Fig. 1 mit den Bezugszeichen 1 bis 28 versehen sind. Die zwanzig Segmente des inneren Rings 101 tragen die Bezugszeichen 29 bis 48.

Der innere Ring 101 und der äußere Ring 102 bestehen aus einem piezoelektrischen Material, so daß durch die Segmente 1-48 piezoelektrische Elemente als Einzelstrahler gebildet sind. Jedem Einzelstrahler oder Segment 1-48 sind frontseitige Elektrode 103 und eine rückseitige Elektrode 104 zugeordnet, die in Fig. 2 zu erkennen sind. Die vorderen Elektroden 103 sind gemeinsam verbunden und stellen die Massen dar. Die rückseitigen Elektroden 104 sind jeweils mit einem separaten Sender 105 und Empfänger 106 verbunden, was in Fig. 3 dargestellt ist.

Bei einer Longitudinalwellenanregung ergeben sich für eine Ultraschallfrequenz von 2 MHz bzw. bei einer Transversalwellenanregung für eine Ultraschallfrequenz von 1 MHz die nachfolgenden Dimensionierungen.

Der innere Radius R 1 des inneren Rings 101 des in Fig. 1 in einer Draufsicht dargestellten segmentierten Ringarrays beträgt 7,41 mm. Der äußere Radius R 2 des inneren Ringes 101 beträgt 10,41 mm. Der ringförmige Zwischenraum zwischen dem inneren Ring 101 und dem äußeren Ring 102 ist so gewählt, daß der Ringabstand 1,59 mm beträgt. Der innere Radius R 3 des äußeren Ringes 102 beträgt 12 mm, während der äußere Radius R 4 des äußeren Ringes 102 einen Radius von 15 mm aufweist, so daß das Ringarray eine Apertur von 30 mm besitzt. Die Fläche der Einzelstrahler beträgt ca. 2,5×2,5 mm. Die Länge und Breite der Einzelstrahler liegen in der Größenordnung der Wellenlänge. Das segmentierte Ringarray mit den oben erwähnten Abmessungen ist für eine Frequenz von 2 MHz ausgelegt. Man erkennt in Fig. 1, daß die Elektroden 103 bzw. 104 der Segmente 1 bis 48 sich nach innen in Richtung auf den Mittelpunkt der konzentrischen Ringe 101, 102 in ihrer Breite verjüngen.

Während die vorderen Elektroden 103 gemeinsam zur Bildung einer Masse verbunden sind, sind die rückseitigen Elektroden 104 mit einzelnen Anschlüssen versehen, von denen in Fig. 1 die Anschlüsse 204, 217, 231 und 240 mit gesonderten Bezugszeichen versehen sind.

Die Anschlüsse 204, 217, 231 und 240 sind auch in Fig. 2 dargestellt, die einen radialen Schnitt durch die Segmente 17, 40, 31 und 4 darstellt.

Das segmentierte Ringarray verfügt über ein topfförmiges Gehäuse 107, das zum größten Teil mit einem Backing-Material 108 ausgefüllt ist, durch das die Einzelstrahler rückwärtig abgeschlossen sind, um die nach hinten abgestrahlte Energie zu vernichten.

Wie man in Fig. 2 erkennt, sind die Einzelstrahler oder Segmente 17, 40, 31 und 4 von einem schwingungshemmenden Material, z. B. Kork 109 umgeben. Der Kork 109 füllt die Zwischenräume zwischen den einzelnen Segmenten 1 bis 48 und den Ringen 101, 102 aus. Nach vorne werden die Segmente 1 bis 48 durch eine oder mehrere Anpassungsschichten 117 an das Medium, das den Ultraschall aufnehmen soll, begrenzt. Als letzte Schicht folgt eine Verschleißsohle 116.

In Fig. 3 ist ein Blockschaltbild einer Ansteuerschaltung für das segmentierte Ringarray, das ein Phased-Array-System darstellt, wiedergegeben. Von den 48 durch die Segmente gebildeten Einzelstrahlern sind lediglich die ersten beiden als Strahler 1 und 2 sowie der letzte Einzelstrahler 48 dargestellt. Die Einzelstrahler 1 bis 48 sind jeweils an Sender 105 und Empfänger 106 angeschlossen, wobei über die Sender 105 Wechselspannungsimpulse eingespeist werden, wenn das Ringarray als Ultraschallsender dient und elektrische Signale über die Empfänger 106 ausgekoppelt werden, wenn das Ringarray als Ultraschallempfänger dient. Durch Verzögern der elektrischen Signale in Verzögerungsgliedern 120 ist es in der bei Gruppenstrahlern üblichen Weise möglich, eine Fokussierung und ein Verschwenken des Schallbündels zu erreichen. Die Verzögerungszeit für die Fokussierung ergibt sich aus der Gleichung:

t _i = ((fokx - x _i)² + (foky - y _i)² + ( fokz - z _i)²)^1/2 - (fokx² + foky² + fokz²)^1/2)/c,

wobei

fokx, foky, fokz= Raumkoordination des Fokuspunktesx _i, y _i, z _i= Schwerpunktkoordinaten einzelner Elemente des Ringarraysi= 1-48.

Für eine einfache Schwenkung ohne Fokussierung gilt:

t _i = - mid · sin (Gamma)/c

mit:
mid = Abstand zwischen dem Mittelpunkt des Ringarrays und dem Fußpunkt, der durch die Projektion des Schwerpunktes des jeweiligen Segmentes auf die Fußpunktgerade gebildet wird. Die Fußpunktgerade ist die Achse, die neben der Z-Achse die Schwenkebene festlegt.

Gamma=Raumwinkel, um den der Ultraschall ausgelenkt werden soll.

c=Schallgeschwindigkeit im Medium, in dem sich der Ultraschall ausbreiten soll.

Die für das Fokussieren bzw. Schwenken benötigten Verzögerungszeiten werden durch einen Mikrocomputer 121, der mit einem Terminal 125 verbunden ist, errechnet, der mit seinen Ausgängen einerseits einen Burstgenerator 122 und andererseits Synthesizer 123 ansteuert, die jedem Segment 1-48 jeweils gesondert zugeordnet sind. Der Ausgang des Burstgenerators 122 sowie die Ausgänge der Synthesizer 123 sind mit den Eingängen der Verzögerungsglieder 120 verbunden.

Da jede Schwenkung oder Fokussierung ein symmetrischer Vorgang ist, besitzen immer zwei Segmente 1-48 des segmentierten Ringarrays die gleiche Phasenbelegung. Es kann daher durch Vorschalten eines Multiplexers 124 in der in Fig. 4 dargestellten Weise die Hälfte der Ansteuerkanäle eingespart werden.

Claims

1. Gruppenstrahler mit einer Vielzahl von Ultraschall erzeugenden Einzelstrahlern, die zum Fokussieren und Verschwenken des aus der Überlagerung der einzelnen Ultraschall-Signale resultierenden Schallbündels mit in ihrer Phase veränderbaren Wechselspannungssignalen beaufschlagbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelstrahler (1 bis 48) entlang wenigstens zwei konzentrisch verlaufenden Ringen (101, 102) angeordnet sind.

2. Gruppenstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelstrahler als Segmente (1 bis 48) mit Abmessungen in der Größenordnung der Ultraschallwellenlänge ausgebildet sind, die sich in Richtung auf den Mittelpunkt der Ringe (101, 102) nach innen verjüngen.

3. Gruppenstrahler nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß entlang dem inneren Ring (101) 20 Einzelstrahler (29 bis 48) und entlang dem äußeren Ring (102) 28 Einzelstrahler (1 bis 28) vorgesehen sind.

4. Gruppenstrahler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Radius des inneren Ringes (101) 7,41 mm und der äußere Radius des äußeren Ringes (102) 15 mm beträgt, wobei der Ringabstand 1,59 mm beträgt.

5. Gruppenstrahler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die frontseitigen Elektroden (103) der Einzelstrahler (1 bis 48) miteinander verbunden sind, während die rückseitigen Elektroden (104) mit jeweils einem Sender (105) und Empfänger (106) verbunden sind.

6. Gruppenstrahler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (103, 104) auf zwei konzentrisch angeordneten, in Segmente (1 bis 48) unterteilten Ringen (101, 102) aus piezoelektrischem Material angeordnet sind.

7. Gruppenstrahler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenräume zwischen den Einzelstrahlern (1 bis 48) mit einem schwingungshemmenden Material (109) ausgefüllt sind.

8. Gruppenstrahler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das schwingungshemmende Material Kork (109) ist.

9. Gruppenstrahler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelstrahler (1 bis 48) auf ihrer Rückseite mit einem die nach hinten abgestrahlten Energie vernichtenden Backing-Material (108) abgeschirmt sind.

10. Gruppenstrahler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelstrahler (1 bis 48) auf ihrer Vorderseite durch eine oder mehrere Anpassungsschichten (117) bedeckt sind.