DE3635364C2

DE3635364C2 -

Info

Publication number: DE3635364C2
Application number: DE19863635364
Authority: DE
Inventors: Hans-Peter Dipl.-Phys. 6620 Voelklingen De Schwarz
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: 1989-07-13
Also published as: DE3635364A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler mit einer Vielzahl von an eine Ansteuerschaltung mit Ver zögerungselementen angeschlossenen, Ultraschall erzeu genden Einzelstrahlern, die entlang wenigstens zweier konzentrisch verlaufender Ringe in einer Ebene ange ordnet sind und die Gestalt sich in Richtung auf den Mittelpunkt der Ringe verjüngender Segmente mit Abmes sungen in der Größenordnung der Ultraschallwellenlänge haben.

Ein derartiger Ultraschallwandler ist aus der DE-OS 32 14 789 bekannt, bei der zur Annäherung an eine Kreis form Dreieckselemente aneinandergesetzt sind, die durch Einarbeiten von Spalten in Gestalt von Polygonzügen in Einzelstrahler unterteilt werden. In radialer Richtung sind diese Einzelstrahler durch das keramische Material nicht völlig zerteilende Spalten akustisch entkoppelt. In Umfangsrichtung ist eine Entkopplung weder vorge sehen noch erforderlich, da die entlang einem Ring angeordneten Einzelstrahler mittels Kontaktbrücken miteinander verbunden sind und somit in Umfangsrichtung durchgehende Ringelemente gebildet werden. Jeder der der Kreisform angenäherten eckigen Ringe ist mit einer Signalleitung verbunden, über die jeder Ring indivi duell angesteuert werden kann, um eine dynamische Fokussierung entlang seiner Symmetrieachse zu er möglichen.

Aus der DE-OS 26 04 048 ist eine Einrichtung zur Er zeugung einer bestimmten Richtcharakteristik bekannt, deren akustische Wandlerelemente auf einer Anordnung mit einer gekrümmten Form, die im wesentlichen zylin drisch sein kann, vorgesehen sind. Die Wandlerelemente sind jeweils in Ringen um eine gemeinsame Mittelachse angeordnet, die bezüglich dieser Mittelachse in ver schiedenen Ebenen liegen.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Er findung die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschallwandler der eingangs genannten Art zu schaffen, der es gestattet, mit möglichst wenigen Einzelstrahlern ein Raum volumen mit einem lateralen Auflösungsvermögen abzu tasten, das in azimutaler und elevativer Richtung gleich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jeder Einzelstrahler in einem schwindungshemmenden Material eingebettet und über eine individuelle An schlußleitung mit der Ansteuerschaltung verbunden ist.

Durch die rotationssymmetrische Anordnung der Ein zelstrahler in Verbindung mit ihrem individuellen Anschluß 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. 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 Ausgestal tungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen ge kennzeichnet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausfüh rungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Ultraschallwandler in Gestalt eines Gruppen strahlers,

Fig. 2 einen radialen Schnitt durch den Gruppen strahler gemäß Fig. 1,

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

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

Der in Fig. 1 in einer Draufsicht dargestellte Gruppen strahler 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 achtunzwanzig 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 Einzel strahler gebildet sind. Jedem Einzelstrahler oder Segment 1-48 sind eine 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 Masse 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 Ring array 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 ver jüngen.

Während die vorderen Elektroden 103 gemeinsam zur Bildung einer Masse verbunden sind, sind die rücksei tigen Elektroden 104 mit einzelnen Anschlüssen ver sehen, 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 topfför miges 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, 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 Anpassungs schichten 117 an das Medium, das den Ultraschall auf nehmen soll, begrenzt. Als letzte Schicht folgt eine Verschleißsohle 116.

In Fig. 3 ist ein Blockschaltbild einer Ansteuerschal tung für das segmentierte Ringarray, das ein Phased-Array-System darstellt, wiedergegeben. Von den 48 durch die Segmente gebildeten Einzelstrahlern sind lediglich die ersten beiden Strahler 1 und 2 sowie der letzte Einzelstrahler 48 dargestellt. Die Einzel strahler 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 105 ausgekoppelt werden, wenn das Ringarray als Ultraschallempfänger dient. Durch Verzögern der elektrischen Signale in Verzög gerungsgliedern 120 ist es in der bei Gruppenstrahlern üblichen Weise möglich, eine Fokussierung und ein Ver schwenken des Schallbündels zu erreichen. Die Verzö gerungszeit 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 Fokuspunk tes
x _i, y_i, z_i = Schwerpunktkoordinaten ein zelner Elemente des Ringarrays
i = 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 Schwer punktes des jeweiligen Segmentes auf die Fußpunktgerade gebildet wird. Die Fußpunktgerade ist die Achse, die neben der Z-Asche die Schwenkebene festlegt.
Gamma = Raumwinkel, um den der Ultraschall ausgelenkt werden soll.
c = Schallgeschwindigkeit im Medium, in dem sich der Ultraschallausbreiten soll.

Die für das Fokussieren bzw. Schwenken benötigten Ver zögerungszeiten werden durch einen Mikrocomputer 121, der mit einem Terminal 125 verbunden ist, errechnet, der mit seinen Ausgängen einerseits einen Burstgenera tor 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 Ver zögerungsglieder 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 Mulitplexers 124 in der in Fig. 4 dargestellten Weise die Hälfte der An steuerkanäle eingespart werden.

Claims

1. Ultraschallwandler mit einer Vielzahl von an eine Ansteuerschaltung mit Verzögerungselementen an geschlossenen, Ultraschall erzeugenden Einzel strahlern, die entlang wenigstens zweier konzen trisch verlaufender Ringe in einer Ebene angeord net sind und die Gestalt sich in Richtung auf den Mittelpunkt der Ringe verjüngender Segmente mit Abmessungen in der Größenordnung der Ultraschall wellenlänge haben, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Einzelstrahler (1 bis 48) in einem schwingungshemmenden Material (109) einge bettet und über eine individuelle Anschlußleitung (204 bis 240) mit der Ansteuerschaltung (12) bis 124) verbunden ist.

2. Gruppenstrahler nach Anspruch 1, 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.

3. Gruppenstrahler nach Anspruch 1 oder 2, da durch gekennzeichnet, daß die front seitigen 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.

4. Gruppenstrahler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das schwingungshemmende Material Kork (109) ist.

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

6. Gruppenstrahler nach einem der vorstehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelstrahler (1 bis 48) auf ihrer Vorder seite durch eine oder mehrere Anpassungsschichten (117) bedeckt sind.