DE4209525C1 - Restoring output signal of diaphragm hydrophone - removing artifacts by subtracting correction signal derived from output signal - Google Patents
Restoring output signal of diaphragm hydrophone - removing artifacts by subtracting correction signal derived from output signalInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Signalrestauration des Ausgangssignals eines Membran hydrophons, wobei an die eine Seite der Membran ein Medium angrenzt, das wenigstens im wesentlichen die gleiche aku stische Impedanz wie ein an die andere Seite der Membran angrenzendes Medium aufweist, und wobei die akustischen Impedanzen der vorzugsweise identischen Medien von der akustischen Impedanz des Materials der Membran unterschied lich sind.The invention relates to a method and a device for signal restoration of the output signal of a membrane hydrophonic, with a medium on one side of the membrane adjacent, which is at least essentially the same aku static impedance like one on the other side of the membrane has adjacent medium, and wherein the acoustic Impedances of the preferably identical media from the acoustic impedance of the material of the membrane differed are.
Membranhydrophone, deren Membran normalerweise aus einer in wenigstens einem Bereich, nämlich der sogenannten Meßzone, piezoelektrisch aktivierten Polymerfolie, beispielsweise Polyvinylidenfluorid (PVDF), gebildet sind, werden unter anderem zur Messung des Druckes in der Fokuszone von Litho triptern verwendet. Bei Lithotriptern handelt es sich um Geräte, die zur Therapie von Steinleiden verwendet werden, wobei fokussierte akustische Wellen, insbesondere sogenannte Stoßwellen, also Druckimpulse mit extrem steiler Anstiegs front, in den Patienten eingeleitet werden, wo sie auf den im Fokus der akustischen Wellen plazierten Stein treffen, der unter der Einwirkung der fokussierten akustischen Wellen zerfällt. Es versteht sich, daß es im Interesse der Sicher heit des Patienten unerläßlich ist, Lithotripter periodisch hinsichtlich des Spitzendruckes der erzeugten fokussierten akustischen Wellen, der in der Regel in der Größenordnung von mehreren 100 bar liegt, zu überprüfen. Die Wirkungsweise piezoelektrischer Membranhydrophone beruht übrigens darauf, daß durch Einwirkung akustischer Wellen ein Wechselladungs signal erzeugt wird, das von der piezoelektrischen Polymerfolie mittels Elektroden durch galvanische oder kapazitive Koppelung abgenommen wird.Membrane hydrophones, the membrane of which normally consists of an in at least one area, namely the so-called measuring zone, piezoelectrically activated polymer film, for example Polyvinylidene fluoride (PVDF) are formed under other for measuring the pressure in the focal zone of Litho used tripters. Lithotripters are Devices used to treat stone ailments where focused acoustic waves, especially so-called Shock waves, i.e. pressure pulses with an extremely steep rise front, into the patient, where they are on the hit the stone placed in the focus of the acoustic waves, under the action of the focused acoustic waves disintegrates. It is understood that it is in the interest of the safe is essential for the patient, lithotripter periodically regarding the peak pressure of the focused ones generated acoustic waves, which is usually of the order of magnitude of several 100 bar. The mode of action By the way, piezoelectric membrane hydrophones rely on that an alternating charge due to the action of acoustic waves signal is generated by the piezoelectric polymer film by means of electrodes by galvanic or capacitive Coupling is removed.
Es ist allgemein bekannt, daß bei Membranhydrophonen im elektrischen Ausgangssignal typische Artefakte enthalten sind. Von Bedeutung ist hierbei insbesondere eine als "Folienresonanz" bekannte Amplitudenüberhöhung im Ausgangs signal, die typischerweise 3dB beträgt. Eine Amplituden überhöhung in dieser Größenordnung ist nicht mehr vernach lässigbar.It is generally known that in membrane hydrophones in electrical output signal contain typical artifacts are. Of particular importance here is an "Foil resonance" known amplitude increase in the output signal, which is typically 3dB. An amplitude cant of this magnitude is no longer negligible casual.
Es ist zwar möglich, das Ausgangssignal durch graphische Extrapolation zu korrigieren, hierzu ist es jedoch erforder lich, das Ausgangssignal in geeigneter Weise graphisch auf zuzeichnen. Außerdem kann die graphische Extrapolation nur von besonders geschultem Personal vorgenommen werden, wobei selbst dann subjektive Einflüsse eine exakte Ermittlung des Spitzendruckes verhindern. Eine direkte Auswertung des Aus gangssignales, beispielsweise mittels eines Datenerfassungs systems, ist bei dieser Sachlage nicht möglich. Es bestünde zwar grundsätzlich die Möglichkeit, die graphische Extra polation mittels einer elektronischen Recheneinrichtung vor zunehmen, jedoch ist dies mit einem erheblichen Aufwand verbunden.Although it is possible to graphically output the output signal Correct extrapolation, but this is necessary Lich, the output signal in a suitable manner graphically to draw. In addition, the graphical extrapolation can only be carried out by specially trained personnel, whereby even then subjective influences an exact determination of the Prevent peak pressure. A direct evaluation of the Aus gear signals, for example by means of a data acquisition systems, is not possible in this situation. It would exist basically the possibility of the graphic extra polation by means of an electronic computing device increase, however, this is with a considerable effort connected.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, das es auf einfache Weise ermöglicht, das Ausgangssignal von Membranhydrophonen dahin gehend zu restaurieren, daß die durch die sogenannte Folien resonanz bedingten Artefakte möglichst weitgehend eliminiert sind. Außerdem soll das Verfahren die Voraussetzung für eine einfache automatische Signalrestauration bieten. Der Erfin dung liegt weiter die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens anzugeben, die ein fach und kostengünstig aufgebaut ist und die Signalrestau ration selbsttätig durchführt.The invention has for its object a method of Specify the type mentioned that it is simple allows the output signal from membrane hydrophones to go there going to restore that through the so-called foils resonance-related artifacts are largely eliminated are. In addition, the procedure should be the prerequisite for a provide simple automatic signal restoration. The inventor dung is further the object of a device for Carrying out such a procedure specify the one is constructed professionally and inexpensively and the signal rest ration carried out automatically.
Nach der Erfindung wird die das Verfahren betreffende Auf gabe dadurch gelöst, daß aus dem Ausgangssignal ein Korrek tursignal abgeleitet wird und daß dieses mit dem Ausgangs signal kombiniert wird, z. B. durch Addition oder Subtrak tion, wobei das Korrektursignal derart beschaffen ist, daß in dem Ausgangssignal enthaltene, insbesondere durch Mehr fachreflexionen in der Membran verursachte Artefakte nach der Kombination wenigstens im wesentlichen beseitigt sind. Insbesondere ist vorgesehen, daß von dem Ausgangssignal ein Korrektursignal subtrahiert wird, bei dem es sich um das mit dem zwischen der Membran und dem in Schallausbreitungsrich tung vor der Membran befindlichen bzw. dem in Schallausbrei tungsrichtung hinter der Membran befindlichen Medium wirk samen Reflexionsfaktor multiplizierte und um die Schallauf zeit des akustischen Signals durch die Membran verzögerte Ausgangssignal handelt, wobei die Multiplikation unter Be rücksichtigung des Vorzeichens des Reflexionsfaktors zu er folgen hat. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß ursächlich für die als Folienresonanz beschriebenen Arte fakte die in der Membran auftretenden Mehrfachreflexionen sind. In diesem Zusammenhang wurde gefunden, daß ein die als Folienresonanz bezeichneten Artefakte enthaltendes Ausgangs signal des Membranhydrophons dem Faltungsprodukt aus dem zeitlichen Verlauf des Druckes eines dem Membranhydrophon zugeführten akustischen Signals einerseits und einer die Mehrfachreflexionen in der Membran unter Berücksichtigung des Reflexionsfaktors beschreibenden Folge von Dirac-Impul sen andererseits proportional ist, wobei die Dirac-Impulse in Zeitabständen aufeinanderfolgen, die jeweils der Schallaufzeit des akustischen Signals durch die Membran entspre chen, und vorzeichenrichtig die Amplituden der Mehrfach reflexionen wiedergeben. Außerdem wurde gefunden, daß die genannten Artefakte beseitigt werden können, wenn von dem die Artefakte enthaltenden Ausgangssignal das Faltungspro dukt aus der um die Schallaufzeit des akustischen Signals durch die Membran verzögerten Folge von Dirac-Impulsen einerseits und dem mit dem Reflexionsfaktor multiplizierten Ausgangssignal andererseits subtrahiert wird. Schließlich wurde gefunden, daß das von dem Ausgangssignal zu subtrahie renden Faltungsprodukt dem mit dem Reflexionsfaktor unter Berücksichtigung von dessen Vorzeichen multiplizierten und um die Schallaufzeit des akustischen Signals durch die Mem bran verzögerten Meßsignal entspricht. Es wird somit deut lich, daß durch das erfindungsgemäße Verfahren das Ausgangs signal in dem Sinne restauriert wird, daß die durch die Folienresonanz bedingten Artefakte zumindest weitgehend be seitigt sind. Es sind somit aufwendige, vom Bedienpersonal durchzuführende Verfahrensschritte wie die graphische Extra polation und dgl. vermieden. Damit sind zugleich die Voraus setzungen für eine einfache automatische Erfassung des Aus gangssignals geschaffen.According to the invention, the method related to solved in that a correction from the output signal tursignal is derived and that this with the output signal is combined, e.g. B. by addition or subtrak tion, wherein the correction signal is such that contained in the output signal, in particular by more subject reflections in the membrane caused artifacts the combination are at least substantially eliminated. In particular, it is provided that a of the output signal Correction signal is subtracted, which is the with the one between the membrane and the one in the sound propagation direction tion in front of the membrane or in the sound spread medium behind the membrane multiplied seed reflection factor and by the sound time of the acoustic signal delayed by the membrane Output signal is, the multiplication under Be taking the sign of the reflection factor into account has to follow. The invention is based on the knowledge that causal for the kinds described as foil resonance fact the multiple reflections occurring in the membrane are. In this connection, it was found that the as Output called foil resonance containing artifacts signal of the membrane hydrophone the folding product from the temporal course of the pressure of the membrane hydrophone supplied acoustic signal on the one hand and one the Multiple reflections in the membrane taking into account of the sequence of Dirac impulses describing the reflection factor sen, on the other hand, is proportional, with the Dirac pulses at successive intervals, each of the sound propagation times correspond to the acoustic signal through the membrane chen, and with the correct sign the amplitudes of the multiple play reflections. It was also found that the mentioned artifacts can be eliminated if by the the output signal containing the artifacts the convolution pro derives from the sound propagation time of the acoustic signal sequence of Dirac pulses delayed by the membrane on the one hand and that multiplied by the reflection factor Output signal on the other hand is subtracted. In the end was found to subtract from the output signal convolution product with the reflection factor below Taking into account its sign multiplied and the sound propagation time of the acoustic signal through the mem corresponds to the delayed measurement signal. It becomes clear Lich that the output by the inventive method signal is restored in the sense that by the Foil resonance-related artifacts at least largely are sided. It is therefore expensive, by the operating personnel Process steps to be carried out such as the graphic extra polation and the like avoided. This is also the advance settings for a simple automatic detection of the off output signal created.
Es ist darauf hinzuweisen, daß durch das erfindungsgemäße Verfahren diejenigen Verzerrunger des Ausgangssignals, die durch die Integration des Signals über die Dicke der Membran zustandekommt und sich in einer gegenüber dem akustischen Signal erhöhten Anstiegszeit des Ausgangssignals äußert, nicht eliminiert werden. Solange es jedoch darum geht, den Spitzendruck und nicht die Anstiegszeit der akustischen Signale zu messen, ist die genannte Verzerrung tolerabel.It should be noted that the inventive Process those distortion of the output signal that by integrating the signal across the thickness of the membrane comes about and is in an opposite to the acoustic Signal expresses increased rise time of the output signal, cannot be eliminated. As long as it is about the Peak pressure and not the rise time of acoustic The measured distortion is tolerable to measure signals.
Der die Vorrichtung betreffende Teil der Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gelöst, welche Mittel zum Kombinieren des Ausgangssignals des Membranhydrophons mit einem verzögerten Signal aufweist, denen das Ausgangssignal zum einen direkt und zum anderen als das verzögerte Signal nach Durchlaufen einer Verzögerungsstrecke zugeführt ist, wobei die Verzöge rungszeit der Verzögerungsstrecke der Schallaufzeit des akustischen Signals durch die Membran entspricht, und wobei die Mittel zum Kombinieren das Ausgangssignal des Membran hydrophons und das verzögerte Signal in einer solchen Weise kombinieren, daß das kombinierte Signal der Differenz zwi schen dem Ausgangssignal des Membranhydrophons und dem mit dem zwischen der Membran und dem in Schallausbreitungsrich tung vor der Membran befindlichen bzw. der Membran und dem in Schallausbreitungsrichtung hinter der Membran befind lichen Medium wirksamen Reflexionsfaktor unter Berücksich tigung von dessen Vorzeichen multiplizierten verzögerten Signal entspricht. Aus der vorstehenden Erläuterung des er findungsgemäßen Verfahrens wird deutlich, daß die erfin dungsgemäße Vorrichtung ein Meßsignal liefert, das von durch die Folienresonanz bedingten Artefakten zumindest weitgehend frei ist. Falls der Reflexionsfaktor positiv ist, müssen die Mittel zum Kombinieren als Subtrahierer wirken. Im Falle eines negativen Reflexionsfaktors können die Mittel zum Kom binieren als Summationspunkt oder Addierer ausgeführt sein, was den Vorteil des gegenüber einem Subtrahierer einfacheren Aufbaus bietet.The part of the task relating to the device is performed by solved a device, which means for combining the Output signal of the membrane hydrophone with a delayed Signal that the output signal on the one hand directly and other than the delayed signal after passing through a delay line is supplied, the delays time of the delay path of the sound propagation time of the acoustic signal through the membrane corresponds, and wherein the means for combining the output signal of the membrane hydrophonic and the delayed signal in such a way combine that the combined signal of the difference between rule the output signal of the membrane hydrophone and with the one between the membrane and the one in the sound propagation direction tion in front of the membrane or the membrane and the located behind the membrane in the direction of sound propagation medium effective reflection factor under consideration of its sign multiplied delayed Signal corresponds. From the above explanation of the he inventive method it is clear that the inventions device according to the invention provides a measurement signal by the film resonance caused artifacts at least largely free is. If the reflection factor is positive, the Combination means act as subtractors. In the event of a negative reflection factor, the means for com binary as a summation point or adder, which has the advantage of being simpler than a subtractor Construction offers.
Es ist leicht einzusehen, daß das Meßsignal problemlos bei spielsweise automatisch weiterverarbeitet werden kann. Da zur Signalrestaurierung lediglich die Mittel zum Kombinie ren, d. h. ein Subtrahierer oder ein Addierer bzw. Summa tionspunkt und eine Verzögerungsleitung erforderlich sind, wird deutlich, daß der zur Signalrestauration zu betreibende Aufwand äußerst gering ist und ein einfacher Aufbau der Vor richtung gewährleistet ist. Gemäß einer besonders vorteil haften Variante der Erfindung ist die Verzögerungsstrecke durch einen elektrischen Leiter, insbesondere eine Koaxial leitung, gebildet, dessen Länge derart gewählt ist, daß das verzögerte Signal an dem Summationspunkt gegenüber dem Aus gangssignal um eine Zeit verzögert ist, die gleich der Schallaufzeit des akustischen Signals durch die Membran ist. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, die Verzögerungsstrecke unter Verwendung von tapped delay-IC′s, CCDs, BBDs oder Oberflächenwellenfiltern zu realisieren.It is easy to see that the measurement signal with no problems can be automatically processed for example. There only the combination means for signal restoration ren, d. H. a subtractor or an adder or summa point and a delay line are required it becomes clear that the one to be operated for signal restoration Effort is extremely low and a simple structure of the front direction is guaranteed. According to a particularly advantageous stick variant of the invention is the delay line through an electrical conductor, in particular a coaxial line, formed, the length of which is chosen such that the delayed signal at the summation point opposite the off output signal is delayed by a time equal to Sound propagation time of the acoustic signal through the membrane is. However, there is also the option of using the delay line using tapped delay IC's, CCDs, BBDs or to implement surface wave filters.
Gemäß einer weiteren er findungsgemäßen Lösung des die Vor richtung betreffenden Aufgabenteiles ist vorgesehen, daß die Vorrichtung einen Analog/Digital-Wandler, dem das Ausgangs signal des Membranhydrophons zugeführt ist, und eine digita le Signalverarbeitungseinheit aufweist, der die Ausgangs daten des Analog/Digital-Wandlers zugeführt sind, wobei die digitale Signalverarbeitungseinheit die Ausgangssignale des Analog/Digital-Wandlers in einer solchen Weise verarbeitet, daß die Ausgangsdaten der digitalen Signalverarbeitungsein heit die Differenz des Ausgangssignals und eines Korrektur signals repräsentieren, welches dem mit dem zwischen der Membran und dem in Schallausbreitungsrichtung vor der Mem bran befindlichen bzw. dem in Schallausbreitungsrichtung hinter der Membran befindlichen Medium wirksamen Reflexions faktor multiplizierten und um die Schallaufzeit des akusti schen Signals durch die Membran verzögerten Ausgangssignals entspricht. In Abhängigkeit davon, wie sich die weitere Signalverarbeitung gestaltet, können die Ausgangsdaten der digitalen Signalverarbeitungseinheit direkt als digitale Daten oder nach einer Digital/Analog-Umsetzung als analoge Daten bzw. Signale weiterverarbeitet werden.According to a further he inventive solution of the front direction relevant part of the task is provided that the Device an analog / digital converter to which the output Signal of the membrane hydrophone is supplied, and a digita le signal processing unit having the output Data of the analog / digital converter are supplied, the digital signal processing unit the output signals of the Analog / digital converter processed in such a way that the output data of the digital signal processing is the difference between the output signal and a correction represent signals which corresponds to the one between the Membrane and that in the direction of sound propagation in front of the membrane bran located or in the direction of sound propagation medium behind the membrane effective reflection factor multiplied and by the sound time of the acousti signal through the membrane delayed output signal corresponds. Depending on how the other Signal processing designed, the output data of the digital signal processing unit directly as digital Data or after a digital / analog conversion as analog Data or signals are processed further.
Es versteht sich, daß im Falle des erfindungsgemäßen Ver fahrens und der zuletzt erläuterten erfindungsgemäßen Vor richtung die Subtraktion eines dem mit dem des Reflexions faktor multiplizierten und um die Schallaufzeit durch die Membran verzögerten Ausgangssignal entsprechenden verzöger ten Signal von dem Ausgangssignal auch durch andere als die beschriebenen Operationen ersetzt sein kann, die in ihrer Wirkung der beschriebenen Differenzbildung gleichkom men.It is understood that in the case of the Ver driving and the last explained invention direction the subtraction of that with that of reflection multiplied by the sound propagation time by the Diaphragm delayed output signal corresponding delay th signal from the output signal by other than that described operations can be replaced in their Effect of the difference formation described men.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den beigefügten Zeichnungen im Zusammenhang mit der Messung des Druckes von Stoßwellen mit Hilfe eines piezoelektrischen Membranhydro phons beschrieben. Es zeigen:Embodiments of the invention are in the accompanying Drawings related to the measurement of the pressure of Shock waves using a piezoelectric membrane hydro Phons described. Show it:
Fig. 1 bis 3 erfindungsgemäße Vorrichtungen zur Signal restauration in grob schematischer Darstellung, und Fig. 1 to 3 according to the invention apparatus for signal restoration in highly schematic representation, and
Fig. 4 und 7 Varianten des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 3. FIGS. 4 and 7 variants of the embodiment of FIG. 3.
In der Fig. 1 ist ein piezoelektrisches Membranhydrophon 1 dargestellt, das abgesehen davon, daß seine Elektroden 2 und 3 als Gitterelektroden ausgeführt sind, mit dem Membran hydrophon gemäß Fig. 2 des US-Patentes 50 56 069 überein stimmt. Alle wesentlichen Informationen bezüglich des Auf baus und der Funktionsweise des Membranhydrophons 1 können daher diesem US-Patent entnommen werden. Das Membranhydro phon 1 weist als Membran eine in ihrer zentralen Meßzone 4 piezoelektrisch aktivierte Polymerfolie 5 auf, die bei spielsweise aus Polyvinylidenfluorid (PVDF) gebildet ist. Die beiden Elektroden 2 und 3 sind über flüssigkeitsdicht aus dem Gehäuse 6 des Membranhydrophons herausgeführte Leitungen mit einem Verstärker 7 verbunden.In FIG. 1, a piezoelectric membrane hydrophone 1 is shown, which apart from the fact that its electrodes are designed as grid electrodes 2 and 3, with the membrane hydrophone according to Fig. 2 of the US patent 50 56 069 is consistent. All essential information regarding the construction and operation of the membrane hydrophone 1 can therefore be found in this US patent. The membrane hydrophone 1 has as a membrane in its central measuring zone 4 piezoelectrically activated polymer film 5 , which is formed for example from polyvinylidene fluoride (PVDF). The two electrodes 2 and 3 are connected to an amplifier 7 via lines which are led out of the housing 6 of the membrane hydrophone in a liquid-tight manner.
Der gesamte Innenraum des Gehäuses 6 ist mit einem flüssigen akustischen Ausbreitungsmedium 8 gefüllt, das beiderseits an die Polymerfolie 5 angrenzt. Beiderseits der Membran liegt also die gleiche akustische Impedanz vor.The entire interior of the housing 6 is filled with a liquid acoustic propagation medium 8 , which adjoins the polymer film 5 on both sides. The acoustic impedance is the same on both sides of the membrane.
Das Membranhydrophon 1 seinerseits ist in einem flüssigen akustischen Ausbreitungsmedium 9, beispielsweise Wasser, an geordnet, in dem sich eine schematisch angedeutete fokus sierte Stoßwelle SW mit einer sphärischen Wellenfront aus breitet. Die Stoßwelle SW kann beispielsweise mittels eines Lithotripters erzeugt sein. Das Membranhydrophon 1 ist der art angeordnet, daß sich die Meßzone 4 der Polymerfolie 5 in der Fokuszone der Stoßwelle SW befindet. Das Zentrum der Fokuszone ist in Fig 1 mit F bezeichnet. Bei der Stoßwelle SW ist in Fig. 1 der zeitliche Verlauf des Druckes p über der Zeit t dargestellt. Wie die obere Darstellung zeigt, weist die Stoßwelle SW eine sehr steil ansteigende Wellen front auf, die nach Erreichen des Maximums etwa exponentiell abfällt und anschließend stark gedämpft ausschwingt. In der unteren Darstellung ist der erste Teil der Stoßwelle SW, der in der oberen Darstellung zwischen der p-Achse und der parallel zu dieser verlaufenden strichlierten Linie darge stellt ist, mit stark gedehntem Zeitmaßstab dargestellt.The membrane hydrophone 1 in turn is arranged in a liquid acoustic propagation medium 9 , for example water, in which a schematically indicated focused shock wave SW spreads out with a spherical wavefront. The shock wave SW can be generated, for example, by means of a lithotripter. The membrane hydrophone 1 is arranged in such a way that the measuring zone 4 of the polymer film 5 is in the focus zone of the shock wave SW. The center of the focus zone is designated F in FIG. 1 . In the case of the shock wave SW, the time course of the pressure p over time t is shown in FIG. 1. As the upper illustration shows, the shock wave SW has a very steeply rising wave front, which drops approximately exponentially after reaching the maximum and then swings out in a strongly dampened manner. In the lower illustration, the first part of the shock wave SW, which is shown in the upper illustration between the p-axis and the dashed line running parallel to this, is shown with a greatly expanded time scale.
Das durch das Auftreffen der Stoßwelle auf die piezoelek trisch aktivierte Meßzone 4 der Polymerfolie 5 hervorge rufene Wechselladungssignal wird durch die Elektroden 2 und 3 abgegriffen und dem Verstärker 7 zugeführt. Bei der in Schallausbreitungsrichtung vor der Polymerfolie 2 befind lichen Elektrode 3 handelt es sich um die Masseelektrode und bei der in Schallausbreitungsrichtung hinter der Polymer folie 5 befindlichen Elektrode 2 um die Signalelektrode.The caused by the impact of the shock wave on the piezoelectrically activated measuring zone 4 of the polymer film 5 alternating charge signal is tapped by the electrodes 2 and 3 and fed to the amplifier 7 . The electrode 3 located in front of the polymer film 2 in the direction of sound propagation is the ground electrode and the electrode 2 located behind the polymer film 5 in the direction of sound propagation is the signal electrode.
An den Ausgang des Verstärkers 7 ist eine Koaxialleitung 10 mit dem Wellenwiderstand ZL angeschlossen. Der Ausgang des Verstärkers 7 ist impedanzmäßig an den Wellenwiderstand der Koaxialleitung 10 angepaßt. Die in Fig. 1 strichliert ange deutete Abschirmung des Koaxialkabels ist an ihren beiden Enden mit Masse verbunden. Das Ausgangssignal Uaus des Mem branhydrophons 1, hierunter soll im vorliegenden Fall das Ausgangssignal der Koaxialleitung 10 verstanden werden, ge langt über der Koaxialleitung 10 zu einer Verzweigung, die als sogenanntes Y-Glied ausgeführt ist und die Widerstände R1 bis R3 enthält. Diese weisen jeweils den Widerstandswert 1/3 ZL auf. Durch das Y-Glied wird ein impedanzmäßig kor rekter Abschluß der Koaxialleitung 10 bewirkt und das Aus gangssignal Uaus rückwirkungsfrei auf zwei Koaxialleitungen 11 und 12 des Wellenwiderstandes ZL verzweigt. Deren Ab schirmungen sind wieder strichliert angedeutet und beider seits mit Masse verbunden. Außerdem ist zum impedanzmäßig korrekten Abschluß der Koaxialleitungen 11 und 12 an deren von dem Y-Glied entfernten Ende jeweils ein Widerstand R4 bzw. R5 des Widerstandswertes ZL gegen Masse geschaltet. Die Länge der Koaxialleitung 12 ist derart gewählt, daß die Signallaufzeit in der Koaxialleitung 12 um ein Maß länger ist als in der Koaxialleitung 11, das gleich der Laufzeit τ der Stoßwelle SW durch die Polymerfolie 5 ist. Bei ge gebener Länge der Koaxialleitung 11 läßt sich die erforder liche Länge der Koaxialleitung 12 leicht anhand der Wellen ausbreitungsgeschwindigkeiten in den Koaxialleitungen 11 und 12 errechnen. Am Ausgang der Koaxialleitung 12 steht also ein Signal zur Verfügung, das um die Laufzeit τ der Stoß welle SW durch die Polymerfolie 5 gegenüber dem am Ausgang der Koaxialleitung 11 vorliegenden Signal verzögert ist.A coaxial line 10 with the characteristic impedance Z L is connected to the output of the amplifier 7 . The output of the amplifier 7 is matched in impedance to the characteristic impedance of the coaxial line 10 . The dashed lines in Fig. 1 indicated shielding of the coaxial cable is connected at both ends to ground. The output signal U from the Mem hydrophone 1 , this is to be understood in the present case, the output signal of the coaxial line 10 , ge reaches over the coaxial line 10 to a branch, which is designed as a so-called Y-element and contains the resistors R 1 to R 3 . These each have a resistance value of 1/3 Z L. Through the Y gate an impedance-kor rect completion of the coaxial line 10 is effected and the output signal from U from non-reactive to two coaxial lines 11 and 12 of the characteristic impedance Z L branched. Their shields are again indicated by dashed lines and both are connected to ground. In addition, in order to terminate the coaxial lines 11 and 12 correctly in terms of impedance, a resistor R 4 or R 5 of the resistance value Z L is connected to ground at its end remote from the Y element. The length of the coaxial line 12 is selected such that the signal transit time in the coaxial line 12 is a measure longer than in the coaxial line 11 , which is equal to the transit time τ of the shock wave SW through the polymer film 5 . Given the given length of the coaxial line 11 , the required length of the coaxial line 12 can easily be calculated from the wave propagation speeds in the coaxial lines 11 and 12 . A signal is thus available at the output of the coaxial line 12 , which is delayed by the transit time τ of the shock wave SW through the polymer film 5 compared to the signal present at the output of the coaxial line 11 .
Die genannten Signale gelangen zu einem Summationspunkt S, der durch die Widerstände R6 und R7 gebildet und durch den Widerstand R8 belastet ist. Die Widerstandswerte der Wider stände R6 und R7 sind so gewählt, daß sie wesentlich größer als der Wellenwiderstand ZL der Koaxialleitungen 11 und 12 und wesentlich größer als der Widerstandswert des Widerstan des R8 sind. Außerdem sind die Widerstandswerte der Wider stände R6 und R7 so gewählt, daß der Quotient aus dem Wider standswert des Widerstandes R6 und dem Widerstandswert des Widerstandes R7 dem Betrag des zwischen dem Material der Polymerfolie und Wasser vorliegenden Reflexionsfaktors ent spricht.The signals mentioned arrive at a summation point S, which is formed by the resistors R 6 and R 7 and is loaded by the resistor R 8 . The resistance values of the resistors R 6 and R 7 are selected such that they are substantially larger than the characteristic impedance Z L of the coaxial lines 11 and 12 and are significantly greater than the resistance value of the resistor 8 of the R 8 . In addition, the resistance values of the resistors R 6 and R 7 are chosen such that the quotient of the resistance value of the resistor R 6 and the resistance value of the resistor R 7 corresponds to the amount of the reflection factor present between the material of the polymer film and water.
Der Reflexionsfaktor r errechnet sich nach der bekannten FormelThe reflection factor r is calculated according to the known one formula
r = (z2-z1)/(z1+z2),r = (z 2 -z 1 ) / (z 1 + z 2 ),
wobei z1 die Schallimpedanz des Materials der Polymerfolie 5, also PVDF, und z2 die akustische Impedanz des jeweils an die Polymerfolie 5 angrenzenden Mediums, im vorliegenden Fall Wasser, ist. Für Wasser und PVDF, dessen akustische Impedanz etwa doppelt so hoch die von Wasser ist, ergibt sich ein Reflexionsfaktor r von etwa -1/3. Der Widerstands wert des Widerstandes R7 ist demnach dreimal höher als der des Widerstandes R6.where z 1 is the sound impedance of the material of the polymer film 5 , ie PVDF, and z 2 is the acoustic impedance of the medium adjacent to the polymer film 5 , in the present case water. For water and PVDF, whose acoustic impedance is about twice that of water, there is a reflection factor r of about -1/3. The resistance value of the resistor R 7 is therefore three times higher than that of the resistor R 6 .
Infolge des von 0 verschiedenen Reflexionsfaktors treten in der als Membran vorgesehenen Polymerfolie 5 Mehrfachrefle xionen mit allmählich abklingender Amplitude auf. Diese Mehrfachreflexionen bewirken die in Fig. 3 bei der entspre chend der unteren Darstellung des Druckes p zeitlich ge dehnten Darstellung des Ausgangssignales Uaus über der Zeit t sichtbaren Welligkeiten, die im zweitlichen Verlauf des Druckes p nicht vorhanden sind. Die gegenüber dem zeitlichen Verlauf des Druckes p vergrößerte Anstiegszeit des Ausgangs signals Uaus kommt durch die Integration des Signals über die Dicke der Polymerfolie zustande und ist um so geringer, je dünner die Membran ist.As a result of the reflection factor which differs from 0, 5 multiple reflections with a gradually decaying amplitude occur in the polymer film provided as a membrane. These multiple reflections bring about the temporally expanded representation of the output signal U from the ripple visible in FIG. 3 in the corresponding representation of the pressure p below, which is not visible in the second course of the pressure p. The increase in the rise time of the output signal U from the time course of the pressure p comes about through the integration of the signal over the thickness of the polymer film and is the smaller, the thinner the membrane.
Es wird also deutlich, daß an dem Summationspunkt S zu dem Ausgangssignal Uaus ein verzögertes Signal Uverz, das in Fig. 1 im gleichen Aplituden- und Zeitmaßstab wie das Aus gangssignal Uaus dargestellt ist, addiert wird, das gegen über dem Ausgangssignal Uaus um die Laufzeit T der Stoß welle SW durch die Polymerfolie 5 verzögert ist. Dabei er folgt infolge der wie beschrieben gewählten Widerstandswerte der Widerstände R6 und R7 die Summation in einer solchen Weise gewichtet, die einer der Summation vorangehenden Mul tiplikation des verzögerten Signales U mit dem Betrag des zwischen der Polymerfolie 5 und dem diese umgebenden Wasser vorligenden Reflexionsfaktor entspricht. Als Meßsignal Umess das in Fig. 1 im gleichen Amplituden- und Zeitmaßstab wie das Ausgangssignal Uaus dargestellt ist, steht dann hinter dem Summationspunkt ein Signal zur Verfügung, das im wesentlichen frei von Artefakten ist, die durch Mehrfach reflexionen in der Polymerfolie 5 verursacht sind. Das Meß signal Umess hat man sich somit als Resultat der Summation des Ausgangssignales Uaus mit einem Korrektursignal vorzu stellen, das dem mit dem Betrag des Reflexionsfaktors multi plizierten verzögerten Signal Uverz entspricht. Die Ver größerung der Anstiegszeit, die durch die endliche Dicke der Polymerfolie 5 bedingt ist, wird durch die beschriebene Vor richtung nicht beseitigt. Wesentlich ist noch, daß das ver zögerte Signal Uverz an sich von dem Ausgangssignal Uaus unter Berücksichtigung des Vorzeichens des Reflexionsfaktors mit der beschriebenen Gewichtung subtrahiert werden müßte, die Subtraktion in Anbetracht des negativen Reflexionsfak tors aber durch die beschriebene Summation unter scheinbarem Außerachtlassen des Vorzeichens des Reflexionsfaktors er setzt werden kann.It is therefore clear that at the summation point S to the output signal U from a delayed signal U verz , which is shown in Fig. 1 on the same amplitude and time scale as the output signal U from , is added, compared to the output signal U from the transit time T the shock wave SW is delayed by the polymer film 5 . In doing so, it follows the summation weighted in such a way as a result of the resistance values of the resistors R 6 and R 7 selected that the multiplication of the delayed signal U preceding the summation by the amount of the reflection factor present between the polymer film 5 and the water surrounding it corresponds. As the measurement signal U meas which is shown in Fig. 1 in the same amplitude and time scale as the output signal U, then behind the summing point a signal is available which is free of artifacts substantially the reflections due to multiple causes in the polymer film 5 are. The measurement signal U meas one has therefore arise as the result of the summation of the output signal U from vorzu with a correction signal corresponding to the delay with the amount of the reflection factor multi cated delayed signal U. The increase in the rise time, which is due to the finite thickness of the polymer film 5 , is not eliminated by the device described before. Much is still that the ver delayed signal U galvanized per se of the output signal U from taking into account the sign of the reflection factor with the described weighting would have to be subtracted, but the subtraction in the light of the negative Reflexionsfak tors by the above summation among apparent disregard the sign of of the reflection factor he can be set.
In der Fig. 2 ist eine weitere Ausführungsform einer erfin dungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Diese unterscheidet sich von der zuvor beschriebenen dadurch, daß das Signal vom Ausgang der Koaxialleitung IG zu einer Pufferstufe 15 und von diesem zu einem Analog/Digital-Wandler 16 gelangt. Die digitalen Ausgangsdaten des Analog/Digital-Wandlers 16 sind einer digitalen Signalverarbeitungseinheit 17, beispiels weise einem digitalen Signalprozessor, zugeführt, der die digitalen Ausgangsdaten des Analog/Digital-Wandlers 16 in digitale Daten überführt, die ein Signal repräsentieren, das der Differenz zwischen dem Ausgangssignal Uaus des Membran hydrophons 1 und einem Korrektursignal entspricht. Dabei handelt es sich bei dem Korrektursignal um das um die Schallaufzeit der Stoßwelle SW durch die Polymerfolie 5 verzögerte und mit dem zwischen der Polymerfolie 5 und dem diese umgebenden Wasser wirksamen Reflexionsfaktor unter Berücksichtigung von dessen Vorzeichen multiplizierte Aus gangssignal. Diese Daten können über einen digitalen Aus gang 18 zur weiteren Verarbeitung bzw. Auswertung abgenommen werden. Außerdem ist ein Digital/Analog-Wandler 19 vorge sehen, dem die digitalen Ausgangsdaten der digitalen Signal verarbeitungseinheit 17 zugeführt sind. Das analoge Aus gangssignal des Digital/Analog-Wandlers 19 ist einem Analog- Ausgang zugeführt und steht hier als Meßsignal Umess zur Verfügung.In FIG. 2, a further embodiment of a device OF INVENTION to the invention is shown. This differs from the one described above in that the signal reaches the buffer stage 15 from the output of the coaxial line IG and from there to an analog / digital converter 16 . The digital output data of the analog-to-digital converter 16 are fed to a digital signal processing unit 17 , for example a digital signal processor, which converts the digital output data of the analog-to-digital converter 16 into digital data representing a signal which represents the difference between the two Output signal U from the membrane hydrophone 1 and corresponds to a correction signal. The correction signal is the one delayed by the sound propagation time of the shock wave SW through the polymer film 5 and multiplied by the reflection factor effective between the polymer film 5 and the water surrounding it, taking into account its sign, from the output signal. This data can be taken off via a digital output 18 for further processing or evaluation. In addition, a digital / analog converter 19 is easily seen, the digital output data of the digital signal processing unit 17 are supplied. The analog output signal from the digital / analog converter 19 is fed to an analog output and is available here as a measurement signal U mess .
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 3 dargestellt. Hier gelangt das Ausgangssignal Uaus über die Koaxialleitung 10 zu zwei Pufferstufen 25 und 26. Während das Ausgangssignal Uaus über die Pufferstufe 25 direkt zu dem einen Eingang eines Summierers 27 bildenden Widerstand R6 gelangt, durchläuft das Ausgangssignal der Pufferstufe 26 zunächst eine durch ein tapped delay-IC 28 gebildete Ver zögerungsstrecke, bevor es zu dem durch den Widerstand R7 gebildeten zweiten Eingang des Summierverstärkers 27 ge langt. Die Verzogerungsstrecke erteilt dem Ausgangssignal der Pufferstufe 26 eine Verzögerung, die gleich der Schallaufzeit τ der Stoßwelle SW durch die Polymerfolie 5 ist. Da die Widerstandswerte der Widerstände R6 und R7 wieder dem Betrag des Reflexionsfaktors zwischen PVDF und Wasser entsprechend gewählt sind, erfolgt eine Abschwächung des verzögerten Ausgangssignales des tapped delay-IGs 28 entsprechend dem Reflexionsfaktor. Durch Summation des Ausgangssignals Uaus und des verzögerten Signals Uverz unter Einhaltung der beschriebenen Gewichtung ergibt sich also am Ausgang des Summationsverstärkers 27 das Meßsignal Umess, das von durch Mehrfachreflexionen in der Polymerfolie 5 be dingte Störungen weitgehend frei ist. Bei sogenannten tapped delay-ICs handelt es sich im übrigen um integrierte Schaltungen, die aus integrierten Kondensatoren und Induk tivitäten aufgebaute kaskadierte Verzögerungsstrecken ent halten.Another embodiment of the invention is shown in FIG. 3. Here, the output signal U comes out via the coaxial line 10 to two buffer stages 25 and 26 . While the output signal U from the buffer stage 25 goes directly to the input of a summer 27 forming resistor R 6 , the output signal of the buffer stage 26 first passes through a delay path formed by a tapped delay IC 28 before it reaches the resistor R 7 formed second input of the summing amplifier 27 ge reaches. The delay line gives the output signal of the buffer stage 26 a delay which is equal to the sound propagation time τ of the shock wave SW through the polymer film 5 . Since the resistance values of the resistors R 6 and R 7 are again chosen according to the amount of the reflection factor between PVDF and water, the delayed output signal of the tapped delay IG 28 is attenuated in accordance with the reflection factor. By summing the output signal U out and the delayed signal U verz while observing the weighting described, the measurement signal U mess thus results at the output of the summation amplifier 27 , which is largely free of interference caused by multiple reflections in the polymer film 5 . So-called tapped delay ICs are also integrated circuits that contain cascaded delay lines made up of integrated capacitors and inductors.
Die Ausführungsformen gemäß den Fig. 4, 5 und 6 unterschei den sich von der nach Fig. 3 dadurch, daß anstelle des tapped delay-ICs 28 als Verzögerungsstrecke eine Eimerket tenschaltung (BBD) 29, ein Ladungsverschiebungselemente-IC (CCD) 30 oder ein Oberflächenwellenfilter (SAW) 31 vorge sehen ist.The embodiments according to FIGS. 4, 5 and 6 below failed to from that according to Fig. 3 in that instead of the tapped delay ICs 28 as a delay line, a Eimerket tenschaltung (BBD) 29, a charge transfer element IC (CCD) 30 or a Surface wave filter (SAW) 31 is provided.
Die Fig. 7 zeigt eine der Ausführungsformen gemäß Fig. 3 analoge Ausführungsform, die jedoch dahingehend abgewandelt ist, daß sie für positive Reflexionsfaktoren geeignet ist. Der Summierer 27 ist hier durch einen Differenzverstärker bzw. Subtrahierer 32 ersetzt. Dieser ist derart beschaltet, daß die Widerstände R9 und R10 den gleichen Widerstandswert aufweisen und das Verhältnis des widerstandswertes des Widerstandes R11 zu dem des Widerstandswertes R12 gleich dem Betrag des Reflexionsfaktors ist. FIG. 7 shows one of the embodiments according to FIG. 3, an embodiment which is analogous but which is modified such that it is suitable for positive reflection factors. The summer 27 is replaced here by a differential amplifier or subtractor 32 . This is wired in such a way that the resistors R 9 and R 10 have the same resistance value and the ratio of the resistance value of the resistor R 11 to that of the resistance value R 12 is equal to the amount of the reflection factor.
Im Falle der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele wird das Ausgangssignal eines Membranhydrophons 1 restau riert, das zur Messung von Stoßwellen SW dient. Es versteht sich, daß in gleicher Weise auch eine Signalrestauration im Zusammenhang mit andersartigen akustischen Signalen, bei spielsweise kontinuierlichem Ultraschall, möglich ist.In the case of the exemplary embodiments described above, the output signal of a membrane hydrophone 1 is used, which is used to measure shock waves SW. It goes without saying that a signal restoration in connection with different acoustic signals, for example continuous ultrasound, is also possible in the same way.
Die im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen genannten Materialien für die Polymerfolie 5, deren Dicke übrigens in der Größenordnung einiger Hundertstel Millimeter liegt, das in dem Membranhydrophon 1 befindliche akustische Ausbrei tungsmedium 8 sowie das Medium 9, in dem das Membranhydro phon 1 eingesetzt wird, sind nur beispielhaft zu verstehen.The materials mentioned in connection with the embodiments for the polymer film 5, the thickness of the way millimeters in the order of several hundredths of that present in the membrane hydrophone 1 acoustic Ausbrei tung medium 8 and the medium 9 in which the membrane Hydro phon is used 1, are only exemplary to understand.
Es sind auch andere als die angegebenen Materialien möglich, für die sich dann ein von dem im Zusammenhang mit den vor stehenden Ausführungsbeispielen genannten Reflexionsfaktor eventuell abweichender Reflexionsfaktor ergeben kann. Falls in Schallausbreitungsrichtung vor und hinter der Polymer folie 5 anders als im Falle der beschriebenen Ausführungs beispiele unterschiedliche akustische Ausbreitungsmedien vorgesehen sind, müssen deren akustische Impedanzen im Interesse für beide Seiten der Membran wenigstens im wesent lichen gleicher Reflexionsfaktoren wenigstens im wesent lichen übereinstimmen, da andernfalls eine nur ungenügende Entfernung der Artefakte möglich ist.Materials other than those specified are also possible, for which a reflection factor that may deviate from the reflection factor mentioned in connection with the above exemplary embodiments can then result. If, in the direction of sound propagation in front of and behind the polymer film 5, differently than in the case of the described embodiment, different acoustic propagation media are provided, their acoustic impedances must be at least essentially the same for both sides of the membrane, at least essentially the same reflection factors, otherwise one insufficient removal of the artifacts is possible.
Es versteht sich, daß im Falle der Ausführungsbeispiele ge mäß den Fig. 3 bis 7 die Verstärkungsfaktoren der Verstärker 25 und 26 gleich sein müssen. Ist dies nicht der Fall, muß für die Widerstände R6 und R7 eine die unterschiedlichen Verstärkungsfaktoren berücksichtigende, von der im Zusammen hang mit den Fig. 3 bis 7 beschriebenen Dimensionierung abweichende Dimensionierung gewählt werden.It is understood that in the case of the exemplary embodiments according to FIGS . 3 to 7, the amplification factors of the amplifiers 25 and 26 must be the same. If this is not the case, one must take into account the different amplification factors for the resistors R 6 and R 7, different dimensions from those described in connection with FIGS. 3 to 7.
Die Maxima der durch die Mehrfachreflexionen in der Membran bedingten Welligkeiten des Ausgangssignales U aus sind übrigens durch Zeitabstände voneinander getrennt, die gleich der Laufzeit τ des akustischen Signals durch die Membran sind.The maxima of the multiple reflections in the membrane conditional ripples of the output signal U are off incidentally separated by time intervals that are the same the transit time τ of the acoustic signal through the membrane are.
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| DE3917582A1 (en) * | 1989-05-30 | 1991-01-03 | Oskar Hubert Richt | Driving and regulating loudspeaker - comparing actual and required diaphragm movement to control constant current source |
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Patent Citations (1)
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| CN109506762B (en) * | 2017-09-15 | 2021-04-06 | 中国舰船研究设计中心 | Hydrophone received signal correction method based on filter |
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