DE4414081C1 - Verfahren und Vorrichtung zum Abtasten eines Ultraschallfeldes - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vor­ richtung zum Abtasten eines Ultraschallfeldes.

Die Abtastung von Ultraschallfeldern, wie sie beispiels­ weise zur Überprüfung der Leistungsfähigkeit von Ultra­ schallfeldern oder bei Geräten zum Erkennen von Oberflächen und oberflächennahen Strukturen von Objekten gebraucht wer­ den, erfolgt bisher über Empfangswandler (Transducer), die die von dem zu messenden Objekt zurückgesandten Ultra­ schallwellen in elektrische Signale umwandeln und zur Aus­ wertung weiterleiten. Eine mögliche Vorrichtung zum Vermes­ sen eines von einem Ultraschallsender erzeugten Ultra­ schallfeldes ist in der DE-OS 35 28 705 beschrieben. Da je nach der Leistungsfähigkeit der Ultraschallquelle oder abhängig von der Struktur des zu untersuchenden Objekts die Intensität der ausgesandten bzw. rückgestreuten und re­ flektierten Ultraschallwellen variiert, ist es nötig, zahlreiche Wandler (Transducer) einzusetzen, um die zurück­ gesandten Wellen in allen Richtungen aufnehmen zu können. Es hat sich dabei herausgestellt, daß eine Kreisanordnung von einer Vielzahl von Empfangswandlern, ca. 250 in der Größenordnung von 1 mm Durchmesser, eine ausreichende Mes­ sung und Darstellung der aus- bzw. rückgesandten Ultra­ schallwellen ermöglichen. Eine räumliche Schallfeldab­ tastung mittels mehrerer Empfangswandler ist in der US-PS 49 55 366 beschrieben.

Die Vielzahl der bei den bekannten Vorrichtungen notwen­ digen Wandler macht deren Anordnung kompliziert und kost­ spielig, so daß auf dieser Basis eine Fertigung von Se­ riengeräten zum Abtasten von Ultraschallfeldern ungeeignet ist.

In der US-PS 36 36 754 ist eine Vorrichtung beschrieben, die mittels eines Ultraschallfeldes Parameter, wie zum Bei­ spiel Temperatur und Fließgeschwindigkeit eines Mediums mißt. Dazu werden künstliche Diskontinuitäten in dem Medium angeordnet, da der Ultraschall eine endliche Wegstrecke zurücklegen muß, um die Parameter entwickeln zu können. Dabei kommt es zu Wegverlängerungen des Ultraschalls, so daß unter gewissen Voraussetzungen ein Empfangswandler ausreicht, um die nacheinander ankommenden Signale zu erfassen. Diese störenden Diskontinuitäten innerhalb des Mediums sind aber bei anderen Messungen, die mit Ultra­ schallwellen vorgenommen werden nicht erwünscht, da sie die Meßergebnisse fälschen, so daß dieses Verfahren zur Ver­ ringerung der Anzahl der eingesetzten Wandler allgemein nicht herangezogen werden kann, aber auch in diesem Fall an sich nicht gewollt, denn bei anderen auf diesem Verfahren basierenden Vorrichtungen (siehe Fig. 7) ist für jede Dis­ kontinuität oder eine Gruppe von Diskontinuitäten ein Wandler herangezogen.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht nun da­ rin, einen allgemeinen Vorschlag zu bringen, um die Anzahl der eingesetzten Wandler zu reduzieren.

Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, gemäß dem Haupt­ anspruch zu verfahren und eine Vorrichtung nach Anspruch 2 bzw. Anspruch 3 vorzusehen. Zufolge dessen werden die das Me­ dium verlassenden Ultraschallwellen ab ihren Austritts­ stellen unterschiedlichen, ihre Schallaufzeit verlängernden Maßnahmen unterworfen und die Schallwellen, ob originär im Medium erzeugt oder reflektiert bzw. gestreut an ver­ schiedenen Austrittsstellen aufgefangen und dann auf unter­ schiedlich langen Wegen nacheinander einem einzigen oder einigen wenigen Wandlern (Empfangstransducern) zugeführt. Dabei wird die Tatsache ausgenutzt, daß es im Ultraschall­ bereich möglich ist, durch unterschiedliche, die Schallauf­ zeit verlängernde Wege, die den Schallwellen aus den ver­ schiedenen Richtungen aufgezwungen werden, diese zeitlich nacheinander an einen einzigen oder einigen wenigen Wand­ lern ankommen zu lassen.

Auf diese Weise kann die Zahl der Empfangswandler bei Abtastung eines Ultraschallfeldes wesentlich reduziert werden.

Diese Wegverlängerung der aus den einzelnen Richtungen nach Austritt aus dem Medium kommenden Schallwellen kann auf verschiedene Weise erfolgen. Die aus verschiedenen Rich­ tungen kommenden Ultraschallwellen können von einem Satz in unterschiedlichen Entfernungen und an unterschiedlichen Stellen gegenüber dem Medium bzw. einem Objekt, das sie aussendet, angeordneten Spiegeln derart aufgenommen werden, daß die Wellen unterschiedlich lange Schallaufzeiten bis zu einem einzigen oder einigen wenigen Empfangswandlern zu­ rückzulegen haben. Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß ein Empfangswandler mit den abzutastenden Stellen des Ultraschallfeldes über Wellenleiter, in denen unterschied­ liche Schallaufzeiten vorliegen, verbunden ist.

Bei der Verwendung von Spiegeln zur Verlängerung der Schallaufzeit ist die Vorrichtung zum örtlichen Abtasten eines Ultraschallfeldes so ausgestaltet, daß die sich an den abzutastenden Stellen des Ultraschallfeldes befinden­ den Spiegel räumlich so verteilt und orientiert sind, daß die Ultraschallwellen den Empfangswandler über die Spiegel mit unterschiedlichen Schallaufzeiten beaufschlagen. Bei der Verwendung von Wellenleitern werden die Ultraschall­ wellen an den abzutastenden Stellen über Auffangmittel in die Wellenleiter eingespeist und einem oder mehreren Em­ pfangswandlern zwecks Auswertung zugeführt. Wellenleiter mit unterschiedlichen Schallaufzeiten können auch dadurch erhalten werden, daß die Ultraschallwellen zunächst in gleichlange Wellenleiter eingespeist werden, die dann nacheinander einem gemeinsamen Kanal zugeführt, oder Wel­ lenleiter unterschiedlicher Schallaufzeiten herangezogen werden. Die Ultraschallwellen können dabei über Auffang­ mittel in die Wellenleiter eingespeist werden.

Es hat sich überraschend gezeigt, daß die Spiegel oder Wellenleiter in einem Flüssigkeitsmedium vorgesehen sein können. Die Wellenleiter lassen sich auch in einem festen Material anordnen.

Bei dem Verfahren und den Vorrichtungen gemäß der Erfin­ dung werden die die Schallaufzeiten verlängernden Maßnahmen ohne Störung der Ultraschallwellen innerhalb des Mediums vorgenommen.

In der Zeichnung sind Vorrichtungen schematisch gezeigt, mit denen des erfindungsgemäßen Verfahrens durchge­ führt werden kann. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine Vorrichtung, bei der die Wegverlängerung mittels eines Satzes Spiegel erfolgt,

Fig. 2 die schematische Darstellung mit verschieden lang bemessenen Wellenleitern,

Fig. 3 eine Modifikation der Darstellung gemäß Fig. 2.

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung die Wegverlänge­ rung von Ultraschallwellen mittels eines Satzes verschieden angeordneter Spiegel. Mit dem Bezugszeichen 1 ist ein Ul­ traschallsender bezeichnet. Die von dem Sender 1 ausge­ sandten Wellen treffen auf eine Platte 2 aus Glas, die beispielsweise auch mit einem Objekt bestückt sein kann. Von der Auflageplatte werden die von den einzelnen Punkten der Platte bzw. des Objektes kommenden Wellen auf die Spiegel 3 und 4 geleitet und von dort nacheinander auf den Empfangswandler 5 reflektiert. Die Wellen bewegen sich somit von dem Sender 1 über die Platte 2 und den Spiegel 3 zum Empfänger 5 und außerdem über den Spiegel 4 auch zu dem Empfänger 5. In jedem dieser Fälle ist der Weg anders. Die Spiegel sind stets gegenüber von dem Medium oder Objekt an den abzutastenden Punkten angeordnet, also an den Punkten, an denen das Ultraschallfeld abgetastet werden soll.

In Fig. 2 ist eine Darstellung unter Verwendung von Wellen­ leitern gezeigt. Die aus dem Medium 21, das beispielsweise eine Auflageplatte für irgendein Objekt sein kann, austre­ tenden Ultraschallwellen eines wie auch immer gearteten Ursprungs werden in an dem Medium 21 angeordnete Auffang­ mittel 23 geleitet und damit den sich daran anschließenden Wellenleitern a bis h zugeführt. Diese Wellenleiter sind unterschiedlich lang bemessen. Wie aus der Zeichnung er­ sichtlich, ist a der kürzeste und h der längste Wellenlei­ ter. Es hat sich gezeigt, daß die Wellenleiter sich bei der Ermittlung von Fingerabdrücken in ihrer Länge um vorzugs­ weise 1 m unterscheiden sollten. Wellenleiter b ist also 1 m länger als a und c wieder 1 m länger als b und so fort. Alle Wellenleiter münden in den Empfangswandler 22. Der Unterschied der Wellenleiter von ca. 1 m reicht bei der genannten Anwendung aus, um die von den einzelnen Rich­ tungen kommenden Wellen differenziert an den Wandler 22 zu leiten, der dann entsprechende Signale weitergibt. Auf diese Weise werden die in verschiedene Richtungen rückge­ sandten Wellen getrennt voneinander ausgewertet. Der Län­ genunterschied der einzelnen Wellenleiter ist jeweils den verschiedenen zu erfassenden Objekten anzupassen.

Fig. 3 zeigt eine Abwandlung der Fig. 2. Dabei werden die von dem Medium 31 ausgesandten Wellen über in unterschied­ lichen Richtungen angeordnete Auffangmittel 33 gleich­ langen Wellenleitern 36 zugeleitet. Die Wellenleiter 36 münden nacheinander in einen gemeinsamen Wellenleiter 34, der mit dem Empfangswandler 32 verbunden ist. Der Abstand zwischen den Mündungsstellen 35 der einzelnen Wellenleiter 36 ist so bemessen, daß die Signale der einzelnen Wellen­ leiter 36 voneinander getrennt und nacheinander den Wandler 32 zwecks Weitergabe entsprechender Signale erreichen.

Die Ausführungsformen nach den (Fig. 1, 2 und 3 können in einer Flüssigkeit, z. B. Wasser, angeordnet sein.

Es hat sich gezeigt, daß die Wellenleiter gemäß den Fig. 2 und 3 aus einem mit Flüssigkeit gefüllten Röhrchen oder einem wie auch immer gearteten Mantel oder aus einem Fest­ körpermaterial, wie z. B. Glas oder Metall, bestehen können.

Claims (8)

1. Verfahren zum örtlichen Abtasten eines in einem Medium zu einem bestimmten Zeitpunkt bestehenden Ultra­ schallfeldes mittels eines Empfangswandlers, dadurch gekennzeichnet, daß die das Medium (2, 21, 31) verlassenden Ultra­ schallwellen ab ihren Austrittsbereichen unterschied­ lichen, ihre Schallaufzeit verlängernden Maßnahmen un­ terworfen und danach dem Empfangswandler (5; 22; 32) zugeführt werden.

2. Vorrichtung zum örtlichen Abtasten eines zu einem bestimmten Zeitpunkt in einem Medium bestehenden Ul­ traschallfeldes mittels eines Empfangswandlers (5) mit Spiegeln (3, 4), die sich an abzutastenden Stellen des Ultraschallfeldes befinden und so räumlich verteilt und orientiert sind, daß die Ultraschallwellen den Em­ pfangswandler (5) über die Spiegel (3, 4) mit unter­ schiedlichen Schallaufzeiten beaufschlagen.

3. Vorrichtung zum örtlichen Abtasten eines zu einem be­ stimmten Zeitpunkt in einem Medium bestehenden Ultra­ schallfeldes mittels eines Empfangswandlers (22; 32), der mit den abzutastenden Stellen des Ultraschallwel­ lenfeldes über Wellenleiter (a, . . . h; 36, 34), in denen unterschiedliche Schallaufzeiten vorliegen, verbunden ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallwellen zu den abzutastenden Stellen über Auffangmittel (23) in die Wellenleiter (a, . . . h; 36, 34) einspeisbar sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß gleichlange Wellenleiterabschnitte (36) mit den Auffangmitteln verbunden sind, und daß die den Auf­ fangmitteln abgewandten Enden der Wellenleiterab­ schnitte (36) mit einem gemeinsamen Wellenleiter (34), dessen eines Ende den Empfangswandler (32) beauf­ schlagt, an unterschiedlichen Längspositionen verbun­ den sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenleiter (a, . . . h, 36) Flüssigkeit ent­ halten.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenleiter (a, . . . h; 36, 34) aus einem Fest­ körpermaterial bestehen.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, gekennzeichnet durch weitere, analog zum Empfangswandler (5; 22; 32) an das Ultraschallfeld angeschlossene Empfangswandler.