DE4418830C2 - Method and device for producing spherical waves in the ultrasonic range - Google Patents

Method and device for producing spherical waves in the ultrasonic range

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von perfekten Kugelwellen im Ultraschallbereich sowie auf eine Vorrichtung zur Erzeugung dieser Kugelwellen.The invention relates to a method for producing perfect Spherical waves in the ultrasound range and on a device for generating them Spherical waves.
Um eine möglichst gute Kugelwelle im Ultraschallbereich herstellen zu können, muß man nach dem bisherigen Stand der Technik einen sehr kleinen Sender verwenden, der nur eine geringe Schallintensität besitzt. Die Erfahrung zeigt jedoch, daß auch bei kleinen Sendern keine phasenrichtigen Wellen gesendet werden. Unter einer phasenrichtigen Welle versteht man eine Welle, deren erste Wellenfront eine perfekte Kugelform hat und auch die nachfolgenden Wellenfronten dazu parallel verlaufen. In order to be able to produce the best possible spherical wave in the ultrasound range, you have to have a very small transmitter according to the prior art use that has a low sound intensity. Experience shows however, that even with small transmitters no in-phase waves are sent become. A phase wave is a wave, the first of which Wavefront has a perfect spherical shape and also the following wave fronts run parallel to it.  
Eine perfekte Kugelwelle ist bei allen Ultraschallgeräten dann von Bedeutung, wenn die Phase der Welle berücksichtigt werden muß. Alle Ultraschallgeräte werden bei Verwendung von perfekten Kugelwellen wesentlich verbessert.A perfect spherical wave is important for all ultrasound devices if the phase of the wave must be taken into account. All ultrasound machines are used by Use of perfect spherical waves significantly improved.
Die der Erfindung zugrundliegende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschallwellen im MHz-Bereich vorzuschlagen, deren erste Wellenfront eine perfekte Kugelform aufweist und ebenso die nachfolgenden Wellenfronten. Außerdem soll die Intensität des Schalls mit der Entfernung von der Symmetrieachse gleichmäßig abfallen, also am besten eine Gauß'sche Verteilung darstellen, die mit den bekannten klassischen Verfahren und Vorrichtungen kaum zu erreichen ist. Eine Gauß'sche Verteilung wird deshalb bevorzugt, weil dabei die Intensität in der Mitte der Welle am größen ist und an den Seiten stark abfällt. Eine zu große Intenstität im Randbereich kann zu unerwünschten Störungen führen.The object underlying the invention is a method and a Propose a device for generating ultrasound waves in the MHz range, whose first wavefront has a perfect spherical shape and also that subsequent wave fronts. In addition, the intensity of the sound with the Distance from the axis of symmetry fall evenly, so preferably one Represent Gaussian distribution using the known classical methods and Devices can hardly be reached. A Gaussian distribution is therefore preferred because the intensity is greatest in the middle of the wave and at the Pages drop off sharply. A too high intensity in the edge area can cause unwanted interference.
In der WO-91/05331 ist eine Vorrichtung beschrieben, die im Ultraschallbereich die Intensität konzentriert und die Impedanzen anpaßt. Dazu wird die Schallwelle von einem Wandler, der erheblich kleiner als die Wellenlänge der Schallwelle ist, in einen Kegelstumpf aus festem Material geleitet und anschließend in eine Platte ge­ geben, die eine Welle hoher Intensität formt. Diese Vorrichtung arbeitet mit Luftschall im Bereich von 60 KHz und nicht im MHz-Bereich und erzeugt nur flache und fokusierte Wellen, jedoch keine Kugelwellen. In dem Buch "Technische Akustik ausgewählte Kapitel", 3. Auflage 1982, Seiten 18-24 ist die Erzeugung von Kugelwellen beschrieben aber lediglich für den Bereich bis 10 KHz und nicht für den MHz-Bereich. In WO-91/05331 a device is described which is in the ultrasonic range concentrates the intensity and adjusts the impedances. This is the sound wave from a transducer that is significantly smaller than the wavelength of the sound wave, in a truncated cone made of solid material and then ge in a plate give that forms a wave of high intensity. This device works with Airborne sound in the range of 60 KHz and not in the MHz range and only produces flat ones and focused waves, but not spherical waves. In the book "Technical Acoustics selected chapter ", 3rd edition 1982, pages 18-24 is the generation of Ball waves are only described for the range up to 10 KHz and not for the MHz range.  
Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 enthaltenen Merkmale gelöst. Es erfolgt danach eine Verdichtung der von einem Ultraschallsender ausgehenden Ultraschallwelle durch diese umgebende Einflüsse bis zu einem einmodalen Wellenleiter. Am Ende des Wellenleiters wird die Ultraschallwelle als perfekte Kugelwelle in den freien Raum abgegeben. Die ausgesendete Welle wird also erfindungsgemäß durch die sie umgebende Materie einer Beeinflussung unterworfen. Die Verdichtung der von dem Ultraschallwandler ausgehenden Welle erfolgt dabei langsam und kontinuierlich.The object is achieved by the in the characterizing part of Features contained claim 1 solved. Then there is a compression of the ultrasound wave emanating from an ultrasound transmitter through this surrounding Influences up to a single-modal waveguide. At the end of the waveguide, the Ultrasonic wave emitted as a perfect spherical wave in free space. The According to the invention, the emitted wave is caused by the matter surrounding it subject to interference. The compaction of the ultrasound transducer outgoing wave is slow and continuous.
Die Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist folgendermaßen aufge­ baut. Es wird ein ganz normaler Ultraschallwandler mit einem relativ großen Durchmesser von einigen Millimetern verwendet. Die Welle, die ein solcher Wandler aussendet, ist nicht homogen, d. h. sowohl ihre räumliche wie auch ihre zeitliche Verteilung (Amplitude und Phase) sind von einer ebenen Welle oder Kugelwelle weit entfernt. An diesen Ultraschallwandler ist gemäß der Erfindung in Senderichtung ein Trichter angeschlossen, der an seinem Ende in ein Rohr mündet. Das Rohr hat dabei einen Durchmesser von ca. 10 Wellenlängen der Ultraschallwelle. Der Trichter ist dabei am besten so gestaltet, daß die gesamte Wellenenergie in das Rohr geführt wird, das dann wie ein einmodaler Wellenleiter wirkt, und die Welle, die den Wellenleiter verläßt, verhält sich dann so, als ob sie von einem Punkt gesendet würde. Sie ist perfekt phasenrichtig, d. h. sie ist eine perfekte Kugelwelle und besitzt außerdem die gewünschte Gauß'sche Intensitätsverteilung. Eine perfekte Kugelwelle ist eine solche Ultraschallwelle, in der die Phase jeder Wellen­ front die Fläche einer Kugel hat. Infolge der durch die Erfindung gegebenen Mög­ lichkeit, einen großen Sender zu verwenden, wird die zur Verfügung stehende Energie der Schallwelle um einen wesentlichen Betrag gegenüber einer normalen Punktquelle erhöht. The device for performing this method is as follows builds. It will be a normal ultrasonic transducer with a relatively large one Diameter of a few millimeters used. The wave that such a converter emits is not homogeneous, d. H. both their spatial and their temporal Distribution (amplitude and phase) are far from a plane wave or spherical wave away. According to the invention, this ultrasonic transducer is in the transmission direction a funnel connected, which ends in a tube. The pipe has a diameter of approximately 10 wavelengths of the ultrasonic wave. Of the Funnel is best designed so that the entire wave energy in the Pipe, which then acts like a single-modal waveguide, and the shaft, which leaves the waveguide then behaves as if it came from a point would be sent. It is perfectly in phase, i. H. it is a perfect spherical wave and also has the desired Gaussian intensity distribution. A perfect spherical wave is such an ultrasonic wave in which the phase of each wave front has the area of a sphere. As a result of the possibilities given by the invention  ability to use a large transmitter becomes the one available Energy of the sound wave by a substantial amount compared to a normal one Point source increased.  
Der Trichter und das Rohr gemäß der Erfindung bestehen vorzugsweise aus einem Festkörper. Es hat sich heraus­ gestellt, daß ein schallabsorbierendes Material, vorzugs­ weise Kunststoff, sich besonders eignet. Der Trichter und das Rohr können in einem Flüssigkeitsbad oder in einer Gasatmosphäre angeordnet sein. Auch ist es möglich, den Trichter und das Rohr innen und außen von einem Festkörper umgeben zu lassen. Die Länge des als Wellenleiter dienenden Rohres bemißt sich nach einer solchen Führung der Ultra­ schallwelle, daß an dem Ende des Rohres, wie schon erwähnt, perfekte Kugelwellen austreten. Das Rohr kann beliebig gebogen sowie geführt werden, so daß der Startpunkt der Kugelwelle wunschgemäß placiert werden kann.The funnel and the tube according to the invention exist preferably from a solid. It turned out asked that a sound absorbing material, preferred wise plastic, is particularly suitable. The funnel and the tube can be in a liquid bath or in a Be arranged gas atmosphere. It is also possible Funnel and the tube inside and outside of a solid to be surrounded. The length of the waveguide Rohres measures himself according to such a leadership of the Ultra  sound wave that at the end of the tube, as already mentioned, perfect spherical waves emerge. The pipe can be any be bent and guided so that the starting point of the Ball shaft can be placed as desired.
Es besteht auch die Möglichkeit, anstelle des an den Trich­ ter sich anschließenden Rohres die verdichtete Welle einem anderen Wellenleiter, wie z. B. einem Glasfaserdraht, nach Austritt aus dem Trichter zuzuleiten.There is also the option of replacing the trich ter the subsequent tube the compressed wave one other waveguides such. B. a fiber optic wire after To exit the funnel.
Es hat sich gezeigt, daß der Ultraschallwandler gemäß Er­ findung in einem ziemlich großen Frequenzspektrum, z. B. von 2 bis 10 MHz, perfekte Kugelwellen hervorbringt.It has been shown that the ultrasonic transducer according to Er finding in a fairly large frequency spectrum, e.g. B. from 2 to 10 MHz, produces perfect spherical waves.
In der beigefügten Zeichnung ist die Vorrichtung bzw. der Wandler dargestellt, der Ultraschallsender trägt dabei das Bezugszeichen 1, der die Energie und die Schallwelle bün­ delnde und verdichtende Trichter das Bezugszeichen 2 und das Rohr sich als Wellenleiter an den Trichter anschließen­ de Rohr ist mit 3 bezeichnet. Dem als Wellenleiter dienen­ den Rohr 3 austretenden Kugelwellen sind als Kreisbogen dargestellt.In the accompanying drawing, the device or the transducer is shown, the ultrasonic transmitter bears the reference number 1 , the energy and the sound wave bundling and compressing funnel, the reference number 2 and the tube connecting as a waveguide to the funnel de tube with 3 designated. The spherical waves emerging as the waveguide from the tube 3 are shown as an arc.

Claims (8)

1. Verfahren zur Herstellung von Kugelwellen im Ultraschall­ bereich von 2 und mehr MHz, gekennzeichnet durch eine an sich bekannte Verdichtung der von dem Ultraschallwellensender ausgehen­ den Ultraschallwelle im 2-10 MHz-Bereich durch diese um­ gebende Einflüsse dergestalt bis zu einem einmodalen Wellen­ leiter, dessen Durchmesser in der Größenordnung von 10 Wel­ lenlänger der gesendeten Wellenlänge ist, daß an dessen Ende die Ultraschallwelle als Kugelwelle in den freien Raum abge­ geben wird.1. Method for producing spherical waves in the ultrasound range of 2 and more MHz, characterized by a known compression of the ultrasound wave emanating from the ultrasound wave transmitter in the 2-10 MHz range by this surrounding influences to a single-mode waveguide, whose diameter is on the order of 10 Wel lenlonger the transmitted wavelength that at the end of the ultrasonic wave will give as a spherical wave in the free space.
2. Vorrichtung zur Herstellung von Kugelwellen im Ultraschall­ bereich von über 2 MHz, dadurch gekennzeichnet, daß dem Ultraschallsender (1) für den Ultraschallbereich von 2 bis 10 MHz in Senderichtung ein Trichter (2) zugeordnet ist, der an seinem Ende in ein Rohr (3) ausläuft, dessen Durchmes­ ser in der Größenordnung von 10 Wellenlängen der gesendeten Ultraschallwelle aufweist.2. Device for producing spherical waves in the ultrasonic range of over 2 MHz, characterized in that a funnel ( 2 ) is assigned to the ultrasonic transmitter ( 1 ) for the ultrasonic range from 2 to 10 MHz, which funnel ( 2 ) at its end in a tube ( 3 ) expires, the diameter of which is in the order of 10 wavelengths of the transmitted ultrasound wave.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Trichter (2) anstatt in ein Rohr in einen entspre­ chend dimensionierten Wellenleiter ausläuft.3. Apparatus according to claim 2, characterized in that the funnel ( 2 ) runs out instead of in a tube in a correspondingly dimensioned waveguide.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Trichter (2) und das Rohr (3) aus einem Festkör­ per bestehen.4. The device according to claim 3, characterized in that the funnel ( 2 ) and the tube ( 3 ) consist of a solid by.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Trichter (2) und das Rohr (3) aus einem schallab­ sorbierenden Material, vorzugsweise Kunststoff, bestehen.5. The device according to claim 4, characterized in that the funnel ( 2 ) and the tube ( 3 ) consist of a sound absorbing material, preferably plastic.
6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Trichter (2) und das Rohr (3) in einem Flüssigkeits­ bad oder einer Gasatmosphäre angeordnet sind.6. The device according to claim 2, characterized in that the funnel ( 2 ) and the tube ( 3 ) in a liquid bath or a gas atmosphere are arranged.
7. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Trichter (2) und das Rohr (3) von einem Festkörper umgeben sind.7. The device according to claim 2, characterized in that the funnel ( 2 ) and the tube ( 3 ) are surrounded by a solid.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (3) gerade oder gebogen verläuft.8. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the tube ( 3 ) is straight or curved.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO1991005331A1 (en) * 1989-10-06 1991-04-18 Consejo Superior Investigaciones Cientificas Electroacoustic unit for generating high sonic and ultrasonic intensities in gases and interphases

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"Technische Akustik-Ausgewählte Kapitel", 3. Aufl., 1982, expert verlag, S. 18-24 *

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