DE69119136T2

DE69119136T2 - Akustische Bilderfassung

Info

Publication number: DE69119136T2
Application number: DE1991619136
Authority: DE
Inventors: John D Larson
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1990-04-11
Filing date: 1991-03-12
Publication date: 1996-12-12
Anticipated expiration: 2011-03-13
Also published as: EP0451517B1; EP0451517A1; DE69119136D1; JPH04227240A

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf die Verarbeitung eines akustischen Signais, das an einer Mehrzahl von Empfängern ankommt, und auf die Kompensierung einer Zeitverschiebung, die dem Empfang dieses Signais bei verschiedenen Empfängern zugeordnet ist.
Bei der akustischen Abbildung werden Ultraschallsignale im allgemeinen mit Frequenzen im Bereich von 1-10 MHz verwendet, um Bilder von benachbarten Objekten durch den Empfang von Wellen, die von solchen Objekten reflektiert wurden, oder von Wellen, die von solchen Objekten durchgelassen oder gebeugt wurden, geschaffen. Eine Version einer solchen Abbildung ist die zweidimensionale Echokaridographie, die eine Rekonstruktion der Objekte aus den Echowellen verwendet, die von jedem Objekt in dem Weg der gesendeten Welle reflektiert wurden, die durch ein Array von Empfängern empfangen wird, die benachbart zu dem Objekt, aber voneinander beabstandet angeordnet sind.
Dort wo eine Welle, die sich in einem ersten Medium mit einer akustischen Impedanz z&sub1; = &sub1;v&sub1;( &sub1; und v&sub1; sind die Massendichte bzw. die Ausbreitungsgeschwindiqkeit im Medium Nr. 1) bewegt, ein zweites Medium unter einem normalen Einfallwinkel antrifft, wird die einfallende Welle teilweise durch diese Oberfläche mit einem Amplitudenreflexionskoeffizienten reflektiert, der durch r = (Z&sub2; - Z&sub1;)/(Z&sub2; + Z&sub1;) gegeben ist. Diese Reflexion wird sich mit dem Einfallwinkel ändern. Bei einem weichen Gewebe eines menschlichen Körpers verändert sich der Reflexionskoeffizient von -10 dB (zwischen Fett und Muskel) auf etwa -23 dB (zwischen Niere und Milz). Dies entspricht Niedrigpegel-Reflexionen mit weniger als 1%, so daß der größte Teil der akustischen Energie durch die Schnittstelle durchgelassen wird und für Abbildungsstrukturen verfügbar ist, die weiter von dem Sender entfernt liegen. Eine Reflexion mit relativ hohem Betrag kann an der Schnittstelle Knochen/Muskel stattfinden, die einen Reflexionskoeffizienten von etwa 40% (-4 dB) hat. In diesem Fall wird lediglich etwa die Hälfte der Energie durchgelassen und ist für die Abbildung tieferer Strukturen verfügbar.
Ein weiteres Problem bei der akustischen Abbildung von relativ weichen Strukturen, wie zum Beispiel Körperorganen und Geweben, besteht darin, daß die Ausbreitung einer Welle in einem bestimmten Körperorgan oder Gewebe eine zugeordnete Dämpfung mit einem stark frequenzabhängigen Dämpfungskoeffizienten aufweist. Das heißt, daß, wenn sich eine Welle in einem solchen Medium ausbreitet, verringert sich deren Intensität I von ihrem anfänglichen Wert I&sub0; mit zunehmender Ausbreitungsentfernung z, gemäß der Beziehung:
I = I&sub0; exp[-2αz] (1)
wobei sich der Dämpfungskoeffizient a nahezu linear mit der zeitlichen Frequenz f der Welle erhöht: α (f) = α&sub0; + α&sub1;f mit α&sub1;= 0,1 - 1 dB/cm - MHz Eine akustische Welle mit 3 MHz, die 20 cm durch weiches Gewebe gelaufen ist, hat folglich beispielsweise eine Intensität, die 60 dB (ein Faktor von 10&supmin;&sup6;) unter ihrem anfänglichen Intensitätspegel liegt; und wenn die Frequenz auff = 10 MHz erhöht wird, würde dieser akustische Strahl 200 dB unterhalb seinem anfänglichen Intensitätspegel sein. Aus diesem Grund werden akustische Wellen mit niedrigeren Frequenzen in der Größenordnung von 1 - 5 MHz zur Abbildung von Strukturen tief im Körper verwendet, und akustische Wellen mit höherer Frequenz, f = 10 MHz, werden zur Abbildung von Strukturen nahe an der Oberfläche innerhalb des Körpers verwendet.
Die Geschwindigkeit der Ausbreitung einer Welle mit einer nominalen Frequenz von 1 - 10 MHz innerhalb des Körpers liegt im Bereich von 1,41 x 10&sup5; bis 1,59 x 10&sup5; cm/sek für verschiedene Körperorgane und ist in diesem Bereich nicht stark frequenzabhängig. Ein Mittelwert der Wellenausbreitungsgeschwindigkeit vb im menschlichen Körper von 1,54 x 10&sup5; cm/sek wird oft für Modellzwecke verwendet. Eine Ausnahme bezüglich der Verwendung dieses Mittelwertes ist der menschliche Knochen, der eine Wellenausbreitungsgeschwindigkeit von 4,08 x 10&sup5; cm/sek und eine charakteristische Impedanz aufweist, die etwa das Fünffache derjenigen von weichen Organen im Gewebe innerhalb des menschlichen Körpers ist.
Dort, wo zwei oder mehr benachbarte Organe oder Gewebeschnittstellen innerhalb eines menschlichen Körpers akustisch abgebildet werden, wird, wenn diese Objekte an unterschiedlichen Entfernungen von der Quelle oder dem Sender der Welle liegen, die reflektierten Wellen an dem Empfänger zu unterschiedlichen Zeitpunkten ankommen und möglicherweise aus unterschiedlichen Richtungen relativ zu einer Mittellinie, die die Ausrichtung des Arrays aus Signalempfängern definiert. Dies hat zumindest zwei Konsequenzen. Erstens kann die ankommende Welle von irgendeinem Objekt nicht planar sein und kann aus einer Richtung ankommen, die einen Einfallwinkel ungleich Null relativ zu dem Empfängerarray definiert. Zweitens werden zwei ankommende Wellen, die durch zwei beabstandete Objekte erzeugt werden, im allgemeinen zu unterschiedlichen Zeitpunkten mit unterschiedlichen Einfallwinkeln und unterschiedlichen Formen der ankommenden Wellen ankommen. Andere Arbeiter auf diesem Gebiet riefen oft nach einer dynamischen Fokussierung, bei der jedem Empfänger in dem Empfängerarray eine variable zeitverzögerung gegeben wird, die vergleichbar mit der Richtung ist, aus der eine gegebene ankommende Welle ankommt. Wenn zwei solche Wellen zeitlich ausreichend getrennt sind, kann ein Satz von Zeitverzögerungen, die einem Array von Empfängern zugeordnet sind, durch einen zweiten Satz von Zeitverzögerungen in dem Zeitintervall zwischen der Ankunft der ersten ankommenden Welle und der Ankunft der zweiten ankommenden Welle ersetzt werden. Dies ist von Brookner in "Phased Array Radar", Scientific American (Januar 1985) Seiten 94-102 beschrieben.
Ein Beispiel für diesen Ansatz ist im U.S. Patent Nr. 4,116,229, erteilt an Pering für eine akustische Abbildungsvorrichtung offenbart. Eine Zeitverzögerung, die einem gegebenen Empfänger oder einer Sende/Empfangseinrichtung oder einem Wandler zugeordnet ist, wird in einen ersten großen Zeitverzögerungsbeitrag, der durch eine Abgriffstelle auf der Hauptverzögerungsleitung eingestellt wird, und in eine zweite, kleinere inkrementale Zeitverzögerung zerlegt, die durch einen steuerbaren Schaltersatz gesteuert wird. Die Gesamtzeitverzigerung schließt den ersten und den zweiten Beitrag zu der Zeitverzögerung ein, und die inkrementalen Zeitverzögerungen können zu einem vorbestimmten Zeitpunkt durch Verwendung der Schalter verändert werden. Eine ähnliche Idee ist im U.S. Patent Nr. 4,140,022, erteilt an Maslak, offenbart, bei der die Fokussierung durch Einstellen der Phasen der Wellen erfolgt. Ein Mischer, in dem die Phase des Lokaloszillators variiert wird, bewirkt die fokussierende Phasenvariation in dem Signal.
Die GB-A-2011075 offenbart ein Ultraschallabbildungssystem zur Verarbeitung von Bildsignalen mit einem linearen Array von Wandlerelementen, Zeitverzögerungsschaltungen, Summierungsverstärkern zum Summieren von verzögerten Echosignalen von aktiven Ernpfangskanälen, um ein fokussiertes Echosignal zu schaffen, einen Abtastumwandler, Wobbeitreiber und eine Kathodenstrahlröhre, auf deren Bildschirm ein Sektorbild angezeigt wird.
Die US-A-4,340,872 offenbart eine kontinuierlich variable Verzögerungsleitung, die einen piezoelektrischen Kristall einschließt, mit einem Eingangswandler und einem Ausgangswandler. Ein Eingangssignal wird in eine akustische Oberflächenwelle zur Übertragung über die Oberfläche des Kristalls umgewandelt. Ein Steuerungssignal, das an die Steuerungselektroden, die an den Seitenoberf lächen des Kristalls befestigt sind, verändert die longitudinale Abmessungscharakteristik des Kristalls und steuert dadurch die Zeitverzögerung zwischen dem Eingang und dem Ausgang.
Jones offenbart im U.S. Patent Nr. 3,869,693 einen Strahlabtaster für eine ebene Welle, die unter einem Einfallwinkel von ungleich Null relativ zu einem linearen Array von Wandlern (von dem angenommen ist, daß es vertikal ist) ankommt. Die Wandler selbst erfassen die Ankunft, möglicherweise zu unterschiedlichen Zeitpunkten, der Wellenfront. Jeder Wand-1er ist mit einer Mehrkomponentenverzögerungsleitung versehen&sub1; die einschließt: (1) eine erste Komponente, die eine feste Zeitverzögerung Δt&sub1; einfügt, die sich progressiv mit einer Bewegung entlang des linearen Arrays von dem obersten Wandler zu dem untersten Wandler erhöht; (2) eine erste Gruppe von 7 Zeitverzögerungskomponenten, von denen jede dieselbe Zeitverzögerung Δt'&sub2; einführt, die sich von oben nach unten verringert, mit Δt'&sub2; Δt&sub1;; und (3) einer zweiten Gruppe von 3 Zeitverzögerungskomponenten, die Zeitverzögerungen von Δt"&sub2;/2, Δt"&sub2;/4 bzw. Δt"&sub2;/8 einführt. Die erste und die zweite Gruppe von Zeitverzögerungskomponenten werden verwendet, um eine kombinierte Zeitverzögerung zu schaffen, deren Betrag für ein Signal, das am Wandler ankommt, durch die Summe Δtc = M ΔtΔ&sub2; + (m&sub1;/2 + m&sub2;/4 + m&sub3;/8) Δt"&sub2; gegeben ist (M = 0, 1, 2 , ...., 7; m&sub1;, m&sub2;, m&sub3; sind jeweils 0 oder 1, unabhängig voneinander). Es erscheint, daß die Kombination der Zeitverzögerung Δtc mit der festen Zeitverzögerung Δt&sub1; kombiniert werden soll, um die Nettozeitverzögerung zu erhalten, mit der ein gegebener Wandler beaufschlagt werden soll. Die Nettozeitverzögerung, mit der ein gegebener Wandler beaufschlagt wird, ist nicht kontinuierlich, sondern hat 64 diskrete Werte, entsprechend der Auswahl der vier ganzzahligen Koeffizienten M, m&sub1;, rn&sub2; und m&sub3; der Kombinations zeitverzögerung Δtc.
Die Zeitverzögerung eines Signals, das durch einen ersten Wandler gesendet wird, und durch einen zweiten Wandler empfangen wird, kann durch Einfügen eines piezoelektrischen Elements, das sich zwischen den zwei Wandlern erstreckt, eingebracht werden. Im U.S. Patent Nr. 3,537,039, erteilt an Schafft, wird ein elektrisches Feld quer angelegt, um die Zeitverzögerung der Torsionsvibrationen des piezoelektrischen Materials, das das Signal von dem ersten Wandler zu dem zweiten Wandler führt, zu steuern.
Im U.S. Patent Nr. 4,342,971, erteilt an Alter, verändert das Anlegen eines elektrischen Querfeldes die Länge des piezoelektrischen Elements, das zwischen dem ersten und dem zweiten Wandler eingefügt ist, und schafft eine steuerbare Zeitverzögerung für ein Signal, das zwischen den beiden Wandlern gesendet wird. Dieser Ansatz ist ebenfalls im U.S. Patent Nr. 4,401,956, erteilt an Joshi, offenbart. Bei allen diesen Patenten erscheint die variable Zeitverzögerung, die durch das elektrische Feld, das an das piezoelektrische Element angelegt ist, eingeführt wird, höchstens einige wenige Prozent der Zeitverzögerung zu sein, die dem piezoelektrischen Element ohne angelegtes elektrisches Feld zugeordnet ist.
Dort, wo im Stand der Technik die Einrichtung zum Schaffen einer Zeitverzögerung explizit offenbart ist, erscheinen diese Geräte sehr groß und elektronisch komplex zu sein, so daß lediglich eine bescheidene Anzahl von Empfängern mit variablen Zeitverzögerungen versehen werden kann. Oft sind die Einrichtungen zum Schaffen einer solchen variablen Zeitverzögerung nicht offenbart.
Um eine geeignete Abtastung einer ankommenden Welle für einen Einfallswinkel von 0º bis 90º zu schaffen, sollten die Empfänger in dem Array um nicht mehr als die Hälfte der Wellenlänge, die der Mittelfrequenz der ankommenden Welle entspricht, beabstandet sein, entsprechend der Nyquist-Theorie der (Unter)-Abtastung. Wenn die Mittenfrequenz zu f = 5 MHz gewählt ist, und eine Ausbreitungsgeschwindigkeit von v = 1,54 x 10&sup5; angenommen wird, sollte die Empfänger-zu-Empfänger Beabstandung λ/2 = v/2f = 154 µm oder kleiner sein. Ein eindimensionales Array mit einer bescheidenen Anzahl von N = 100 solcher Empfänger würde erfordern, daß alle diese Empfänger entlang einer Entfernung von etwa 1,5 cm linear ausgerichtet und gleichmäßig beabstandet sind. Für ein zweidimensionales Array mit N = 10&sup4; solchen Empfängern müßten diese vielen Empfänger in einer rechteckigen oder ähnlichen Flächenf igur mit etwa 2,25 cm² angeordnet sein. Es ist unwahrscheinlich, daß dies für die Empfänger mit variabler Zeitverzögerung, die in der vorher genannten Literatur beschrieben sind, durchgeführt werden könnte.
Es wird eine akustische Abbildungsvorrichtung benötigt, die das Einbringen einer steuerbaren, variablen Zeitverzögerung in das Signal, das an jedem Empfänger erzeugt wird, ermöglicht, und die es ermöglicht, eine große Anzahl von solchen Empfängern entlang einer sehr kurzen Länge oder in einem sehr kleinen Bereich, die das Empfängerarray darstellen, anzuordnen. Solche Empfänger sollten es bevorzugterweise auch ermöglichen, die Zeitverzögerung irgendeines Empfängers in einer Zeit in der Größenordnung von Millisekunden oder weniger zu ändern, um eine geeignete Diskriminierung zwischen zwei ankommenden akustischen Wellen, die zwei unterschiedlichen Objekten, die durch die Vorrichtung abgebildet werden sollen, entsprechen, zu schaffen.

Zusammenfassung der Erfindung

Dieses Bedürfnis wird durch eine Vorrichtung erfüllt, die eine Mehrzahl von Signalempfängern mit sehr kleiner Größe einschließt, wobei jeder Empfänger eine Zeitverzögerungseinrichtung hat, die mit diesen verbunden ist, um eine getrennt bestimmte Zeitverzögerung in das ankommende Signal einzuführen, das an diesem Empfänger empfangen wird, und um die Zeitverzögerungen zu vorbestimmten Zeitpunkten in einem Zeitintervall, das nicht länger als 1 Mikrosekunde ist, zu ändern.
Die Zeitverzögerung schließt einen großen oder groben Zeitverzögerungsbeitrag und einen feinen Zeitverzögerungsbeitrag ein, wobei eine grobe Zeitverzögerung einer Mehrzahl von Ernpfängern dienen kann und zu einem vorbestimmten Zeitpunkt verändert werden kann. Jede feine Zeitverzögerung ist für einen oder einige wenige Empfänger spezifisch und kann ebenfalls zu einem vorbestimmten Zeitpunkt unabhängig von der Zeit, zu der der grobe Zeitverzögerungsbeitrag verändert wird, verändert werden. Die zeitverzögerten Signale der Empfänger werden durch eine Signalsummierungseinrichtung empfangen, die die Summe solcher Signale bildet, und ein Signaldetektor empfängt diese Summe und stellt es als ein elektrisches Signal, zum Beispiel in der Form eines Graphen auf einem Bildschirm einer Kathodenstrahlröhre, dar. Die feine Zeitverzögerung eines gegebenen Empfängers kann durch Weiterleiten eines an diesem empfangenen Signals durch eine Länge eines piezoelektrischen Kristalls erzeugt werden, das ein Paar von elektrisch/mechanischen Energiewandlern aufweist, die an den longitudinalen Enden des Wandlers angeordnet sind.
Zwei parallele Elektroden sind auf einem Paar von Seitenoberflächen des Kristalls angeordnet, um ein elektrisches Querfeld zu schaffen, dessen unmittelbare elektrische Querfeldstärke die Geschwindigkeit der Ausbreitung einer piezoelektrisch erzeugten mechanischen Welle bestimmt, die sich von einem Wandler zum anderen Wandler bewegt. Die elektrische Feldintensität, die durch die zwei Elektroden erzeugt wird, kann in einer Zeit in der Größenordnung von einer Mikrosekunde verändert werden, so daß die feine Zeitverzögerung, die in das Signal, das an diesem Empfänger empfangen wird, eingeführt wird, schnell und steuerbar verändert werden kann. Jedes piezoelektrische Kristall kann eine Querbreite oder eine Entfernung zwischen den zwei Elektroden in der Größenordnung von 200 µm oder weniger haben, so daß die Herstellung einer neuen elektrischen Feldintensität innerhalb des Kristalls leicht innerhalb eines Zeitintervalls in der Größenordnung von einer Mikrosekunde erreicht wird. Die Beabstandung von benachbarten Empfängern, die entweder in einem eindimensionalen Array oder in einem zweidimensionalen Array angeordnet sind, beträgt λ/2 oder weniger, wobei λ die Wellenlänge ist, die der Mittenfrequenz der ankommenden akustischen Welle zugeordnet ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Draufsichtdarstellung der Gesamtanordnung der Erfindung bei einem eindimensionalen Ausführungsbeispiel.
Fig. 2 ist eine Draufsichtdarstellung der Zeitverzögerungseinrichtung in Fig. 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung, die einen Wellenwobbeldurchgang über ein planares Array von Empfängern unter einem Einfallwinkel nahe bei Θ = 90º darstellt.
Fig. 4 ist eine Draufsichtdarstellung der Zeitverzgerungseinrichtung in Fig. 1 gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Beste Art zur Ausführung der Erfindung

In Fig. 1 ist eine ebene Welle 10 dargestellt, die an einer Empfängervorrichtung 11 unter einem Einfallwinkel Θ relativ zu einer Ebene, die ein eindimensionales Array von Empfängern 13-i (i= 1, 2, 3, ..., N) enthält, ankommt. Das eindimensionale Array der Empfänger 13-i kann linear ausgerichtet sein oder kann entlang einer Kurve, die in einer Ebene liegt, ausgerichtet sein. Jeder Empfänger 13-i empfängt zuerst ein Signal, das anzeigt, daß eine ankommende akustische Welle zu einem Zeitpunkt ti vorhanden ist, wobei die Ankunftszeiten derart sind, daß gilt t&sub1; < t&sub2; < t&sub3; < ... ( tN. Das an einem Empfänger 13-i empfangene Signal wird auf einer ersten Transportleitung 15-i an ein Zeitverzögerungsmodul 17-i gesendet, das eine Zeitverzögerung in das ankommende Signal in der Größenordnung von maximal ΔTD = tN - t&sub1; einfügen kann. Die maximale Zeitverzögerung ΔTD ist für jedes der Zeitverögerungsmodule die gleiche.
Jedes Zeitverzögerungsmodul 17-i kann eine unabhängige Zeitverzögerung Δt einfügen, die die Bedingung 0 < Δt < Td erfüllt. Die bei den Zeitverzögerungsmodulen 17-i eingefügten Zeitverzögerungen können derart sein, daß das empfangene Signal, das durch jedes der Zeitverzögerungsrnodule ausgegeben wird, im wesentlichen zum selben Zeitpunkt ausgegeben wird, so daß die anfängliche Zeitdifferenz tj - t&sub1; (i < j) durch die jeweiligen Zeitverzögerungen, die durch die Zeitverzögerungsmodule 17-i und 17-j eingefügt wurden, exakt kompensiert ist. Das Signal, das durch die Zeitverzögerungsmodule 17-i empfangen wird,. in das die geeignete Zeitverzögerung eingefügt ist, wird dann auf einer zweiten Transportleitung 19-i ausgegeben; und die Sammlung der Signale, die auf den Transportleitungen 19-1, 19-2, 19-3 , 19-N geführt ist, wird an einem Signalsummierungs- und Erfassungsgerät 21 empfangen, das diese Signale summiert und ein elektrisches Signal erzeugt, das diese Summe darstellt. Dieses Summensignal wird dann auf einer dritten Transportleitung 23 für eine nachfolgende Verarbeitung oder graphische oder numerische Darstellung ausgegeben.
Jedes Zeitverzögerungsmodul 17-i (i = 1, 2, 3 ...., N) in Fig. 1 fügt ein grobes oder großes Zeitverzögerungsinkrement ΔtL und ein feines oder kleines Zeitverzögerungsinkrement ΔtS gemäß der Erfindung ein, wobei ΔtL etwa ein Mehrfaches von 50 nsek ist, und wobei ΔtS auf einem Kontinuum (was einen kontinuierlichen Bereich der Werte annimmt) definiert ist oder etwa ein Mehrfaches einer kleinen Zeiteinheit, wie zum Beispiel eine Nanosekunde, ist.
Fig. 2 stellt ein Ausführungsbeispiel der drei Zeitverzögerungsmodule 17-1, 17-2 und 17-3 dar. Das Zeitverzögerungsmodul 17-1 schließt einen piezoelektrischen Kristall 31-1, bevorzugterweise in rechteckiger Form mit einer longitudinalen Länge L und einer Querbreite W, mit zwei Signalelektroden 33-1 und 35-1, die an zwei longitudinalen Enden des Kristalls 31-1 angeordnet sind, ein. Zwei Steuerungselektroden 37-1 und 39-1 sind an zwei Querfronten des Kristalls angeordnet, so daß diese Elektroden voneinander beabstandet sind und etwa parallel und einander gegenüberliegend sind. Die zwei Steuerungselektroden 37-1 und 39-1 sind mit einer variablen Spannungsquelle 41-1 verbunden, so daß die Spannungsdifferenz (bis zu 300 Volt) zwischen den zwei Elektroden in einem Zeitintervall in der Größenordnung von einer Mikrosekunde schnell verändert werden kann und dann für ein bestimmtes Zeitintervall auf einem konstanten Spannungsdifferenzpegel gehalten werden kann, um eine vorgeschriebene Zeitverzögerung zu bewirken. Die erste Signalelektrode 33-1 liegt auf Masse, und die zweite Signalelektrode 35-1 ist mit einer internen Transportleitung 40-1 an einem Ende und mit einem ersten Schalter 51-1 an dem anderen Ende der Leitung 40-1 verbunden. Der piezoelektrische Kristall 31-1, die Signalelektroden 33-1 und 35-1, die zwei Steuerungselektroden 37-1 und 39-1, die variable Spannungsquelle 41-1 und die Ausgangsleitung 40-1 bilden zusammen den Abschnitt des Zeitverzögerungsmoduls 17-1, das ein feines oder kleines Zeitverzögerungsinkrement schafft. Die anderen Zeitverzögerungsmodule 17-2, 17-3, ...., 17-N sind ähnlich aufgebaut. Wenn ein elektrisches Feld ungleich Null auf den Kristall 31-1 in einer Querrichtung einwirkt, wird sich die Geschwindigkeit der Ausbreitung einer akustischen Welle innerhalb des Kristalls in eine longitudinale Richtung um eine Grße andern, die etwa proportional zur Größe des elektrischen Querfeldes ist, einschließlich der Polarität des elektrischen Feldes. Die Tabelle 1 zeigt einige der relevanten piezoelektrischen Parameter für unterschiedliche piezoelektrische Kristalle, die heutzutage erhältlich sind. Geeignete Materialien schließen Bleizirkonattitanat, Bleititanat und andere ferroelektrische keramische Materialien ein, die Fachleuten bekannt sind, die eine Piezoelektrizität mit einer Schallgeschwindigkeit aufweisen, die spannungsabhängig ist. Tabelle I Parameter relevanter piezoelektrischer Kristalle Kristall Parameter Clevite Ceramic Clevite Dichte ( ) in gm/cm³ Ausbreitungs- geschwindigkeit (v) bei 0 psi in km/sek partielle Änderung der Ausbreitungs-geschwindigkeit bei Volumennachgie-bigkeit in M-sek²/Kgm
Die Geschwindigkeit der longitudinalen Wellenausbreitung in einem piezoelektrischen Kristall mit Querpolung ist gegeben durch
v = ( S&sub1;&sub1;E)-1/2 (2)
Die Phasenverschiebung, die bei einer Welle bei einer Frequenz f angetroffen wird, während sich diese longitudinal um eine Entfernung L durch den Kristall ausbreitet, ist durch φ (in Grad) = - 36º0 (fL/v) gegeben. Die partielle Änderung der Phasenverschiebung φ mit einer Änderung der Welle und der Kristallvariablen f, L und v wird zu Δφ/φ= Δf/f + ΔL/L - Δv/v (3)
Für eine nominale Ausbreitungsgeschwindigkeit in einer PZT- 5A Keramik von etwa v = 3 km/sek, einer Blocklänge von 0,176 cm (als fest angenommnen) und einer Signalfrequenz von f = 5 MHz erfährt eine Welle, die sich in einem Medium bei p = 1000 psi, was etwa 6,9 MPa entspricht, eine Gesamtphase von φ = 1056º. Eine Druckänderung von Δp = 2000 psi (etwa 13,8 MPa) erzeugt eine partielle Volumennachgiebigkeitsverschiebung von - 0,17, was einer partiellen Phasenverschiebungsänderung von Δφ/φ= Av/v = S&sub1;&sub1;E/2S&sub1;&sub1;E = 0,085 (4)
entspricht.
Die Spannung T, die erforderlich ist, um die erforderliche Änderung S&sub1;&sub1;E zu erzeugen, beträgt T = 1,38 x 10&sup8; Newton/M². Die elektrische Feldstärke, die erforderlich ist, um die erforderliche Änderung von S&sub1;&sub1;E zu erzeugen, beträgt dann:
Die entsprechende Spannungsdifferenz über den Kristall mit einer Breite von W = 0,0127 cm wird zu
V = E&sub1; W = 193 Volt (6)
Dies entspricht einer 90º Änderung der Phasenverschiebung und einem Spannungsempf indlichkeitsfaktor von
Δφ/ΔV = 0,47 Grad/Volt (7)
Die Phasenverschiebungsänderung, oder äquivalent die Zeitverzögerung, die in eine Welle eingefügt wird, die sich entlang der Länge eines piezoelektrischen Kristalls bewegt, kann folglich unter Verwendung einer angelegten Spannungsdifferenz zwischen den zwei Elektroden gesteuert werden. Das Maximum, das der Zeitverzögerung für eine angenäherte Ausbreitungsgeschwindigkeit von v = 3x10&sup5; cm/sek und einer Länge von L = 0,176 cm für die Spannungsdifferenz von 193 Volt zugeordnet ist, beträgt
(Δt)max = (L/v)(-Δv/v)/(1+(Δv/v)) = 52 nsek (8)
Die tatsächliche Zeitverzögerung Δt kann kontinuierlich und nahezu linear von 0 bis 50 Nanosekunden durch Verändern der Spannungsdifferenz zwischen den Elektroden verändert werden.
Die Gesamtzeitverzögerung des Moduls 17 kann dann aus einem fein skalierten oder kleinen Beitrag ΔtS (0 < ΔtS ( 50 nsek) plus einem grob skalierten oder großen Beitrag ΔtL bestehen, wobei ΔtL ein ganzzahliges Vielfaches M ΔtC (M = 0, 1, 2, ...) einer Zeitverzögerung ΔtC einer geeigneten Größe, wie zum Beispiel 25 Nanosekunden oder 50 Nanosekunden ist. Die obere Grenze für ΔtS kann jedes Zeitintervall sein, abhängig von der geeigneten Auswahl des Kristallmaterials (und folglich der Ausbreitungsgeschwindigkeit v) und der Kristallänge L. Die Auflösung der feinskalierten Zeitverzögerung kann eine Nanosekunde oder sogar kleiner sein, wenn dies erwünscht ist.
Wenn die Wellenausbreitungsgeschwindigkeit in dem Körper zu vb = 1,54 x 10&sup5; cm/sek angenommen wird, wird eine Frequenz von f = 5 MHz eine zugeordnete Wellenlänge von λ = 308 µm erzeugen, wie dies oben beschrieben wurde. Wenn die Element-zu-Element-Beabstandung auf dem Array der Empfänger a = λ/2= 154 µm ist, wird eine Wellenfront, die sich nahezu parallel zu einer Ebene, die das Array der Empfänger enthält, bewegt, ein Zeitintervall von etwa
(Δtsp)max = a/v = 1/2f = 100 nsek (9)
erfordern, um sich von einem Empfänger zu einem benachbarten Empfänger zu bewegen, und diese Ausrichtung entspricht einem Welleneinfallwinkel von 900, wie es in Fig. 3 dargestellt ist. Für einen Einfallwinkel von Θ (0 ≤ Θ ≤ 90º) wird die Zeitintervallänge Δtsp allgemeiner zu
Δtsp = (1/2f) sine (10)
so daß die Wahl Θ = 30º eine Zeitintervallänge von Δtsp = 50 nsek erzeugen wird.
Dort wo bei einem piezoelektrischen Kristall anstelle einer Querpolung eine longitudinale Polung verwendet wird, wird die Geschwindigkeit der Wellenausbreitung zu
v = (oS&sub3;&sub3;E)-1/2 (11)
Die partielle Phasenverschiebung für eine Druckänderung von Δp = 2000 psi, siehe Gleichung (4), bleibt unverändert, und die elektrische Feldstärke E&sub1;, die erforderlich ist, um die Änderung von S&sub3;&sub3;E zu erzeugen, wird zu
E&sub1; = S&sub3;&sub3;Et/d&sub3;&sub1; = 1,32 x 10&sup4; Volt/cm (12)
Die entsprechende Spannungsdifferenz V über den Kristall und die Spannungsempfindlichkeit werden zu
V = E&sub1;W = 167 Volt (13) Δφ/ΔV = 0,54 Grad/Volt (14) für die Situation einer Querpolung. Die maximale Zeitverzögerung (Δt)max, die in Gleichung (9) gegeben ist, bleibt unverändert bei 52 nsek.
Eine kleine Gruppe von N benachbarten oder aufeinanderfolgenden Empfängern wird zugeordnete Zeitverzögerungen t&sub1;, t&sub2;, ..., tN haben, die wie folgt ausgedrückt werden können:
Δti = (ΔtS)&sub1; + (ΔtL)i mit
(ΔtL)&sub1; = (ΔtL)&sub2; = ... = (ΔtL)N.
Mit anderen Worten kann eine Gruppe von benachbarten und aufeinanderfolgenden Empfängern ausgewählt werden, für die die grob skalierten Zeitverzögerungsbeiträge ΔtL alle gleich sind, und sich die Empfängerzeitverzögerungen nur um dem klein skalierten Beitrag der Zeitverzögerung, ΔtS, unterscheiden, wenn überhaupt. In Fig. 2 mit N = 3 würde dies ausgeführt durch Zusammenfassen von: dem Schalter 51-1 in dem Modul 17-1 und den entsprechenden Schaltern in den Modulen 17-2 und 17-3; dem Schalter 53-1 in Modul 17-1 und den entsprechenden Schaltern in den Modulen 17-2 und 17-3; dem Schalter 55-1 in dem Modul 17-1 und den entsprechenden Schaltern in den Modulen 17-2 und 17-3; dem Schalter 57-1 im Modul 17-1 und den entsprechenden Schaltern in den Modulen 17-2 und 17-3; und dem Schalter 59-1 in Modul 17-1 und den entsprechenden Schaltern in den Modulen 17-2 und 17-3. Jedes der groben Zeitverzögerungsgeräte 43-1, 45-1, 47-1 und 49-1 könnte angeordnet sein, um eine grundsätzliche grobe Zeitverzögerung ΔtC einzufügen, die 50 nsek, 100 nsek, 150 nsek oder eine andere geeignete Größe sein könnte. Die gesamte grobe Zeitverzögerung würde dann ein ganzzahliges Mehrfaches N Δtc dieser grundsätzlichen groben Verzögerungszeit ΔtC sein. Die fein skalierte Zeitverzögerung ΔtS für die Signale, die sich auf den Signalleitungen 19-1, 19-2 und 19-3 ausbreiten, würde dann durch die jeweiligen piezoelektrischen Kristalle 31-1, 31-2 und 31-3 und die zugeordneten Elektronenpaare eingefügt.
Alternativ könnten, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist, die groben Zeitverzögerungsteilmodule 61-1, 63-1, 65-1 und 67-1 jeweilige grobe Zeitverzögerungen von Δtc, 2Δtc, 4ΔtC und 8Δtc einfügen, so daß die gesamte grobe Zeitverzögerung für das System wie folgt lautet
ΔtL = (n/2N)ΔtC (n = 0, 1, 2, ..., &sub2;N-1),
mit N = 4 in Fig. 4.
Die angelegten Steuerungsspannungen könnten in digitalen Schritten auf eine binäre Art angeordnet sein, oder könnten als eine kontinuierliche analoge Steuerung angelegt werden. Die groben Zeitverzögerungsmodule, die in den Fig. 2 und 4 gezeigt sind, können jeweils ein piezoelektrisches Element mit einem Wandler an einem Ende sein, oder können ein anderes Gerät sein, das eine feste Zeitverzögerung in die Signalausbreitung einfügt.

Claims

1. Vorrichtung zum Empfangen und Verarbeiten eines ankommenden akustischen Breitbandsignals, wobei die Vorrichtung folgende Merkmale aufweist:

ein Array von zwei oder mehr Signalempfängern (13), die in einem Array angeordnet sind, so daß jeder Empfänger das ankommende Signal (10), das ein Bild darstellt, empfängt und erfaßt;

eine Zeitverzögerungseinrichtung (17), die mit jedem der Signalempfänger (13) verbunden ist, um eine getrennt bestimmte Zeitverzögerung in das ankommende Signal einzufügen, das an jedem Signalempfänger empfangen wird, und um eine Zeitverzögerung zu einem vorbestimmten Zeitpunkt, nachdem ein ankommendes Signal (10) an dem entsprechenden Signalempfänger empfangen ist, zu verändern, wobei die Zeitverzögerung für jeden Empfänger durch die relative Position des Empfängers in dem Array der Empfänger bestimmt ist;

eine Signalsummierungseinrichtung (21), die mit der Zeitverzögerungseinrichtung (17) verbunden ist, um jedes der Mehrzahl der ankommenden Signale (19) mit getrennt bestimmten Zeitverzögerungen, die in dieses eingefügt sind, zu empfangen, und um die Summe dieser Signale zu bilden; und

einen Signaldetektor (21), der mit der Signalsummierungseinrichtung verbunden ist, um die Summe der Signale zu empfangen, und um diese Summe zu erfassen, und um die Summe als ein elektrisches Signal darzustellen,

dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitverzögerungseinrichtung eine gesteuerte große Zeitverzögerung ΔtL = M ΔtC (M = 0, 1, 2, ...), wobei ΔtC ein vorbestimmtes Zeitinkrement ist, plus eine kontinuierlich veränderbare kleine zeitverzögerung ΔtS, die die Bedingung 0 ≤ ΔtS ( (ΔtS) max erfüllt, einfügt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Array der Signalempfänger (13) ein eindimensionales Array der Empfänger ist, die etwa in einer geraden Linie angeordnet sind, wobei die Beabstandung von jeweils zwei benachbarten Empfängern etwa dieselbe ist.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, bei der die Beabstandung a der zwei benachbarten Signalempfänger (13) ungefähr durch a = v/2f bestimmt ist, wobei v die Geschwindigkeit der Ausbreitung des ankommenden Signals ist, bevor das ankommende Signal an den Signalempfängern ankommt.

4. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der das Array von Signalempfängern (13) ein zweidimensionales, planares Array ist, wobei die Ebene des Arrays ein zweidimensionales karthesisches Koordinatensystem (x, y) hat, wobei zumindest eine Gruppe der Signalempfänger entlang einer Linie x = konstant in der Ebene angeordnet ist, und wobei zumindest eine zweite Gruppe der Signalempfänger entlang einer Linie y = konstant in der Ebene angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der die Beabstandung von zwei beliebigen benachbarten Signalempfängern (13) auf einer der Linien x konstant etwa dieselbe ist.

6. Vorrichtung gemäß Anspruch 4, bei der die Beabstandung (a) der zwei benachbarten Empfänger (13) auf einer der Linien x = konstant etwa durch a = v/2f bestimmt ist, wobei v die Geschwindigkeit der Ausbreitung des ankorn menden Signals ist, bevor das ankommende Signal an den Signalempfängern ankommt.

7. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Zeitverzögerungseinrichtung folgende Merkmale umfaßt:

eine Mehrzahl von piezoelektrischen Kristallen (31) mit spannungsabhängiger Schallgeschwindigkeit, wobei ein solcher Kristall mit jedem der Signalempfänger (13) verbunden ist, wobei alle diese Kristalle nahezu dieselbe Länge L&sub1; in eine erste Kristallrichtung haben;

einen ersten und einen zweiten Wandler (33, 35) für jeden Kristall, um ein akustisches Signal in ein elektrisches Signal umzuwandeln, und um ein elektrisches Signal in ein akustisches Signal umzuwandeln, wobei die zwei Wandler an entgegengesetzten Enden des Kristalls entlang einer Linie in dem Kristall, die in eine erste Kristalirichtung ausgerichtet ist, angeordnet sind, wobei ein ankommendes akustisches Signal (10) an dem ersten Wandler empfangen wird, sich entlang der Länge (L&sub1;) des Kristalls in die erste Kristallrichtung ausbreitet und an dem zweiten Wandler empfangen wird und durch diesen ausgegeben wird;

eine erste und eine zweite Elektrode (37, 39) für jeden Kristall, um die kleine Zeitverzögerung (ΔtS) zu steuern, die der Ausbreitung eines Signals von einem Ende des Kristalls zum anderen Ende in die erste Kristallrichtung zugeordnet ist, wobei die erste Elektrode und die zweite Elektrode an entgegengesetzten Enden des Kristalls entlang einer Linie, die in eine zweite Kristallrichtung, die etwa senkrecht zu der ersten Kristallrichtung ist, ausgerichtet ist, angeordnet sind;

eine Spannungsquelle (41) mit variabler Spannung, die zwischen die erste und die zweite Elektrode geschaltet ist, um die Spannung zwischen diesen als eine Funktion der Zeit steuerbar zu verändern; und

eine Mehrzahl von groben Zeitverzögerungseinrichtungen (43, 45, 47, 49), wobei eine solche Einrichtung jedem piezoelektrischen Kristall zugeordnet ist und mit dem ersten Wandler oder dem zweiten Wandler des zugeordneten Kristalls verbunden ist, um das ankommende Signal zu empfangen und um die steuerbare große Zeitverzögerung ΔtL = M ΔtC einzufügen.

8. Vorrichtung gemäß Anspruch 7, bei der das piezoelektrische Kristailmaterial (31) eine ferroelektrische Keramik ist.

9. Vorrichtung gemäß Anspruch 8, bei das ferromagnetische Keramikmaterial (31) aus der Klasse ist, die aus Bleizirkonattitanat und Bleititanat besteht.

10. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die große Zeitverzögerung ΔtL etwa ein ganzzahliges Mehrfaches von 50 nsek ist, und bei der die kleine Zeitverzögerung (ΔtS) nicht kleiner als 1 nsek ist.

11. Zeitverzögerungsvorrichtung zum Einfügen einer Zeitverzögerung zwischen zwei oder mehr akustische Signale, die sich entlang getrennter Signalwege ausbreiten, wobei die Vorrichtung folgende Merkmale aufweist:

eine Mehrzahl von piezoelektrischen Kristallen (31) mit einer spannungsabhängigen Schallgeschwindigkeit, wobei ein solcher Kristall mit jedem der Signalwege verbunden ist, und alle diese Kristalle etwa dieselbe Länge L&sub1; in einer ersten Kristalirichtung haben;

einen ersten und einen zweiten Wandler (33, 35) für jeden Kristall, um ein akustisches Signal in ein elektrisches Signal umzuwandeln, und um ein elektrisches Signal in ein akustisches Signal umzuwandeln, wobei die zwei Wandler an entgegengesetzten Endes des Kristalls entlang einer Linie in dem Kristall, die in eine erste Kristallrichtung ausgerichtet ist, angeordnet sind, wobei ein ankommendes akustisches Signal (10) an dem ersten Wandler empfangen wird, sich entlang der Länge L&sub1; des Kristalls in der ersten Kristallrichtung ausbreitet und an dem zweiten Wandler empfangen wird und durch diesen ausgegeben wird;

eine erste und eine zweite Elektrode (37, 39) für jeden Kristall, um eine kleine Zeitverzögerung zu steuern, die der Ausbreitung eines Signals von einem Ende des Kristalls zum anderen Ende in eine erste Kristallrichtung zugeordnet ist, wobei die erste Elektrode und die zweite Elektrode an entgegengesetzten Seiten des Kristalls entlang einer Linie in dem Kristall, die in eine zweite Kristallrichtung, die etwa senkrecht zu der ersten Kristallrichtung ist, ausgerichtet ist, angeordnet sind;

eine Mehrzahl von groben Zeitverzögerungseinrichtungen (43, 45, 47, 49), wobei eine solche Einrichtung jedem piezoelektrischen Kristall zugeordnet ist und mit dem ersten Wandler oder mit dem zweiten Wandler des zugeordneten Kristalls verbunden ist, um das ankommende Signal zu empfangen, und um eine steuerbare große Zeitverzögerung ΔtL = M ΔtC einzufügen, wobei M eine nicht negative ganze Zahl ist und ΔtC ein vorbestimmtes Zeitinkrement ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der das piezoelektrische Kristallmaterial (31) eine ferroelektrische Keramik ist.

13. Vorrichtung gemäß Anspruch 12, bei der das ferroelektrische Keramikmaterial (31) aus der Klasse ausgewählt ist, die aus Bleizirkonattitanat und Bleititanat besteht.

14. Ein Verfahren zum Empfangen und Verarbeiten eines ankommenden akustischen Breitbandsignals, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:

Bereitstellen eines Arrays von zwei oder mehr Empfängern (13), die in einem Array angeordnet sind, so daß jeder Empfänger das ankommende Signal (10), das ein Bild darstellt, empfängt und erfaßt;

Einfügen einer getrennt bestimmten und steuerbaren zeitverzögerung (17) in das Bildsignal, das an jedem Empfänger empfangen wird, wobei die Zeitverzögerung durch die relative Position eines Empfängers in dem Array der Empfänger bestimmt ist; und

Bereitstellen einer Signalsummierungseinrichtung (21), um jedes der zeitverzögerten ankommenden Signale zu empfangen, und um die Summe dieser Signale als ein elektrisches Signal zu bilden und auszugeben;

dadurch gekennzeichnet,

daß die Zeitverzögerung aus einer Summe eines großen Zeitverzögerungsinkrements ΔtL = M ΔtC (M = 0, 1, 2, ...), wobei ΔtC ein vorbestimmtes Zeitinkrement ist, plus eines kontinuierlich veränderlichen kleinen Zeitverzögerungsinkrement ΔtS, das die Bedingung 0 ≤ ΔtS ≤ (ΔtS)max erfüllt, besteht.