DE938447C

DE938447C - Process for generating visible ultrasound images

Info

Publication number: DE938447C
Application number: DEV5477A
Authority: DE
Inventors: Hans-Joachim Dr Martin
Original assignee: Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 1953-02-18
Filing date: 1953-02-18
Publication date: 1956-02-02

Description

Verfahren zur Erzeugung sichtbarer Ultraschallbilder Die bisher bekanntgewordenen Verfahren zur Erzeugung von sichtbaren Ultraschallbildern setzen meist die beiderseitige Zugänglichkeit des zu prüfenden Objektes voraus. Diese Bedingung führt in Anbetracht der Tatsache, daß der Zugang zur Rückseite des Prüfobjektes oft nur schwierig oder überhaupt nicht möglich ist, zu einer erheblichen Einschränkung in der Anwendungsmöglichkeit gegenüber den bereits bekannten Ultraschallmeßgeräten, wie z. B. das unter dem Namen »Defektoskop« im Handel befindliche Gerät und Dickenmesser, die auch für die Messung von nur einseitig zügänglichen Körpern verwendet werden können. Sichtgeräte ermöglichen abler wegen des visuellen Eindrucks stets eine schnellere und vollkommenere Beurteilung der zu prüfenden Stelle als reine Meßgeräte.Process for generating visible ultrasound images The ones that have become known so far Processes for generating visible ultrasound images are usually used on both sides Accessibility of the object to be checked. This condition leads in consideration the fact that access to the rear of the test object is often difficult or is not possible at all, to a considerable restriction in the application possibilities compared to the already known ultrasonic measuring devices such. B. that under the name »Defektoskop« a commercially available device and thickness gauge that are also used for measurement can be used by bodies that are only accessible on one side. Enable viewing devices But because of the visual impression, the assessment is always faster and more complete the body to be tested as pure measuring instruments.

Es ist auch bereits der Vorschlag gemacht worden, ähnlich wie heim Ikonoskop ein von Ultraschallwellen erregtes Quarzmosaik mit - Hilfe eines Eiektronenstrahls abzutasten und die den Teilladungen des Mosaiks entsprechlenden Ströme nach ausreichender Verstärkung zur Bildzusammensetzung auf dem Bildschirm einer Kathodenstrahlröhre zu benutzen. Der Aufwand für die Durchführung dieses Verfahrens entspricht etwa dem für die Bildaufnahme und Wiedergabe in der Fernsehtechnik und ist infolgedessen für die Zwecke der Materialprüfung untragbar hoch. The suggestion has already been made, similar to home Iconoscope a quartz mosaic excited by ultrasound waves with the help of an electron beam to be scanned and the currents corresponding to the partial charges of the mosaic for sufficient Gain for composing images on the screen of a cathode ray tube to use. The effort required to carry out this procedure is roughly the same that for image recording and playback in television technology and is consequently unacceptably high for the purposes of material testing.

Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zur Erzeugung von sichtbaren Ultrashcallbildern, das für nur einseitig zugängliche Prüfobjekte, beispielsweise m in der Materialprüfung oder medizinischen Diagnostik, geeignet ist und einen wesentlich geringeren Aufwand erfordert. Gemäß der Erfindung wird die Ultraschallfrequenz in Form von kurzzeitigen Impulsen einem Piezo-Schallgeber über eine um seinen Mittelpunkt rotierende streifen- förmige Abtastelektrode zugeleitet, und die vom zu untersuchenden Objekt reflektierten Ultraschallwellen werden zur Helligkeitssteuerung eines synchron mit den Impulsen in radialer Richtung abgelenkten und synchron mit der Abtastelektrode rotierenden Elektronenstrahls einer Braunschen Röhre benutzt. Dabei kann zur Abstrahlung der Ultraschallimpulse und zum Empfang der vom zu untersuchenden Objekt reflektierten Impulse der gleiche pi, ezoeTektrischle Schwinger, beispielsweise eine kreisrunde Quarzplatte mit einer dünnen I (up£erfolieneXektrode auf der Abstrahluyngsseite, verwendet werden. Auf der gegenüberliegenden Seite sdes Quarzes befindet sich die aus einem schmalen Metallstreifen bestehende Abtastelektrode, die um den Mittelpunkt des Quarzes drehbar ist. The invention is directed to a method for generating visible Ultrashcall images for test objects that are only accessible from one side, for example m in materials testing or medical diagnostics, is suitable and essential requires less effort. According to the invention, the ultrasonic frequency in Form of short-term impulses from a piezo sounder about its center point rotating stripes shaped scanning electrode supplied, and the Ultrasonic waves reflected by the object to be examined are used to control the brightness one deflected synchronously with the pulses in the radial direction and synchronously with the scanning electrode rotating electron beam of a Braun tube. It can be used to emit the ultrasonic pulses and to receive the from to be examined Object reflected pulses of the same pi, ezoeTectric oscillator, for example a circular quartz plate with a thin electrode on the radiation side, be used. On the opposite side of the quartz is the A scanning electrode consisting of a narrow metal strip around the center point of the quartz is rotatable.

Dieser durch sehr geringen Luftabstand an den Quarz kapazitiv angekoppelte Metallstreifen stellt den Belag eines Kondensators dar. Wird die Abtastelektrode durch einen Motor in Umdrehung versetzt so erfolgt eine Abtastung des Prüflings durch ein sehr eng gebndeltes Strahlenbüshcel.This is capacitively coupled to the quartz due to the very small air gap Metal strip represents the coating of a capacitor. It becomes the scanning electrode If a motor rotates, the test object is scanned through a very tightly bundled ray bunch.

Zur Erweiterung des abtastbaren prüfraumes kann die Abstrahlung der Ultraschallenergie durch eine Zerstreuungslinse erfolgen. Hierdurch läßt sich der erfaßte räumliche Bereich auf ein Vielfaches des Quarzgeb ! erdurchmessers erweitern.To expand the scannable test area, the radiation of the Ultrasonic energy is carried out through a diverging lens. This allows the recorded spatial area to a multiple of the quartz! enlarge the diameter.

Erhält nun die schmale Abtastelektrode einen kurzzeitigen Impuls, so pflanzt sich dieser als kurzes Ultraschall-Wellenpaket eng gebündelt in einem schmalen Streifen fort, bis er auf ein Hindernis stößt, wird am Hindernis reflektiert und kommt nach einer durch die Fortpflanzungsgeschwindigkeit im Material bedingten Laufzeit zurück. Er wird nun über den gerade von der Abtastelektrode bedeckten Quarzausschnitt einem Empfänger zugeleitet. Gleichzeitig mit, dem Start des Impulses wird der Elektronenstrahl einer Braunschen Röhre radial nach außen gelenkt, bleibt aber durch eine negative Vorspannung des Wehnelt-Zylinders unterdrückt, d.h. unsichtbar bis zu dem Augenblick, in dem der reficktierte Impuls eintrifft und kurzzeitig den Wehnelt-Zylinder der Braunschen Röhre positiv macht, Id. h. den Elektronenstrahl bis zum Bildschirm dringen läßt und somit einen Bildpunkt erzeugt. Es besteht somit eine zeitliche Koordinierung zwischen der Laufzeit des in das Prüfobjekt hineingesandten eng gebündelten Ultraschall-Wellenstrahls und dem Auslenkweg des durch eine Sägezahmspannung radial abgelenkten - Elektronenstrahls der Braunschen Röhre bis zu seiner Hellsteuerung durch den zurückkommenden Impuls. Um zu verhindern, daß die Helligkeitssteuerung der Braunschen Röhre bereits durch die abtgewstrahlten Impulse beeinflußt wird, ist eine Trennung der Sende-und Empfangsimpulse erforderlich, die beispielsweise mit Hilfe eines Elektronenschalteres vorgenommen werden kann. If the narrow scanning electrode now receives a brief pulse, so this is planted as a short ultrasonic wave packet, tightly bundled in one narrow strip until it hits an obstacle, is reflected on the obstacle and comes after one caused by the speed of propagation in the material Term back. It is now over the quartz section just covered by the scanning electrode forwarded to a recipient. Simultaneously with the start of the pulse, the electron beam becomes a Braun tube directed radially outwards, but remains through a negative one Pre-tensioning of the Wehnelt cylinder suppressed, i.e. invisible until the moment in which the reflected pulse arrives and briefly the Wehnelt cylinder Braun's tube makes positive, Id. H. the electron beam penetrate to the screen leaves and thus generates a pixel. There is therefore a time coordination between the transit time of the tightly bundled ultrasonic wave beam sent into the test object and the deflection path of the electron beam deflected radially by a sawtame voltage the Braun tube up to its brightness control by the returning pulse. To prevent the brightness control of the Braun tube already through the emitted pulses is influenced, there is a separation of the transmitted and received pulses required, made for example with the help of an electronic switch can be.

Bisher wur, de der durch den gebündelten Ultraschall-Wellenstrahl einerseits und den synchron abgelenkten Elektronenstrahl andererseits gebildete Radiusvektor als feststehend betrachtet. Beginnt nun der Radiusvektor um den Mittelpunkt zu rotieren, wobei die Drehung der Abtastelektrode synchron mit der Drehung des nunmehr eine Kreisfläche bestreichenden Elektronenstrahls erfolgt, so wird, das Prüfobjekt räumlich in Zylinderkoordinaten abgetastet. Dabei erfolgt die Ablenkung des Elektronenstrahls der Braumschen Röhre in Form eines Fächerrasters Im Vergleich zur Zeilenabtastung beim Fernsehen, ergeben sich hierdurch meßmäßige Vorteile, -da keine Fokussierung erforderlich ist. So far, the bundled ultrasonic wave beam has been used on the one hand and the synchronously deflected electron beam on the other hand Radius vector considered fixed. The radius vector now begins around the center point to rotate, the rotation of the scanning electrode being synchronized with the rotation of the now takes place a circular area sweeping electron beam, so that Test object scanned spatially in cylinder coordinates. This is where the distraction occurs of the electron beam of the Braum's tube in the form of a fan grid In comparison for scanning lines in television, this results in advantages in terms of measurement, -da no focusing is required.

Bei der praktischen Anwendung des erfiudungsgemäßen Verfahrens kann der piezoelektrische Schwinger mit der Abtastelektrode, ein zu ihrem Antrieb dienender Motor, die Zerstreuungslinse und ein zur Aufnahme einer AKopplungsflüssigkeit zwischien Zerstreuumgslinse und PrüfobjNekt dienender Dichtungsring zu einem auf das Prüfobjekt aufsetzbaren Prüfkopf vereinigt werden, der eine handliche Einheit bildet. Durch den Dichtungsring, der beispielsweise aus einem Schwammgummistreifen bestehen kann, wird erreicht, daß nur leine geringe, zur Ankopplung unbedingt erforderliche Flüssigkeitsmenge gebraucht wird, die durch einen Gummischlauch au's einem Reservoir augeleitet werden kann. In the practical application of the method according to the invention the piezoelectric oscillator with the scanning electrode, one used to drive it Motor, the diverging lens and a coupling fluid between them Divergent lens and test object serving sealing ring to one on the test object attachable test head are combined, which forms a handy unit. By the sealing ring, which can consist, for example, of a sponge rubber strip, it is achieved that only a small amount of liquid which is absolutely necessary for coupling is needed, which are led out of a reservoir through a rubber hose can.

Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und Anordnungen zu seiner Durchführung sollen an Hand der Abbildungen näher erläutert werden. Dabei dienen die Abb I bis 4 zur Erläuterung der verschiedenen Anwendungsmöglichkeiten des Verfahrens; Abb. 5 zeigt als Beispiel einen für die Durchführung des Verfahrens geeigneten Prüfkopf; Abb. 6 stellt ein Blockschaltbild dar, das einen Überblick über die elektrische Wirkungsweise des Verfahrens vermittelt. The application of the inventive method and arrangements too its implementation should be explained in more detail on the basis of the figures. Included Figs. I to 4 serve to explain the various possible applications the procedure; As an example, Fig. 5 shows one for carrying out the method suitable probe; Fig. 6 is a block diagram that provides an overview conveyed about the electrical mode of operation of the process.

Nach Abb. I ist ein den Schallgeber enthaltender Prüfkopf I auf die Oberfläche eines Werkstückes 2 von der Stärke D aufgesetzt. Es besteht bei Anwendung der Erfindung die Möglichkeit, entweder nur. die nicht zugängliche Rück- oder Innenseite 3 des Prüfobjekts 2 oder den Raum zwischen Prüfkopf I und Rückseite 3 zu betrachten. Dies kann durch Wahl des Abbildungsmaßstabes und durch eine einstellbare Vorlaufverzögerung entsprechend den in den Abb. z, 3 und 4 gezeigten Beipsielen geschiehien. In diesen Abbildungen ist 4 ein kreisförmiger Leuchtschirm einer Braunschen Röhre mit dem Mittelpunkt M. Die Punkte 5, 6, 7 und 8 entsprechen dien auf der Rückseite 3 des Prüflings 2 in Abb. I liegenden Punkten 5', 6', 7' und 8'. Mit a ist die Abbildung eines innerhalb des strichpunktierten Teils des Werkstückes 2 in Abb. I liegenden Lunkers bezeichnet. According to Fig. I, a probe I containing the sounder is on the Surface of a workpiece 2 of thickness D placed on it. It exists when applied the invention the possibility of either only. the inaccessible back or inside 3 of the test object 2 or the space between test head I and rear 3 to be considered. This can be done through the selection of the image scale and through an adjustable advance delay according to the examples shown in Figs. z, 3 and 4. In these Figures 4 is a circular fluorescent screen of a Braun tube with the Center point M. Points 5, 6, 7 and 8 correspond to those on the back 3 of the Test specimen 2 in Fig. I points 5 ', 6', 7 'and 8'. With a is the figure one lying within the dash-dotted part of the workpiece 2 in Fig. I. Lunkers called.

Soll im wesentlichen die Beschaffenheit der nicht zugänglichen Rückseite 3 geprüft werden, geht man folgendermaßen vor: Der Impuls braucht bis zur Erreichung des Gegempunktes P. eine gewisse Zeit td. Läßt man nun mit Hilfe einer erzögerungsanordnung den Elektronenstrahl um diie Zeit Cd später starten, wird die Halbkugel mit dem Radius D, die auf dem laufzeitbild nach Abb.2 als kreis mit dem Radius, d abgebildet wird, zu einem einzigen Punkt in M zusammengezogen (Abb. 3). Die Darstellung des gesamten strichpunktierten Raumes des Prüflings 2 wird also unterdrückt. Die eichbare Kreiszusammenziehung gibt also die jeweilige Dicke bis zur gegenüberliegenden Seite an. Kommt es mehr auf die Auffindung von Lunkern und Rissen an, wird der jeweilige Maßstab in der Weise geändert, daß man die radiale Elektronenstrahl-Ablenkgeschwindigkeit wesentlich vergrößert (Abb. 4). Essentially the nature of the inaccessible rear side 3, one proceeds as follows: The impulse needs to be reached of the opposite point P. for a certain time td start the electron beam at time Cd later, the hemisphere with the Radius D, which is shown as a circle with radius d on the time image according to Figure 2 becomes, to a single Point contracted in M (Fig. 3). the Representation of the entire dash-dotted space of the test object 2 is therefore suppressed. The calibratable circle contraction gives the respective thickness up to the opposite one Side on. If it is more a matter of finding cavities and cracks, the respective Scale changed in such a way that one can get the radial electron beam deflection speed significantly enlarged (Fig. 4).

Hierdurch werden die an der Rückseite 3 kommenden reflektierten Impulse unterdrückt, das ganze Bild erscheint »schwarz« und nur die an den Lunkern entstehenden »weeißen« reflektierten Impulse werden abgebildet. Mit Hilfe der beiden maßnahmen läßt sich dann eine Anpassung an die jeweils vorliegende Prüfaufgabe erzielen.This causes the reflected pulses coming from the rear 3 suppressed, the whole picture appears "black" and only those that appear at the voids "White" reflected impulses are mapped. With the help of the two measures an adaptation to the respective test task at hand can then be achieved.

Durch die Divergenz der Ultraschall-Strahlen büschel wird ein relativ großer Raumbezirk erfaßt. Due to the divergence of the ultrasonic rays, a tuft becomes relative large area covered.

Die Abtastung des Prüflings mit dem Prüfkopf 1 braucht somit nicht streifenweise zu erfolgen. Es genügt vielmehr, den Prüfkopf in Abständen aufzusetzen, die ein Mehrfaches seines Durchmessers betragen. Die entstehenden Bilder können in ihrem Maßstab vergrößert oder verkleinert werden. Zur Festlegung von Entfernung und Lage von Lunkern od. dgl. kann der Prüfkopf immer in die Lage gegenüber der Störung gebracht wrden, bei der der visuelle Eindruck am klarsten ist. Auf diese Weise läßt sich der Verlauf von Rissen, Plattierungen usw. in der ganzen Ausdehnung verfolgen.There is therefore no need to scan the test object with the test head 1 to be done in strips. Rather, it is sufficient to place the probe at intervals, which are a multiple of its diameter. The resulting images can be enlarged or reduced in their scale. Establishing distance and position of cavities or the like. The test head can always be in the position opposite the Disturbance where the visual impression is clearest. To this In this way, the course of cracks, plating, etc., can be traced across the entire area follow.

D-er in Abb. 5 dargestellte Prüfkopf besteht aus einem piezoelektrischen Schwinger 10, beispielsweise einer kreisförmigen Quarzscheibe, über der mit einem geringen Luftabstand eine durch einen Motor 11 drehbare streifenförmige Abtastelektrode 12 angeordnet ist. An der Unterseite von 10 befindet sich eine dünne Kupferfolienelektrode I3 und eine beispielsweise aus Trolitul bestehende Zerstreuungslinse 14. Ein aus Schwammgummi bestehender Dichtungsring 15 dichtet eine zwischen der Abstrahlungsseite des Prüfkopfes und dem Prüfling 2 befindliche Kopplungsflüssigkeit I6 nach außen ab. The test head shown in Fig. 5 consists of a piezoelectric Oscillator 10, for example a circular quartz disk, above which with a a small air gap by a motor 11 rotatable strip-shaped scanning electrode 12 is arranged. At the bottom of 10 is a thin copper foil electrode I3 and a diverging lens 14 consisting, for example, of Trolitul Sponge rubber existing sealing ring 15 seals between the radiation side of the test head and the test piece 2 located coupling fluid I6 to the outside away.

In dem Blockschaltbild der Abb. 6 ist I7 ein Impulsgeber, der einstellbare sehr kurze Impulse definierter Frequenz, Länge und Spannung gibt. In the block diagram of Fig. 6, I7 is a pulse generator, the adjustable one gives very short pulses of defined frequency, length and voltage.

Die Impluse modulieren einen HF-Generator 18, so daß HF-Wellenzüge von z.B. etwa. 0,5 µ sec maximater Dauer über einen Elektronenschalter 19 auf den Qwarz eines Prüfkopfes I gegeben werden.The impulses modulate an RF generator 18, so that RF wave trains of e.g. about. 0.5 microseconds of maximum duration via an electron switch 19 on the Qwarz of a probe I can be given.

Dieser Schalter soll verhindern, daß Hochfreqwenz während der Impulsgabe in den Empfänger und Verstärker 20 für den Wehnelt-Zylinder einer Braunschen Röhre 21 gelangt und dort den Eingang blockilert oder das Gitter zerstört. Er besteht aus einer Glimmlampenano'rdnun-g, die genügend trägheitslos arbeitet. Vom Prüfkopf I werden die Impulse als kurze Ultraschall-Wellenpakete in den zu prüfenden Körper 2 eingestrahlt. Die von der Störstele des Prüflings reflektierten Impulse werden vom Prüfkopf 1 über den Elektronenschalter 19 dem Verstärker 20 zugeleitet und gelangen von dort an die Steuerelektrode der Brunschen Röhre 21, so daß der Elektronenstrahl durch die re-fiektierten Impulse bell gesteuert wird.This switch is intended to prevent high frequency during the pulse generation into the receiver and amplifier 20 for the Wehnelt cylinder of a Braun tube 21 and blocked the entrance or destroyed the grille. He persists from a glow lamp assembly that works sufficiently inertially. From the probe The pulses are transmitted as short ultrasonic wave packets into the body to be tested 2 irradiated. The pulses reflected from the jamming column of the test object are from the test head 1 via the electron switch 19 to the amplifier 20 and arrive from there to the control electrode of the Brunschen tube 21, so that the electron beam is controlled by the re-fiektierte impulses bell.

EIne 90°-Phasenbrücke 22 erzeugt die Kreisablenkung des Kathodenstrahls auf dem Bildaschirm. A 90 ° phase bridge 22 generates the circular deflection of the cathode ray on the screen.

Sie wird durch eine Synchronstufe 23 im zeitlichen Gleichtakt mit der Drehbewegung der Abtastelektrode des Prüfkopfes I gehalten. Hiermit wird verhindert, daß sich das Bild auf dem Bildschirm dreht.It is synchronized with the timing by a synchronous stage 23 the rotational movement of the scanning electrode of the test head I held. This prevents that the picture rotates on the screen.

In einer Multivibratorstufe 24 wird eine sägezahnförmige Spannung erzeugt, durch die der Elektronenstrahl entsprechend der Impulsfrequenz radial abgelenkt wird. Er springt nach Erreichung des Bildschirmrandes sofort auf den Mittelpunkt zurück. A sawtooth-shaped voltage is generated in a multivibrator stage 24 generated by which the electron beam is deflected radially according to the pulse frequency will. After reaching the edge of the screen, it immediately jumps to the center return.

Das entstehende BIld hat also eine fächerartige Struktur. Die Ablenkgeschwindigkeit der Sägezahnspannung ist für den Meßvorgang von wesentlicher Bedeutung, denn durch ihre Form und Größe wird der Charakter des entstehenden Bildes weitgehend beeinflußt. Je nach dem Abbildungsraum können infolge der verschiedenen Laufzeiten Verzerrungen auftreten, die direkt unter dem Geber am größten sind. In diesem Fall kann durch eine nichtlineare Sägezahnspannung eine Bildenterrung bewerkstelligt werden. Die Radialabienkung läuft dann im Anfang schneller und verlangsamt sich immer mehr bei größer werdendem Ablenkradius. Wie schon erwähnt, muß bei Verwendung einer Vorlaufverzögerung der Elektronenstrahl um die Zeit td entsprechend der Dicke D später starten. Das erreicht man am zweckmäßisten durch Einführung einer Gegenspannung, gegen die das Ablenkpotential anlaufen muß, ehe die Radialablenkung beginnt.The resulting image has a fan-like structure. The deflection speed the sawtooth voltage is essential for the measurement process because through their shape and size largely influences the character of the resulting picture. Depending on the imaging space, distortions can occur as a result of the different transit times occur that are greatest just below the encoder. In this case can through a non-linear sawtooth voltage an image recovery can be accomplished. the Radial deflection then runs faster in the beginning and slows down more and more increasing deflection radius. As already mentioned, a lead-in delay must be used start the electron beam later by the time td corresponding to the thickness D. That can be achieved most expediently by introducing a counter-tension against which the Deflection potential must start before the radial deflection begins.

Claims

PATENT CLAIMS: I. Process for generating visible ultrasound images of only uniquely accessible onjbects, in particular for material analysis, in which short-term ultrasonic impulses from a piezoelectric sounder into the area to be examined Object guided and reflected by it, characterized by the fact that the ultrasonic frequency to the sounder (1 o) in the form of short-term pulses via a strip-shaped sensing electrode (12) rotating around its center is fed and that the object to be examined (2) refektierten ultrasonic waves for brightness control of a deflected synchronously with the pulses in the radial direction and a Braun electron beam rotating synchronously with the scanning electrode Tube can be used.

2. Arrangement for performing -the method according to claim I, characterized characterized in that from the radiation of the ultrasonic pulses and to receive the The same piezoelectric pulses reflected from the ob-object to be examined Schwinger (1 o) is used.

3. Arrangement according to claim 2, characterized indicates that an electron switch (19) is provided to separate the transmitted and received pulses is.

4. Arrangement according to claim 2, characterized in that the radiation the ultrasonic energy takes place via a diverging lens (14).

5. Arrangement according to Allspruch 4, characterized in that the piezoelectric Oscillator (1 o) with the scanning electrode (12), a motor used to drive it (11), the diverging lens (14) and one for receiving a coupling liquid (16) between the diverging lens (I4) and the test object (2) serving as a sealing ring (I5) are combined into a test head (I) that can be placed on the test object.

6. An arrangement for performing the method according to claim 1, characterized characterized in that means are provided for deflecting the electron beam radially to give an adjustable lead delay compared to the start of the impulses.