KR920002693B1 - Reverse driving method for ultrasonic wave transducer - Google Patents

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Abstract

The method improves the axial resolution of ultrasonic transducer using reverse exciting the transducer. The ultrasonic transducer is excited and then reversely excited having a delay (Td). A coil (L) is connected in parallel to a terminal of the ultrasonic transducer to obtaine a transducer terminal voltage and the terminal is shorted after a delay time using a switching device.

Description

초음파 변환자의 역여기 방법Reverse excitation method of the ultrasonic transducer

제1도는 일반적으로 사용하는 임펄스파 발생장치.1 is an impulse wave generator generally used.

제2도는 초음파 변환자의 알번적 구조.2 is a general structure of an ultrasonic transducer.

제3도는 역여기 방법의 구성도.3 is a schematic diagram of a reverse excitation method.

제4도는 역여기 방법의 시간도.4 is the time of the reverse excitation method.

제5도는 초음파 변환자의 전기적 등가회로.5 is an electrical equivalent circuit of an ultrasonic transducer.

제6도는 역여기 방법의 구현.6 is an implementation of the inverse excitation method.

제7도는 변환자에 fo/2 공진용 코일을 부착한 경우 단자전압 및 등가 역여기 단자전압의 파형.7 is a waveform of the terminal voltage and the equivalent reverse excitation terminal voltage when the transducer has a fo / 2 resonance coil attached thereto.

제8도는 일반적인 여기 방법에 의한 변환자 임펄스 응답.8 shows the transducer impulse response by a general excitation method.

제9도는 역여기 방법을 적용한 경우의 변환자 임펄스 응답.9 shows the transducer impulse response when the inverse excitation method is applied.

제10도는 일반적 여기 방법을 적용한 경우의 수신신호와 주파수 스펙트럼 비교.10 is a comparison of the received signal and the frequency spectrum when the general excitation method is applied.

제11도는 일반적인 초음파 진단장치 변환자의 일반적인 여기 방법에 의한 임펄스 응답.11 is an impulse response by a general excitation method of a general ultrasonic diagnostic apparatus transducer.

제12도는 일반적인 초음파 진단장치의 변환자에 역여기 방법을 적용한 경우의 임펄스 응답.12 is an impulse response when a reverse excitation method is applied to a transducer of a general ultrasonic diagnostic apparatus.

제13도는 비임방향으로 1.1mm 떨어진 직경 0.2mm의 두 전선으로부터의 일반적 여기 방법에 의한 임펄스 응답.Figure 13 shows the impulse response by the general excitation method from two wires 0.2 mm in diameter 1.1 mm apart in the beam direction.

제14도는 비임방향으로 1.1mm 떨어진 직경 0.2mm의 두 전선으로부터의 역여기 방법 병행에 의한 임펄스 응답.14 shows the impulse response in parallel with the excitation method from two wires 0.2 mm in diameter 1.1 mm apart in the beam direction.

본 발명은 짧은 초음파 펄스를 발생시키기 위한 초음파 변환자(ulteasonic transducer)의 여기 방법에 관한 것으로, 초음파 변환자의 일반적인 여기 방법과 역여기 방법의 병행에 의한 초음파 장치의 축방향 해상도를 개선시켜 초음파를 이용한 진단장치, 비파괴 검사장치, 수중 탐색장치 등에 사용되는 초음파 변환자 및 기타 이와 유사한 변환자의 여기에 응용하도록 안출한 것이다.The present invention relates to an excitation method of an ultrasonic transducer (ulteasonic transducer) for generating a short ultrasonic pulse, and improves the axial resolution of the ultrasonic device by the combination of the general excitation method and the de-excitation method of the ultrasonic transducer using ultrasonic waves Ultrasonic transducers and other similar transducers used in diagnostic devices, non-destructive testing devices, underwater search devices, etc. are intended to be applied here.

제1도는 초음파 변환자를 여기하기 위한 짧은 전기적 펄스를 발생시키는 종래의 나타낸 것으로, 여기서 직류공급전원(Esup)에 의하여 충전된 커패시터(C1)의 전하를 트랜지스터 등의 스위칭소자를 통하여 급격히 단락, 방전시킴으로써 생기는 임펄스에 의하여 변환자를 여가한다. 이때 스위칭소자의 ON은 드라이브단에서 얻은 짧은 펄스를 스위칭소자의 제어단자에 인가함으로써 가능해지며, 압전재료로 구성된 변환자는 이에 인가된 전기적 임펄스를 기계적 임펄스로 변환시켜 변환자 표면에 수직방향으로 초음파 펄스를 발사한다. 도면중 D1은 다이오드 R1-R3는 저항을 가리킨다.FIG. 1 shows a conventional example of generating a short electrical pulse for exciting an ultrasonic transducer, wherein the charge of the capacitor C1 charged by the DC power supply Esup is rapidly shorted and discharged through a switching element such as a transistor. The resulting impulse spares the transducer. At this time, the switching element can be turned on by applying a short pulse obtained from the drive stage to the control terminal of the switching element, and the transducer composed of piezoelectric material converts the electrical impulse applied thereto into mechanical impulse and ultrasonic wave in the direction perpendicular to the transducer surface. To fire. In the figure, D 1 denotes a diode R 1 -R 3 denotes a resistance.

또한, 제2도는 초음파 변환자의 대표적인 기본구조를 보인 것으로 보통 두께가 λ/2(λ : 파장)인 디스크형태의 압전체(Zp)의 전면에 임피던스 정합층(Zm)을 붙이고 후면에 두꺼운(경우에 따라서는 10λ 이상) 흡수층(Zb)를 붙인다.2 shows a typical basic structure of an ultrasonic transducer, in which an impedance matching layer Zm is attached to the front of a disk-shaped piezoelectric Zp having a thickness of λ / 2 (λ: wavelength) and thick (in the case of Therefore, 10 lambda or more) is attached to the absorption layer (Zb).

초음파 압전체로 흔히 사용되는 P.Z.T(Pead Zirconae Titanate)의 음향임피던스는 전파매질의 음향임피던스보다 매우 높으므로 음향임피던스의 정합층을 붙여서 압전체 진동에너지의 전면매질으로의 원활한 전달을 기도한다. 이 경우 중심주파수 부근의 압전체 진동에너지는 전면으로 잘 발사되지만 중심주파수에서 벗어난 주파수 성분은 전달이 비효율적일 뿐만 아니라 정합층과 압전체 내에서의 다중반사로 인하여 발사된 초음파 변환자 펄스파형에 긴 링깅(ringing)이 발생된다.The acoustic impedance of P.Z.T (PeZ Zirconae Titanate), which is commonly used as an ultrasonic piezoelectric material, is much higher than the acoustic impedance of the propagation medium. In this case, the piezoelectric vibration energy near the center frequency is well emitted to the front, but the frequency component that is out of the center frequency is not only inefficient in transmission but also long ringing in the ultrasonic transducer pulse wave generated by multiple reflections in the matching layer and the piezoelectric body. ringing) occurs.

이러한 초음파 변환자의 링깅특성을 개선하기 위하여 제2도와 같이 압전체(Zp) 전면에 정합층(Zn)을 부착할분 아니라 압전체(Zp) 후면에 후면으로 전달되는 초음파 에너지를 흡수하는 흡수층(backing layer)을 부착한다. 이 흡수층의 음향임피던스가 압전체(Zp)의 음향임피던스에 가까울수록 링깅특성이 개선된다.In order to improve the ringing characteristics of the ultrasonic transducer, as shown in FIG. 2, a backing layer absorbing ultrasonic energy transferred to the rear surface of the piezoelectric substrate Zp is not attached to the matching layer Zn. Attach. The closer the acoustic impedance of this absorbing layer to the acoustic impedance of the piezoelectric material Zp is, the better the ringing characteristics are.

물리적으로 생각할때 흡수층의 부착으로 변환자 내부 손실이 증가하여 진동계의 성능척도 Q가 낮아지고 광대역화되므로 시간영역에서 임펄스 응답이 짧아지고 링깅이 개선된다. 그러나 흡수층의 음향에너지 흡수로 압전체(Zp)전면으로 전달되는 음압의 크기가 감소하여 초음파 변환자의 감도가 저하된다. 즉 흡수층(Zp)의 첨가로 변환자의 링깅특성을 향상시킬 수는 있으나 감도가 저하되므로 종래의 방법으로는 변환자의 링깅특성과 감도는 동시에 향상시키는 것은 불가능하다.Physically, the absorption of the absorber layer increases the internal loss of the transducer, reducing the performance scale Q of the vibration system and widening the bandwidth, resulting in shorter impulse response and improved ringing in the time domain. However, due to the absorption of the acoustic energy of the absorbing layer, the magnitude of the sound pressure transmitted to the entire surface of the piezoelectric body (Zp) is reduced, thereby reducing the sensitivity of the ultrasonic transducer. In other words, the addition of the absorbing layer (Zp) can improve the ringing characteristics of the transducer, but the sensitivity is reduced, it is impossible to improve the ringing characteristics and sensitivity of the transducer at the same time by the conventional method.

일반적으로 초음파 변환자 설계에서는 초음파 장치에 요구되는 감도를 만족시키는 것이 중요하므로 높은 감도가 요구되는 경우 흡수층에서의 에너지흡수를 감소시키려면 자연히 변환자의 링깅특성이 열하된다.In general, in the ultrasonic transducer design, it is important to satisfy the sensitivity required for the ultrasonic device, so when the high sensitivity is required, the ringing characteristic of the transducer is naturally degraded to reduce energy absorption in the absorber layer.

본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 감안하여 역여기 방법을 도입, 감도의 희생없이 링깅특성을 개선할 수 있도록 한 것을 이를 첨부도면을 따라 구체적으로 설명하면 다음과 같다.The present invention has been described in detail according to the accompanying drawings in order to improve the ringing characteristics without sacrificing sensitivity by introducing a reverse excitation method in view of the conventional problems as described above.

본 발명의 이용되는 역여기 방법의 원리란 ; 먼저 초음파 변환자에 재래의 방법에 따라 임펄스전압을 인가하여 여기한 다음 적당한 시간 후에 역방향으로 적당한 크기의 임펄스전압을 인가함으로써 링깅을 상쇄시키자는 것이다. 그러면 변환자 감도의 희생없이 링김이 적은 좁은 펄스를 발생시킬 수 있다. 이 역여기 장치는 제3도와 같이 변환자의 주여기장치에 병렬로 추가되므로 장착이 용이하다.With the principle of the reverse excitation method of the present invention; First, the impulse voltage is applied to the ultrasonic transducer according to a conventional method, and then excited, and then, after a suitable time, the ringing is canceled by applying an impulse voltage of an appropriate magnitude in the reverse direction. This allows narrow ringing to generate narrow pulses without sacrificing transducer sensitivity. This de-exciter is added in parallel to the main excitation device of the transducer as shown in FIG.

그리고 역여기 장치의 추가는 초음파 변환자의 반사신호 수신에는 영향을 주지 않는다. 왜냐하면 초음파 진단장치에서 수신되는 초음파 신호전압이 보통 다이오드의 컷인전압(약 0.6V) 미만이므로 역여기 장치내에 직렬로 연결된 다이오드에 의하여 수신시에는 역여기 장치가 초음파 변환자로부터 전기적으로 분리되기 때문이다.And the addition of the de-exciter does not affect the reception of the reflected signal of the ultrasonic transducer. Because the ultrasonic signal voltage received from the ultrasonic diagnostic apparatus is usually less than the cut-in voltage of the diode (about 0.6V), the de-exciter device is electrically separated from the ultrasonic transducer at the time of reception by a diode connected in series in the de-exciter device. .

제4도는 본 발명의 역여기 방법은 사용할 때 초음파 변환자 단자전압 파형과 초음파 변환자 전면의 음압파형을 나타낸 것으로, 제4a도는 제1도에서 예시한 재래의 여기장치에 의하여 초음파 변환자 단자에 가해지는 전기적 임펄스를 나타내며, 제4b도는 동도(a)의 전기적 임펄스에 의하여 초음파 변환자 전면으로 발사되는 초음파 음압파형을 나타낸다. 보통의 초음파 영상장치에서는 이와 같이 발사된 초음파가 피측정 매질 내에서 반사되어 오는 것을 초음파 변환자에 의하여 다시 전기적 신호로 변환하여 영상을 얻는다.Figure 4 shows the ultrasonic transducer terminal voltage waveform and the negative pressure waveform on the front of the ultrasonic transducer when using the reverse excitation method of the present invention, Figure 4a is a conventional excitation device illustrated in Figure 1 to the ultrasonic transducer terminal FIG. 4b shows the ultrasonic sound pressure wave emitted to the front of the ultrasonic transducer by the electrical impulse of FIG. In the general ultrasonic imaging apparatus, the ultrasonic wave thus emitted is reflected in the medium to be measured and converted into an electrical signal by an ultrasonic transducer to obtain an image.

통상적인 여기 방법에 의한 초음파 송신 음압파는 다음과 같이 표시된다.The ultrasonic transmission sound pressure wave by the conventional excitation method is expressed as follows.

P1(t) = V1(t) * h1(t)……………………………………(1)P 1 (t) = V 1 (t) * h 1 (t)... … … … … … … … … … … … … … (One)

여기서 P1(t)는 변환자 전면의 음압, V1(t)는 변환자 단자에서의 여기전압, h1(t)는 변환자의 송신시의 임펄스 응답이며 *는 컨보류선을 나타낸다. 지금 제4a도와 같이 통상적인 여기 방법에 의하여 변환자를 여기시킨 다음 지연시간 TD후에 동도(C)와 같이 역여기 장치에 의하여 역여기 전압 V2(t)를 변환자에 인가하면 이것에 의하여 동도(d)와 같은 새로운 변환자 전면음압 P2(t)가 발생된다. 여기서 역여기에 의한 음압파는 다음과 같이 표시된다.Where P 1 (t) is the sound pressure on the front of the transducer, V 1 (t) is the excitation voltage at the transducer terminal, h 1 (t) is the impulse response at the time of transmission of the transducer, and * denotes the conservative line. The excitation voltage V 2 (t) is applied to the transducer by the reverse excitation device as shown in Fig. 4C after the delay time TD. A new transducer front sound pressure P 2 (t) is generated as in d). Here, the sound pressure wave caused by the reverse excitation is expressed as follows.

P2(t) = V2(t) * h1(t)……………………………………(2)P 2 (t) = V 2 (t) * h 1 (t)... … … … … … … … … … … … … … (2)

위에서 주여기 장치와 역여기 장치가 서로 부하효과를 주지 않는다고 가정하였다. 그러므로 식(1)과 식(2)의 h1(t)는 동일하며, 두 여기에 의한 합성음압파는 각각에 의하여 발생된 음압파의 합과 같다. 즉 합성음압파 P3(t)는 제4c와 같고 수직선으로는 다음과 같다.Above, it is assumed that the main excitation device and the reverse excitation device do not have a load effect on each other. Therefore, h 1 (t) in equations (1) and (2) is the same, and the synthesized sound pressure waves by the two excitations are equal to the sum of the sound pressure waves generated by each. That is, the synthesized sound pressure wave P 3 (t) is the same as 4c, and the vertical line is as follows.

P3(t) = [V1(t) + V2(t)]*h1(t)…………………………(3)P 3 (t) = [V 1 (t) + V 2 (t)] * h 1 (t)... … … … … … … … … … (3)

역여기의 타이밍과 전압의 크기가 적당한 때에 한해서 이와 같이 폭이 좁고 링깅이 억제된 합성음압파를 얻을 수 있다. 즉 역여기를 가하는 지연시간을 Td, 변환자의 중심주파수를 fo라 할 때As long as the timing and voltage of the reverse excitation are appropriate, the synthesized sound pressure waves with such narrow width and ringing can be obtained. In other words, when the delay time to apply the reverse excitation is Td and the center frequency of the transducer is fo

TD = (2n-1)2fo. n =1,2,3……………………………(4)TD = (2n-1) 2f o . n = 1,2,3... … … … … … … … … … … (4)

인 경우에는 목적한대로 링깅이 억제되지만Is suppressed as desired,

TD = 1/2fo. n =1,2,3…………………………………(5)TD = 1 / 2f o . n = 1,2,3... … … … … … … … … … … … … (5)

로 할때에는 링깅이 오히려 증대한다. 일반적으로 식(4)에서 n=2로 할때 펄스진폭과 링깅의 길이 두가지면에서 유리하다. 제4c도 Td=1.5/fo(n=2)인 경우에 대한 것이다.When the ringing is rather increased. In general, when n = 2 in Eq. (4), it is advantageous in terms of both pulse amplitude and ringing length. 4c is also for the case where Td = 1.5 / fo (n = 2).

이상의 역여기 방법을 구현하는 방법을 제안하기에 앞서 먼저 초음파 변환자의 전기적 등가회로를 고찰할 필요가 있다. 제5도와 같은 간단한 디스크형의 변환자의 전기적 등가회로이다. 여기서 W1은 초음파 압전체의 직렬 공진주파수, Co는 음압이 없는 상태의 압전체 정전용량(zero strain capacitance), KT는 압전결합계수, Zp는 압전체 전면매질의 등가 음향임피던스 및 후면 흡수층의 등가 음향임피던스를 나타낸다. 이들 압전체의 변수들은 압전체의 변수 실험 및 압전체 부착되는 매질의 음향임피던스 특성으로 알 수 있다.Before suggesting a method of implementing the above-described reverse excitation method, it is necessary to consider the electrical equivalent circuit of the ultrasonic transducer. It is an electrical equivalent circuit of a simple disk-shaped transducer as shown in FIG. Where W1 is the series resonance frequency of the ultrasonic piezoelectric body, Co is the zero strain capacitance in the absence of negative pressure, KT is the piezoelectric coupling coefficient, Zp is the equivalent acoustic impedance of the piezoelectric front medium and the equivalent acoustic impedance of the rear absorber layer. . The parameters of the piezoelectric body can be known from the variable experiment of the piezoelectric body and the acoustic impedance characteristic of the medium to which the piezoelectric body is attached.

제6도는 본 발명에 있어서 역여기 방법을 구현하는 한가지 방법을 예시한 것이다. 여기서 변환자에 병렬로 인덕턴스 코일(L)을 삽입하여 변환자의 정전용량 Co와 fo/2에서 공진되도록 한다.Figure 6 illustrates one method of implementing the reverse excitation method in the present invention. Here, the inductance coil L is inserted in parallel to the transducer so as to be resonated at the capacitance Co and fo / 2 of the transducer.

제6도의 주여기장치에 의해서 초음파 변환자를 구동할때 인가되는 단자전압은 제7a도와 같다. 만일 이보다 Td=1.5/fo 시간후에 제6도는 스위칭소자에 의하여 변환자 단자를 단락시킨다면 제7b도와 같은 단자전압이 얻어질 것이고, 이것은 t=Td에서 제7c도와 같은 역여기 전압을 인가한 것과 등가적이 되므로 역여기 방법에 의하여 발사되는 음압파는 폭이 매우 좁아질 것이 예상된다.The terminal voltage applied when driving the ultrasonic transducer by the main excitation apparatus of FIG. 6 is the same as that of FIG. If, after Td = 1.5 / fo time, FIG. 6 shorts the transducer terminal by the switching element, the terminal voltage as shown in FIG. 7b will be obtained, which is equivalent to applying the reverse excitation voltage as shown in FIG. 7c at t = Td. It is expected that the sound pressure waves emitted by the inverse excitation method will be very narrow since they become enemies.

제8도 이하의 그림들은 역여기 방법의 효과를 실험적으로 확인하기 위한 것이다. 제8,9,10도에서 사용한 변환자는 지름이 12mm, 중심주파수가 2.25MHz인 PTZ-5Adm 압전체에 음향임피던스 4.5MRayl(106kg/m2sec)인 흡수층을 부탁하고, 정합층을 부착하지 않은 것으로 송,수신에 동일변환자를 사용하여 수조중에서 1cm 떨어진 평판 반사체로부터 펄스에코를 받았다.Figures 8 and 8 below are for experimentally confirming the effect of the reverse excitation method. The transducer used at 8, 9, and 10 degrees requires an absorbing layer with an acoustic impedance of 4.5 MRayl (10 6 kg / m 2 sec) on a PTZ-5Adm piezoelectric body having a diameter of 12 mm and a center frequency of 2.25 MHz. In this case, pulse echo was received from a flat plate reflector 1 cm away from the tank using the same transducer for transmission and reception.

제8도는 통상적인 방법으로 여기한 경우의 수신된 임펄스 에코파형이고, 제9도는 제6도에서 제시한 역여기 장치를 추가할 때 얻어지는 수신 파형이다. 여기서 볼 수 있는 바와 같이 역여기 방법을 사용함으로써 펄스 진폭은 거의 그대로 유지되면서 펄스폭을 좁개하고 링깅을 감축시킬 수 있음을 알 수 있다.FIG. 8 is a received impulse echo waveform when excited in a conventional manner, and FIG. 9 is a reception waveform obtained when adding the de-excited apparatus shown in FIG. As can be seen here, it can be seen that by using the inverse excitation method, the pulse amplitude can be kept almost the same while narrowing the pulse width and reducing the ringing.

제10도는 제8도와 제9도의 펄스에코에 대한 주파수 스펙트럼을 컴퓨터에 의하여 구한 것이며, 역여기 방법에 의한 펄스의 스펙트럼이 더 넓은 대역폭을 가짐을 볼 수 있다.FIG. 10 shows frequency spectra of pulse echoes of FIGS. 8 and 9 by a computer, and it can be seen that the spectrum of pulses by the inverse excitation method has a wider bandwidth.

제11,12,13,14도에서 사용한 변환자는 상용 초음파 리니어 스캔너에 사용되는 3.5MHz의 리니어 어레이(linear array)에서 3개의 소자를 한데 묶은 경우로 정합층과 흡수층이 다 부착된 것이다.The converter used in FIGS. 11, 12, 13, and 14 is a case in which three elements are bundled together in a 3.5 MHz linear array used in a commercial ultrasonic linear scanner, in which a matching layer and an absorbing layer are attached.

제11도는 통상적인 여기 방법으로 얻은 펄스에코의 파형이고, 제12도는 본 발명에서 제안된 역여기 장치를 추가 했는때의 파형이다. 제13도는 제11도에서 사용된 변환자에 의하여 송신된 펄스가 비임방향으로 서로 1.1mm 떨어진 지름 0.2mm의 두 전선에서 역여기 장치를 부착한 경우의 에코파형이다.FIG. 11 is a waveform of pulse echo obtained by the conventional excitation method, and FIG. 12 is a waveform when the inverting device proposed in the present invention is added. FIG. 13 is an echo waveform when the pulses transmitted by the transducer used in FIG. 11 are attached to the reverse excitation device on two wires 0.2 mm in diameter 1.1 mm apart from each other in the beam direction.

이와 같이 여러 가지 실험을 통하여 알수 있듯이 본 발명에서 제안된 역여기 장치를 추가함으로서 역여기 방법에 의한 축방향의 해상도가 현저하게 향상되는 효과를 득할 수 있게 되는 것이다.As can be seen from the various experiments as described above, by adding the de-excited apparatus proposed in the present invention, the effect of remarkably improving the axial resolution by the de-excited method can be obtained.

Claims (2)

초음파 변환자의 통상적인 여기 방법에 병행하여 지연시간(Td=(2n-1)/2fo)뒤에 초음파 변환자를 역으로 여기시키는 초음파 변환자의 역여기 방법, 여기서 n=1,2,3…, fo=변환자의 중심주파수임.Inverse excitation method of the ultrasonic transducer which reversely excites the ultrasonic transducer after a delay time Td = (2n-1) / 2fo in parallel to the conventional excitation method of the ultrasonic transducer, where n = 1,2,3... , fo = center frequency of the transducer. 제1항에 있어서, 초음파 변환자를 역여기시키기 위한 변환자 단자전압을 얻기 위하여 변환자의 전기적 단자와 병렬로 코일(L)을 부착하고, 상기한 그 지연시간(Td)뒤에 스위칭소자 등을 이용하여 변환자 단자를 단락시키도록 한 초음파 변환자의 역여기 방법.The coil L is attached in parallel with the electrical terminal of the transducer in order to obtain a transducer terminal voltage for exciting the ultrasonic transducer, and a switching element or the like is used after the above-described delay time Td. The method of reverse excitation of an ultrasonic transducer with the transducer terminal shorted.
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