PL216452B1

PL216452B1 - Method of visualization of internal structure of the medium and device for visualization of the internal structure of the medium

Info

Publication number: PL216452B1
Application number: PL389014A
Authority: PL
Inventors: Krzysztof Opieliński; Tadeusz Gudra; Piotr Pruchnicki
Original assignee: Politechnika Wroclawska
Priority date: 2009-09-11
Filing date: 2009-09-11
Publication date: 2014-04-30
Also published as: PL389014A1

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest sposób wizualizacji struktury wewnętrznej ośrodka i urządzenie do wizualizacji struktury wewnętrznej ośrodka, przeznaczony do nieniszczących badań ciał stałych, cieczy i gazów, w szczególności do badania struktur biologicznych. Sposób charakteryzuje się tym, że włącza się co najmniej jeden przetwornik elementarny matrycy nadawczej (3) i jednocześnie sygnał po przejściu przez badany ośrodek (5) odbiera się co najmniej jednym przetwornikiem elementarnym matrycy odbiorczej (6), przy czym układami kluczowania (2, 7) steruje się załączaniem przetworników elementarnych matryc (3, 6), korzystnie grupę (2n+1)2 przetworników elementarnych, gdzie n = 0, 1, 2, ..., N, przy czym liczba N jest znacznie mniejsza od liczby wszystkich przetworników elementarnych matrycy (3, 6), natomiast sygnały zmierzone przetwornikami elementarnymi matrycy odbiorczej (6) wizualizuje się bezpośrednio w płaszczyźnie badania za pomocą odcieni szarości, kolorów lub zobrazowania pseudo-3D. Urządzenie ma generator (1) połączony poprzez nadawczy układ kluczowania (2) z matrycą nadawczą (3) wytwarzającą wiązkę fal ultradźwiękowych (4), która przez badany ośrodek (5) odbierana jest przez matrycę odbiorczą (6), połączoną przez odbiorczy układ kluczowania (7) i wzmacniacz (8) z układem pomiarowym (9) współpracującym z komputerem (10), który jednocześnie połączony jest z układami kluczującymi (2, 7).The subject of the invention is a method for visualizing the internal structure of a medium and a device for visualizing the internal structure of a medium, intended for non-destructive testing of solids, liquids and gases, in particular for testing biological structures. The method is characterized by the fact that at least one elementary transducer of the transmitting matrix (3) is turned on and, at the same time, the signal after passing through the tested medium (5) is received by at least one elementary transducer of the receiving matrix (6), with keying systems (2, 7 ) is controlled by switching on the elementary transducers of the matrices (3, 6), preferably a group of (2n+1)2 elementary transducers, where n = 0, 1, 2, ..., N, with the number N being much smaller than the number of all transducers elements of the matrix (3, 6), while the signals measured by the elementary transducers of the receiving matrix (6) are visualized directly in the examination plane using shades of gray, colors or pseudo-3D imaging. The device has a generator (1) connected via the transmitting keying system (2) to the transmitting matrix (3) generating a beam of ultrasonic waves (4), which is received by the tested medium (5) by the receiving matrix (6), connected by the receiving keying system ( 7) and an amplifier (8) with a measuring system (9) cooperating with the computer (10), which is also connected to the keying systems (2, 7).

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest sposób wizualizacji struktury wewnętrznej ośrodka i urządzenie do wizualizacji struktury wewnętrznej ośrodka, przeznaczony do nieniszczących badań ciał stałych, cieczy i gazów, w szczególności do badania struktur biologicznych.The subject of the invention is a method for visualizing the internal structure of a medium and a device for visualizing the internal structure of a medium, intended for non-destructive testing of solids, liquids and gases, in particular for the study of biological structures.

Z polskiego opisu patentowego nr PL 184 551 znany jest sposób identyfikacji struktury i/lub usytuowania obiektu i urządzenie do identyfikacji struktury i/lub usytuowania obiektu, zawierające okrągłą płytę z materiału przewodzącego fale dźwiękowe stanowiącą powierzchnię kontaktową dla badanego obiektu oraz co najmniej jeden nadajnik i co najmniej jeden odbiornik fal ultradźwiękowych, przymocowane do brzegów tej płyty, przy czym przetworniki nadawcze i odbiorcze są przetwornikami fal poprzecznych. Urządzenie to wymaga stosowania przetworników generujących fale poprzeczne, które powinny wnikać do badanego obiektu a następnie po odbiciu od niejednorodności struktury wewnętrznej ośrodka powinny zostać odebrane przez przetworniki odbiorcze. Sposób identyfikacji struktury i/lub usytuowania obiektu, w którym do obiektu umieszczonego na powierzchni płyty doprowadza się fale ultradźwiękowe prowadzone wzdłuż płyty a następnie rozproszone przez obiekt fale prowadzi się również wzdłuż płyty do przetworników umieszczonych na jej obrzeżu, przy czym obiekt nadźwiękawia się spolaryzowanymi horyzontalnie falami ultradźwiękowymi poprzecznymi, a sygnały elektryczne z przetworników odbiorczych zawierające informację o strukturze i usytuowaniu obiektu przetwarza się przez składanie linii bądź też sygnały elektryczne prowadzi się do przetworników odbiorczych, których sygnały wyjściowe reprezentujące jednowymiarowe rzuty obiektu transformuje się według znanych zasad rekonstrukcji obrazów dwuwymiarowych.Polish patent specification no. PL 184 551 discloses a method of identifying the structure and / or positioning an object and a device for identifying the structure and / or positioning an object, comprising a circular plate of sound-wave-conducting material constituting the contact surface for the tested object, and at least one transmitter and at least one ultrasonic wave receiver attached to the edges of the plate, the transmitting and receiving transducers being shear wave transducers. This device requires the use of transducers generating shear waves, which should penetrate the tested object and then, after reflection from the heterogeneity of the internal structure of the medium, should be picked up by receiving transducers. A method of identifying the structure and / or positioning of an object, in which ultrasonic waves guided along the plate are applied to an object placed on the surface of the plate, and then the waves scattered by the object are also guided along the plate to transducers located on its periphery, whereby the object is sonicated with horizontally polarized waves transverse ultrasound, and the electrical signals from the receiving transducers containing information on the structure and location of the object are processed by folding the lines, or the electrical signals are led to the receiving transducers, the output signals of which representing one-dimensional projections of the object are transformed according to the known principles of two-dimensional image reconstruction.

Sposób wizualizacji struktury wewnętrznej ośrodka i urządzenie do realizacji tego sposobu znane są z polskiego zgłoszenia patentowego nr P.376854. Sposób polega na tym, że mierzy się uśrednione parametry akustyczne i/lub fizyczne badanego ośrodka, w tym celu wytworzoną, przez co najmniej jeden przetwornik nadawczy, wiązkę rozbieżną fal ultradźwiękowych kieruje się przez badany ośrodek do przetworników odbiorczych, w których odebrane sygnały przetwarza się na sygnały elektryczne i wzmacnia. Wzmocnione sygnały elektryczne przetwarza się na sygnały cyfrowe, z których rekonstruuje się obraz rozkładu lokalnych wartości danego parametru w strukturze wewnętrznej badanego ośrodka. Przy czym na badany ośrodek kieruje się wiązkę rozbieżną fal ultradźwiękowych z przetworników nadawczych rozmieszczonych pierścieniowo wokół badanego ośrodka, zaś kolejne przetworniki nadawcze włącza się na obwodzie tego pierścienia, przy jednoczesnym włączaniu grup przetworników odbiorczych. Urządzenie ma głowicę pierścieniową połączoną z pierwszej strony, przez co najmniej jeden wzmacniacz napięciowy i demultiplekser z generatorem, zaś z drugiej strony poprzez multiplekser, wzmacniacz i przetwornik analogowo-cyfrowy z komputerem sterującym demultiplekserem i multiplekserem. Głowica wykonana jest w postaci pierścienia, który na wewnętrznej powierzchni ma rozmieszczone symetrycznie przetworniki odseparowane od siebie akustycznie i elektrycznie.The method of visualizing the internal structure of the center and the device for implementing this method are known from the Polish patent application No. P.376854. The method consists in measuring the averaged acoustic and / or physical parameters of the tested medium, for this purpose produced by at least one transmitting transducer, a divergent beam of ultrasonic waves is directed through the tested medium to receiving transducers, where the received signals are converted to electrical signals and amplifies. The amplified electrical signals are converted into digital signals, from which the image of the distribution of local values of a given parameter in the internal structure of the examined medium is reconstructed. A divergent beam of ultrasonic waves from transmitting transducers arranged in a ring around the investigated medium is directed to the tested medium, and subsequent transmitting transducers are turned on on the circumference of this ring, while simultaneously switching on groups of receiving transducers. The device has a ring head connected on the first side via at least one voltage amplifier and demultiplexer to the generator, and on the other side via a multiplexer, amplifier and analog-to-digital converter to a computer controlling the demultiplexer and the multiplexer. The head is made in the form of a ring with symmetrically arranged transducers on the inner surface, acoustically and electrically separated.

Z innego polskiego zgłoszenia patentowego nr P.369231, znane jest urządzenie do badania nieniszczącego czujnikiem ultradźwiękowym, wyrobów metalurgicznych w postaci rur. Urządzenie zawiera czujnik ultradźwiękowy mający ultradźwiękowe elementy przetwornikowe, które wzbudzane są w wybranych chwilach. Obwód dolny do obróbki sygnałów wychwyconych analizuje odpowiedź całkowitą rury przy wzbudzeniu ultradźwiękowym. Zgodnie z wynalazkiem, elementy przetwornikowe wzbudzane są, aby wytworzyć pojedynczą emisję, a obwód dolny odzyskuje próbki sygnałów obróbkowych przez każdy element przetwornikowy, w celu skojarzenia z nimi kolejnych chwil przesunięcia tak, aby obliczyć szereg całkowitych odpowiedzi rury na tę pojedynczą emisję, przez modyfikację przesunięć między kolejnymi czasami.From another Polish patent application no. P.369231, a device for non-destructive testing with an ultrasonic sensor of metallurgical products in the form of pipes is known. The device includes an ultrasonic sensor having ultrasonic transducer elements which are excited at selected times. The lower circuit for processing the captured signals analyzes the total response of the tube to ultrasonic excitation. According to the invention, the transducer elements are excited to produce a single emission, and the bottom circuit recovers samples of the processing signals through each transducer element to associate consecutive offset moments with them so as to compute a series of overall tube responses to that single emission by modifying offsets. between consecutive times.

Z opisu patentowego nr US2006058656 znany jest sposób i układ do wykonywania ultradźwiękowego dopplerowskiego badania falą ciągłą. Sposób polega na tym, że za pomocą układu kształtującego wiązkę ultradźwiękową metodą opóźniająco-sumującą, steruje się sondą ultradźwiękową wytwarzającą dwa sygnały, które kieruje się w odrębne obszary badanego obiektu, przy czym każdy z sygnałów jest zmodulowany przy użyciu co najmniej jednej modulacji i stanowi go fala ciągła złożona z fali nośnej zawierającej dither, zaś po odbiciu fali od obiektu odbiera się za pomocą sondy powstałe echa, a następnie w przetworniku odbiorczym generuje się sygnał elektryczny odpowiadający echom, przy czym sygnał odbiorczy przesyła się co najmniej jednym kanałem odbiorczym do przetwornika analogowo-cyfrowego, przetwarza się powstały sygnał odbiorczy do dziedziny cyfrowej w przetworniku i poddaje dalszej obróbce.From the patent description No. US2006058656 a method and system for performing ultrasonic Doppler examination with a continuous wave is known. The method consists in controlling the ultrasonic probe with the delay-summation method by means of the ultrasonic beam shaper, which produces two signals, which are directed to separate areas of the examined object, each of the signals being modulated using at least one modulation and constituting it a continuous wave consisting of a carrier wave containing dither, and after reflecting the wave from the object, the resulting echoes are picked up by a probe, and then an electrical signal corresponding to the echoes is generated in the receiving transducer, while the receiving signal is sent through at least one receiving channel to the analog-to-analog transducer digital, the resulting reception signal is converted into the digital domain in the converter and further processed.

PL 216 452 B1PL 216 452 B1

Z tego samego opisu patentowego znana jest również sonda ultradźwiękowa, która składa się z matrycy przetworników nadawczych i matrycy przetworników odbiorczych, we wspólnej obudowie, zgrupowanych w pod-matryce, z których każda jest połączona z wielokanałowym przetwornikiem analogowo-cyfrowym za pomocą osobnego kanału odbiorczego.An ultrasonic probe is also known from the same patent specification, which consists of an array of transmitting transducers and an array of receiving transducers, in a common housing, grouped in sub-arrays, each of which is connected to a multi-channel analog-to-digital converter by means of a separate receiving channel.

Z opisu patentowego USA nr US2006119223 znany jest system obrazowania struktury ośrodka, który ma matrycę dwuwymiarową przetworników ultradźwiękowych nadawczo-odbiorczych, z których każdy jest podłączony do układu kształtowania wiązki działającego na zasadzie opóźniania i sumowania sygnałów.From US Patent No. US2006119223, a medium structure imaging system is known which has a two-dimensional array of transceiver ultrasonic transducers, each connected to a beam shaper based on signal delay and summation.

W amerykańskim opisie patentowym nr US6094988 przedstawiono konstrukcję zapewniającą sprzężenie elektryczne przetworników w piezoelektrycznym detektorze ultradźwiękowym, która składa się z kompozytowego korpusu, w którym zatopione są końce elektrod, które przechodzą przez zamocowaną na korpusie nieprzewodzącą matrycę, na matrycy zaś rozpościera się piezoelektryczna folia przyklejona klejem nieprzewodzącym, przez co pomiędzy elektrodami a odpowiadającym im obszarem folii powstaje kondensator. W opisie ujawniono również połączenie urządzenia w układzie, w którym wiązka fal ultradźwiękowych z nadajnika jest odbierana przez matrycę 2-D piezoelektrycznych detektorów połączonych przez elektroniczny bufor z multiplekserem, układem adresującym i przetwornikiem analogowo-cyfrowym z komputerowym układem przetwarzająco-obrazującym.In the American patent specification No. whereby a capacitor is formed between the electrodes and the corresponding area of the foil. The description also discloses the combination of a device in a system in which the ultrasound beam from the transmitter is received through an array of 2-D piezoelectric detectors connected via an electronic buffer with a multiplexer, an addressing system and an analog-to-digital converter with a computer imaging and processing system.

Istota sposobu według wynalazku, w którym mierzy się parametry akustyczne i/lub fizyczne badanego ośrodka, w tym celu wytworzoną, przez co najmniej jeden przetwornik nadawczy, wiązkę fal ultradźwiękowych kieruje się przez badany ośrodek do przetworników odbiorczych, w których odebrane sygnały przetwarza się na sygnały elektryczne i wzmacnia, a wzmocnione sygnały elektryczne przetwarza się na sygnały cyfrowe, przy czym włącza się co najmniej jeden przetwornik elementarny matrycy nadawczej i jednocześnie sygnał po przejściu przez badany ośrodek odbiera się co najmniej jednym przetwornikiem elementarnym matrycy odbiorczej, polega tym, że aktywuje się różne apertury ₂ grup załączanych przetworników elementarnych, korzystnie grupę (2n+1)² przetworników, gdzie n = 0,The essence of the method according to the invention, in which the acoustic and / or physical parameters of the tested medium are measured, the beam of ultrasonic waves produced for this purpose by at least one transmitting transducer is directed through the tested medium to receiving transducers, in which the received signals are converted into signals electrical signals and amplification, and the amplified electrical signals are converted into digital signals, whereby at least one elementary converter of the transmitting matrix is turned on, and at the same time the signal, after passing through the tested medium, is received by at least one elementary converter of the receiving matrix, it consists in activating various apertures of ₂ groups of switched elementary transducers, preferably a group of (2n + 1) ² transducers, where n = 0,

1, 2, N, przy czym liczba N jest znacznie mniejsza od liczby wszystkich przetworników elementarnych matrycy, zwiększając tym samym kierunkowość i natężenie fali ultradźwiękowej, przez co uzyskuje się iloczyn charakterystyk kierunkowości na nadawanie i odbiór, odpowiadający maksymalnie wąskiej wiązce fali ultradźwiękowej o dużym natężeniu.1, 2, N, the number N is significantly lower than the number of all elementary transducers of the matrix, thus increasing the directivity and intensity of the ultrasonic wave, thus obtaining the product of the directivity characteristics for transmission and reception, corresponding to a maximally narrow beam of a high-intensity ultrasonic wave .

Urządzenie do wizualizacji struktury wewnętrznej ośrodka wyposażone w generator i komputer podłączony do monitora, gdzie generator poprzez nadawczy układ kluczowania połączony jest z matrycą nadawczą wytwarzającą wiązkę fal ultradźwiękowych, która przez badany ośrodek odbierana jest przez matrycę odbiorczą, połączoną przez odbiorczy układ kluczowania i wzmacniacz z układem pomiarowym współpracującym z komputerem, który jednocześnie połączony jest z układami kluczującymi, charakteryzuje się tym, że matryce mają płytkę drukowaną, na której rozmieszczone są przetworniki elementarne z wykorzystaniem siatki mocującej z wyciętymi otworami pod przetworniki elementarne, przy czym przetworniki elementarne umieszczone w siatce mocującej są z pierwszej strony przyklejone warstwą kleju przewodzącego do pól przewodzących naniesionych na płytkę drukowaną, które to pola poprzez indywidualne klucze elektroniczne podłączone są do masy, z drugiej zaś strony przetworniki elementarne przyklejone są warstwą kleju przewodzącego do ścieżek przewodzących naniesionych na siatkę mocującą, które połączone są w kolumnach, zaś każdy wiersz doprowadza napięcie zasilającego indywidualne klucze elektroniczne poprzez klucze wierszy układu kluczowania, natomiast każda kolumna podłączona jest do klucza kolumny układu kluczowania. Płytka drukowana połączona jest z siatką mocującą elektrycznie łącznikami i trwale, korzystnie śrubami z nakrętkami.A device for visualizing the internal structure of the medium, equipped with a generator and a computer connected to the monitor, where the generator, through a transmitting keying system, is connected to a transmitting matrix generating a beam of ultrasonic waves, which is received by the tested medium by a receiving matrix, connected by the receiving keying system and the amplifier with the system device cooperating with a computer, which is simultaneously connected with keying systems, characterized by the fact that the dies have a printed board on which elementary transducers are arranged with the use of a mounting grid with holes cut out for elementary transducers, while the elementary transducers are placed in the mounting grid with the first side is glued with a layer of conductive adhesive to the conductive fields applied to the printed circuit board, which fields are connected to the ground through individual electronic keys, on the other side the elementary transducers are glued with layers conductive adhesive to conductive tracks on the mounting grid that are connected in columns, and each row supplies voltage to individual electronic keys through the keying system row keys, while each column is connected to the key of the keying system column. The printed circuit board is electrically connected to the fixing grid by fasteners and permanently, preferably by bolts and nuts.

Korzystnym jest, gdy kluczami indywidualnymi są miniaturowe układy zawierające co najmniej jeden tranzystor, rozmieszczone w węzłach matrycy.Preferably, the individual keys are miniature circuits containing at least one transistor arranged in matrix nodes.

Korzystnym jest również, że matryca ma powłokę o dobrych właściwościach izolacyjnych, która jest również ćwierćfalową warstwą dopasowującą impedancję akustyczną matrycy do badanego ośrodka. Powłoka jest powłoką akrylową lub powłoką wykonaną z przezroczystego kauczuku silikonowego.It is also advantageous that the matrix has a coating with good insulating properties, which is also a quarter-wave layer matching the acoustic impedance of the matrix to the medium under test. The coating is an acrylic coating or a coating made of transparent silicone rubber.

Sposób wizualizacji struktury wewnętrznej obiektu według wynalazku, pozwala na dwuwymiarowe ultradźwiękowe zobrazowanie projekcyjne podobnie jak w klasycznej rentgenografii, poprzez pomiary projekcyjne wartości określonego parametru akustycznego lub całej ich grupy, w rzucie ortogonalnym. Zmierzone za pomocą przetworników elementarnych znajdujących się w matrycy odbiorczej projekcyjne wartości parametrów akustycznych ośrodka są bezpośrednio wizualizowane w płaszczyźnie badania za pomocą odcieni szarości, kolorów lub zobrazowania pseudo 3D. MożliwaThe method of visualizing the internal structure of the object according to the invention allows for two-dimensional ultrasonic projection imaging similarly to classical X-ray, through projection measurements of the value of a specific acoustic parameter or the entire group of them, in an orthogonal projection. Projected values of acoustic parameters of the medium measured by means of elementary transducers located in the receiving matrix are directly visualized in the test plane using shades of gray, colors or pseudo 3D imaging. Possible

PL 216 452 B1 jest przy tym jednoczesna wizualizacja projekcyjna kilku różnych parametrów akustycznych. Obrazy są obrazami projekcyjnymi struktury badanego ośrodka leżącego na drodze transmitowanej wiązki fali ultradźwiękowej, przy czym obrazy nakładają się na siebie wzajemnie. Ponadto dzięki wynalazkowi, możliwe jest bezinwazyjne i nieniszczące badanie różnych ośrodków z wykorzystaniem bezpiecznych poziomów natężenia fali ultradźwiękowej. Zaletą dwuwymiarowej matrycy z przetwornikami elementarnymi są niewielkie rozmiary oraz bezpieczne i nieinwazyjne obrazowanie ultradźwiękowe różnych parametrów akustycznych badanych ośrodków. Zastosowany wierszowo-kolumnowy układ zasilania elektrod oraz doprowadzeń klejonych zmniejsza obciążenie powierzchni przetworników elementarnych. Ponadto urządzenie pozwała na kształtowanie kierunkowości wiązki i jej natężenia, w wyniku tego pozwala na uzyskanie spójnego pola akustycznego, pozwalającego na trójwymiarowe rekonstruowanie lokalnych wartości parametrów akustycznych w strukturze ośrodka po zastosowaniu obrotu matryc wokół osi w czasie skanowania. Ponadto sekwencyjnie załączane przetworniki elementarne generują niezogniskowaną, równomierną wiązkę ultradźwiękową, co pozwala na uzyskiwanie obrazu pozbawionego błędów wynikających z nierównomierności pola w badanym obszarze.The simultaneous projection visualization of several different acoustic parameters. The images are projection images of the structure of the examined medium lying on the path of the transmitted ultrasonic wave beam, the images overlapping each other. Moreover, thanks to the invention, it is possible to non-invasively and non-destructively test various media with the use of safe levels of ultrasonic wave intensity. The advantage of the two-dimensional matrix with elementary transducers is its small size and safe and non-invasive ultrasound imaging of various acoustic parameters of the examined media. The used row-column power supply system for electrodes and glued leads reduces the surface load of the elementary transducers. In addition, the device allows for shaping the beam directivity and its intensity, and as a result, it allows to obtain a coherent acoustic field, allowing for three-dimensional reconstruction of local acoustic parameters in the structure of the medium after the matrix rotation around the axis during scanning. In addition, sequentially switched elementary transducers generate an unfocused, even ultrasonic beam, which allows for obtaining an image without errors resulting from field unevenness in the examined area.

Przedmiot wynalazku w przykładzie realizacji uwidoczniony jest na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat blokowy urządzenia do wizualizacji struktury wewnętrznej ośrodka, fig. 2 - matrycę z ultradźwiękowymi przetwornikami elementarnymi, fig. 3 - schemat ideowy grupy przetworników elementarnych matrycy połączonych ścieżkami przewodzącymi z kluczami, a fig. 4 - matrycę w ujęciu schematycznym z przełączaniem grupowym przetworników elementarnych.The subject of the invention in an exemplary embodiment is shown in the drawing, in which Fig. 1 shows a block diagram of a device for visualization of the internal structure of the medium, Fig. 2 - a matrix with ultrasonic elementary transducers, Fig. 3 - a schematic diagram of a group of elementary transducers of the matrix connected by conductive paths with keys and Fig. 4 is a schematic diagram of a matrix with group switching of elementary transducers.

P r z y k ł a d 1P r z k ł a d 1

Sposób wizualizacji struktury wewnętrznej ośrodka polega na tym, że za pomocą matrycy nadawczej 3 z przetwornikami elementarnymi 13, generuje się wiązkę ultradźwiękową, którą kieruje się na badany ośrodek 5, przy czym włącza się jeden przetwornik elementarny 13 matrycy nadawczej 3 i jednocześnie sygnał po przejściu przez badany ośrodek 5 odbiera się jednym przetwornikiem elementarnym 13 matrycy odbiorczej 6, przy czym układami kluczowania 2, 7 steruje się załączaniem przetworników elementarnych 13 matryc 3, 6, natomiast sygnały zmierzone przetwornikami elementarnymi 13 matrycy odbiorczej 6 wizualizuje się bezpośrednio w płaszczyźnie badania za pomocą odcieni szarości, kolorów lub zobrazowania pseudo 3D.The method of visualizing the internal structure of the medium consists in generating an ultrasonic beam with the aid of a transmission matrix 3 with elementary transducers 13, which is directed to the investigated medium 5, whereby one elementary transducer 13 of the transmission matrix 3 is turned on and, at the same time, the signal after passing through the investigated medium 5 is collected with one elementary transducer 13 of the receiving matrix 6, where the keying systems 2, 7 are controlled by switching on the elementary transducers 13 of the matrices 3, 6, while the signals measured by the elementary transducers 13 of the receiving matrix 6 are visualized directly in the test plane using shades of gray , colors or pseudo 3D imagery.

P r z y k ł a d 2P r z k ł a d 2

Sposób wizualizacji struktury wewnętrznej ośrodka przebiega jak w przykładzie pierwszym z tą ₂ różnicą, że jednocześnie włącza się grupę (2n+1)^{i 2} = 9 przetworników elementarnych 13, gdzie n = 1 i jest znacznie mniejsza od liczby wszystkich przetworników elementarnych 13 matrycy nadawczej 3 ₂ i jednocześnie sygnał po przejściu przez badany ośrodek 5 odbiera się przez grupę (2n+1)² = 9 przetworników elementarnych 13 matrycy odbiorczej 6, przy czym układami kluczowania 2, 7 kluczuje się załączanie grup przetworników elementarnych 13 matryc 3, 6. Każdą grupę załącza dziewięć indywidualnych kluczy elektronicznych T11, T12, T13, T21, T22, T23, T31, T32, T33, zasilanych napięciem Vs, ponadto klucze te T11, T12, T13, T21, T22, T23, T31, T32, T33, sterowane są poprzez klucze wierszy W1, W2, W3 układu kluczowania 2, 7 i klucze kolumn K1, K2, K3 układu kluczowania 2, 7.The method of visualization of the structure of the internal medium takes place as in the first example of the ₂ except that simultaneously turns on a (2n + ^{1) 2} = 9 transducers elementary 13, wherein n = 1 and is significantly less than the total number of transmitters elementary 13 transmit matrix 3 ₂ and at the same time the signal after passing through the tested medium 5 is received by the group (2n + 1) ² = 9 elementary transducers 13 of the receiving matrix 6, with the keying systems 2, 7 switching on groups of elementary transducers 13 of matrices 3, 6. Each group switches on nine individual electronic keys T11, T12, T13, T21, T22, T23, T31, T32, T33, powered by Vs voltage, in addition, these keys T11, T12, T13, T21, T22, T23, T31, T32, T33 are controlled through the keys of the rows W1, W2, W3 of the keying system 2, 7 and the keys of the columns K1, K2, K3 of the keying system 2, 7.

P r z y k ł a d 3P r z k ł a d 3

Urządzenie do wizualizacji struktury wewnętrznej ośrodka ma generator 1, który poprzez nadawczy układ kluczowania 2 połączony jest z matrycą nadawczą 3 wytwarzającą wiązkę fal ultradźwiękowych 4. Wiązka fal ultradźwiękowych 4 po przejściu przez badany ośrodek 5 odbierana jest przez matrycę odbiorczą 6, połączoną przez odbiorczy układ kluczowania 7 i wzmacniacz 8 z układem pomiarowym 9 współpracującym z komputerem 10. Komputer 10 połączony jest z również z układami kluczującymi 2, 7. Każda z obu matryc 3, 6 ma płytkę drukowaną 12, na której rozmieszczone są przetworniki elementarne 13 z wykorzystaniem siatki mocującej 14 z wyciętymi otworami 15 pod przetworniki 13. Przetworniki elementarne 13 umieszczone w siatce mocującej 14 są przyklejone warstwą kleju przewodzącego do pól przewodzących 16 naniesionych na płytkę drukowaną 12 i do ścieżek przewodzących 19 naniesionych na siatkę mocującą 14. Ścieżki przewodzące z tylnej strony dwuwarstwowej płytki drukowanej 12 łączą pola przewodzące 16 matrycy poprzez klucze indywidualne Txy do masy, a ścieżki przewodzące 19 siatki mocującej 14 połączone są bezpośrednio w kolumnach. Do każdego klucza wiersza Wx układu kluczowania 2, 7 doprowadzone jest napięcie Vs zasilające klucze indywidualne Txy, natomiast każda kolumna poprzez łączniki 20 podłączona jest do klucza kolumny Kx układu kluczowania 2, 7. Płytka drukowana 12 połączona jest z siatką mocującą 14 elektrycznie łącznikami 20 i trwale śrubami 17 z nakrętkami 18.The device for visualizing the internal structure of the medium has a generator 1, which, through a transmitting keying system 2, is connected to a transmitting matrix 3 producing a beam of ultrasonic waves 4. After passing through the tested medium 5, the ultrasonic wave beam is received by the receiving matrix 6 connected by the receiving keying system 7 and an amplifier 8 with a measuring system 9 cooperating with a computer 10. The computer 10 is also connected to the keyers 2, 7. Each of the two matrices 3, 6 has a printed circuit board 12, on which the elementary converters 13 are arranged by means of a fixing grid 14 with cut-out holes 15 for the transducers 13. The elementary transducers 13 placed in the mounting grid 14 are glued with a layer of conductive adhesive to the conductive fields 16 applied to the printed circuit board 12 and to the conductive tracks 19 marked on the mounting grid 14. Conductive paths on the back side of the double-layer printed circuit board 12 connect the conductive fields 16 of the matrix through the individual keys Txy to ground, and the conductive tracks 19 of the clamping mesh 14 are connected directly in the columns. Each key of the row Wx of the keying system 2, 7 is supplied with the voltage Vs supplying the individual keys Txy, while each column, through connectors 20, is connected to the key of the column Kx of the keying system 2, 7. The printed circuit board 12 is connected to the fixing grid 14 electrically with connectors 20 and permanently bolts 17 with nuts 18.

PL 216 452 B1PL 216 452 B1

P r z y k ł a d 4P r z k ł a d 4

Urządzenie do wizualizacji struktury wewnętrznej ośrodka wykonane jak w przykładzie trzecim z tą różnicą, że kluczem indywidualnym Txy jest miniaturowy układ tranzystorów, a na obie matryce 3, 6 naniesiona jest powłoka akrylowa o dobrych właściwościach izolacyjnych, która jest również ćwierćfalową warstwą dopasowującą impedancję akustyczną matrycy 3, 6 do badanego ośrodka 5.The device for visualizing the internal structure of the medium, made as in the third example, with the difference that the individual key Txy is a miniature transistor system, and both matrices 3, 6 are covered with an acrylic coating with good insulating properties, which is also a quarter-wave layer matching the acoustic impedance of the matrix 3 , 6 to the test center 5.

P r z y k ł a d 5P r z k ł a d 5

Urządzenie do wizualizacji struktury wewnętrznej ośrodka wykonane jak w przykładzie trzecim albo czwartym z tą różnicą, że powłoka jest wykonana z przezroczystego kauczuku silikonowego, a kluczem indywidualnym Txy jest miniaturowy tranzystor.The device for visualizing the internal structure of the medium is made as in the third or fourth examples, with the difference that the shell is made of transparent silicone rubber, and the individual key Txy is a miniature transistor.

Działanie urządzenia do wizualizacji struktury wewnętrznej ośrodka metodą projekcji ultradźwiękowej polega na tym, że za pomocą sygnału elektrycznego z generatora 1 poprzez nadawczy układ kluczowania 2 steruje się poszczególnymi przetwornikami elementarnymi 13 w matrycy nadawczej 3 i wytwarza się wiązkę fal ultradźwiękowych 4, która propaguje się przez badany ośrodek 5 do matrycy przetworników odbiorczych 6. Odebrane sygnały po przejściu przez odbiorczy układ kluczowania 7 przetwarza się na sygnały elektryczne i wzmacnia we wzmacniaczu 8. Z odebranych sygnałów elektrycznych wyznacza się w układzie pomiarowym 9 współpracującym z komputerem 10 wartości parametrów akustycznych w rzucie, takich jak czas przejścia impulsu, amplituda impulsu, parametry widma impulsu, które następnie wyświetla się na monitorze 11 w obszarze skanowania w odcieniach szarości lub kolorach. Komputer steruje również układami kluczowania 2 i 7. W urządzeniu połączenie ścieżek przewodzących 19 w kolumnach wykonane jest na siatce mocującej 14 laminatu grawerskiego za pomocą wypełnionego srebrem kleju przewodzącego z utwardzaczem. Powierzchnie fragmentów matryc 3, 6 przeznaczone do zanurzenia w cieczy zabezpieczone są przezroczystą akrylową powłoką. W celu minimalizacji przesłuchów pomiędzy elementarnymi przetwornikami 13 matrycy 3, 6 dodatkowo zastosuje się klucze elektroniczne zwierające odpowiednio do masy wszystkie nieaktywne przetworniki elementarne 13. Klucz Ky w ścieżce sygnału doprowadza napięcie do określonej kolumny matrycy, natomiast zamknięcie kluczy Wx określa aktywowany wiersz i zamyka wszystkie klucze indywidualne Txy w aktywowanym wierszu. W roli kluczy indywidualnych Txy można zastosować miniaturowe tranzystory lub układy tranzystorów.The operation of the device for visualizing the internal structure of the medium by means of the ultrasonic projection method is based on the fact that by means of the electric signal from the generator 1 through the transmitting keying system 2 individual elementary transducers 13 in the transmitting matrix 3 are controlled and a beam of ultrasonic waves 4 is generated, which is propagated by the examined person. medium 5 to the matrix of receiving converters 6. The received signals, after passing through the receiving keying system 7, are converted into electrical signals and amplified in the amplifier 8. From the received electrical signals, the values of acoustic parameters in the projection are determined in the measurement system 9 cooperating with a computer. pulse transit time, pulse amplitude, parameters of the pulse spectrum, which are then displayed on the monitor 11 in the scan area in shades of gray or colors. The computer also controls the keying systems 2 and 7. In the device, the connection of the conductive paths 19 in the columns is made on the mounting mesh 14 of the engraving laminate by means of a silver-filled conductive adhesive with a hardener. The surfaces of the matrix fragments 3, 6 intended to be immersed in the liquid are protected with a transparent acrylic coating. In order to minimize crosstalk between the elementary transducers 13 of the matrix 3, 6, electronic keys will additionally be used to short-circuit all inactive elementary transducers according to the mass. The Ky key in the signal path supplies voltage to a specific matrix column, while the key closure Wx defines the activated row and closes all the keys. individual Txy on the activated row. Miniature transistors or transistor circuits can be used as individual Txy keys.

W przypadku badania ośrodków 5 o dużym tłumieniu zwiększa się kierunkowość i natężenie fali ₂ ultradźwiękowej poprzez przełączanie przetworników 13 matrycy nadawczej 3 w grupach po (2n+1)², gdzie n = 0, 1, 2,..., N, przy czym liczba N jest znacznie mniejsza od liczby wszystkich przetworników elementarnych 13 matrycy 3, 6 (Fig. 4). Dla zachowania dużej rozdzielczości skanowania, przełącza się grupę o jeden przetwornik elementarny 13.In the case of testing media 5 with high attenuation, the directivity and intensity of the _{ultrasonic wave 2} are increased by switching the transducers 13 of the transmitting matrix 3 in groups after (2n + 1) ² , where n = 0, 1, 2, ..., N, with the number N is significantly smaller than the number of all elementary transducers 13 of the matrix 3, 6 (Fig. 4). In order to maintain a high scanning resolution, the group is switched by one elementary transducer 13.

Claims

Patent claims

1. Method for visualizing the internal structure of the medium, in which the acoustic and / or physical parameters of the tested medium are measured, for this purpose, a beam of ultrasonic waves produced by at least one transmitting transducer is directed through the tested medium to receiving transducers in which the received signals are processed electric signals are amplified, and the amplified electric signals are converted into digital signals, whereby at least one elementary converter of the transmitting matrix is turned on and at the same time the signal, after passing through the tested medium, is received by at least one elementary converter of the receiving matrix, characterized in that ₂ different apertures of groups of switched elementary transducers (13) are activated ^{, preferably a group (2n + 1) of 2} transducers (13), where n = 0, 1, 2, ..., N, where the number N is significantly lower than the number all elementary transducers (13) of the matrix (3, 6), thus increasing the directivity and intensity of the ultrasonic wave, thus the product of the directivity characteristics for transmission and reception is obtained, corresponding to a maximally narrow beam of high-intensity ultrasound wave.

2. A device for visualizing the internal structure of the medium, equipped with a generator and a computer connected to the monitor, where the generator, through a transmitting keying system, is connected to a transmitting matrix generating a beam of ultrasonic waves, which is received by the tested medium by a receiving matrix, connected by a receiving keying system and an amplifier with a measuring system cooperating with a computer, which is also connected to the keying systems, characterized in that the matrix (3, 6) has a printed circuit board (12) on which elementary transducers (13) are arranged with the use of a mounting grid (14) with cut-outs holes (15) for elementary transducers (13), while inserting elementary transducers (13)

Plugged in the fixing net (14) are on the first side glued with a layer of conductive adhesive to the conductive fields (16) applied to the printed circuit board (12), which fields (16) are connected to the ground via individual electronic keys (Txy) , on the other hand, the elementary transducers (13) are glued with a layer of conductive adhesive to the conductive tracks (19) applied to the mounting mesh (14), which are connected in columns, and each row supplies voltage (Vs) supplying individual electronic keys (Txy) through the row keys (Wx) of the keying system (2, 7), while each column is connected to the column key (Κχ) of the keying system (2, 7).

3. The device according to claim 1 Device according to claim 2, characterized in that the printed circuit board (12) is electrically connected to the fixing net (14) by connectors (20) and permanently, preferably by screws (17) with nuts (18).

4. The device according to claim 1 The method according to claim 2, characterized in that the individual keys (Txy) are miniature circuits containing at least one transistor, distributed at the matrix nodes (3, 6).

5. The device according to claim 1 2. The matrix according to claim 2, characterized in that the matrix (3, 6) has a coating with good insulating properties, which is also a quarter-wave layer matching the acoustic impedance of the matrix (3, 6) to the tested medium (5).

6. The device according to claim 1 5. The coating of claim 5, wherein the coating is an acrylic coating.

7. The device according to claim 1 5. The method of claim 5, characterized in that the coating is made of transparent silicone rubber.