WO2010142286A1 - Anordnung und verfahren zur kombinierten bestimmung von schallgeschwindigkeiten und abständen in medien mittels ultraschall - Google Patents

Anordnung und verfahren zur kombinierten bestimmung von schallgeschwindigkeiten und abständen in medien mittels ultraschall Download PDF

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point
distance
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Elfgard Kühnicke
Michael Lenz
Norbert Gust
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Technische Universität Dresden
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Definitions

  • the invention relates to an arrangement and a method for the combined determination of sound velocities and distances in media by means of ultrasound, wherein the arrangement consists of at least the following subassemblies:
  • a transmission signal generator which generates electrical transmission signals on m> 1 channels
  • a transmitting-receiving switch for switching between electrical transmission signals and electrical reception signals
  • An ultrasonic transducer with n ⁇ 1 elements which receives the electrical transmission signals from the transmission signal generator, the controlled elements of the ultrasonic transducer to send an ultrasonic wave in the medium to be examined at a constant or spatially variable sound velocity and wherein the reflected ultrasonic wave with at least one element of the ultrasonic transducer and is converted into electrical received signals, and
  • a gain unit which receives and amplifies the received electrical signals from at least a single element of the ultrasonic transducer
  • An evaluation which receives the forwarded from the recording unit digital signals for evaluation.
  • An arrangement and a method for determining the combination of radii of curvature and distances at acoustic interfaces in measuring objects by means of ultrasound are described in the publication DE 10 2008 010 582 B3. This contains the aforementioned assemblies. Sound velocities and distances are not determined in combination since the evaluation of the reflected ultrasonic waves relates to the determination of distances at acoustic interfaces and hence to the determination of radii of curvature of the interfaces.
  • One problem is that it is not possible to determine, in combination with the subassemblies mentioned above and the specified method, sound velocities and distances of test objects in combination.
  • a delay system for coupling between a plurality of elements and an input / output arrangement is described in US Pat. No. 4,257,271, the relative delays between the input / output arrangement and the individual elements being selectable by means of process control.
  • a single delay train is used to generate three different effective delay regimes, e.g. three different focus points in an ultrasound imaging system to be able to use.
  • the delay system contains
  • Delay line or the other end of the delay line or the general connection of the delay line to the input / output arrangement The problem is that with the delay system in ultrasonic imaging systems, no combined determination of sound velocities and distances can be realized.
  • measurements in solids are carried out by means of ultrasound in order to detect defects in materials, to measure layer thicknesses or to visualize structures in technical fields or in medicine, such as tissue structures and organ boundaries. Knowing the speed of sound is a necessary prerequisite for measuring quantities and distances.
  • the speed of sound or the speed of sound profile is of particular interest, because from this additional important parameters for the solid or liquid substance or a mixture of substances can be derived. For example, in many liquid solutions or mixtures, the speed of sound is highly dependent on the concentration and can therefore be used advantageously for concentration measurement.
  • the speed of sound is also material parameter and can be used for solid state characterization. If the speed of sound is measured by means of the ultrasound-echo principle in order to derive material
  • a comparison reflector is usually used at a predetermined position for determining the sound path.
  • A1 in which the data for calculating the speed of sound and the layer thickness from a series of transmitted and reflected ultrasonic waves be determined, wherein at least one of the measurements without the presence of the measurement object is transmitted on the transmission path.
  • the invention has for its object to provide an arrangement and a method for the combined determination of sound velocities and distances in media by means of ultrasound, which are designed so suitable that the cost of determining sound velocities and distances in fluid and solid media by means of ultrasound essential reduced and the accuracy of the specific sound velocities and distances are increased.
  • the object is solved by the features of claims 1 and 22 and 15 and 30.
  • the arrangement for the combined determination of sound velocities and distances in media by means of ultrasound consists at least of
  • a transmission signal generator which generates electrical transmission signals on m> 1 channels
  • a transmitting-receiving switch for switching between electrical transmission signals and electrical reception signals
  • an ultrasonic transducer with n ⁇ 1 elements which receives the electrical transmission signals from the transmission signal generator, wherein the driven elements of the ultrasonic transducer send an ultrasonic wave into the medium to be examined with fixed or spatially variable sound velocity and wherein the reflected ultrasonic wave with at least one element of the ultrasonic transducer received and electrical received signals is converted, and - A gain unit, which receives and amplifies the received electrical signals from at least a single element of the ultrasonic transducer, and
  • the transmission signal generator focused solely in the form of electronic focusing or in cooperation with the recording unit in the form of synthetic focusing the generated ultrasonic focus gradually along the axis of the ultrasonic transducer to individual focus points Fj at a distance from the ultrasonic transducer
  • a calibration unit is provided which, when creating the calibration data either by simulation calculation or by measurement with the aid of the recording unit for a point located in a calibration W spot reflector the relationship between the used focusing regime V max (awj), in which the amplitude of the reflected ultrasound is maximum, and provides the selected distance awj of the point reflector from the ultrasonic transducer in a calibration and compiled as a table T
  • the recording unit the sound propagation time from the ultrasonic transducer z measures point reflector in the medium at a distance a Mj and determines, by stepwise focusing, that focusing regime V max (a M j) at which the amplitude of the reflected
  • Inhomogeneities in the medium and in the calibration medium can be defined as point reflectors, with an inhomogeneity representing an extent in the range of an ultrasound wavelength ⁇ or less, or else embedded, bound, statistically distributed scattering particles / particles of equal extent at which the ultrasound is scattered in each case.
  • the medium may consist of one or more layers, the layered medium containing point reflectors, wherein the speed of sound is determined in front of the respective point reflector with the calibration unit, the acquisition unit and the evaluation unit, and a repetition of the process for more distant point reflectors and thus detection
  • the average sound velocity between the ultrasonic transducer and the point reflector location for each point reflector location is carried out, with a sufficiently dense distribution of point reflectors in the layers can thus determine a sound velocity profile and thus the speed of sound can be created in the individual layers, resulting from the determined sound velocities in allow the individual layers and the sound propagation times between the individual interfaces of the respective layer to calculate a layer thickness.
  • the reception of the ultrasound can take place on the inner element of the ultrasound transducer alone, on one of the remaining other elements or on a combination of several elements by means of electronic focusing or by means of synthetic focusing in the form of a time-delayed superimposition of the echo signals resulting on the individual elements ,
  • the medium may be a liquid mixture provided with distinguishable point reflectors, whereby differences in sound velocity may occur, whereby a determination of the distance from the ultrasonic transducer and the middle one Sound velocity in front of the closest located in front of the ultrasonic transducer point reflector with the calibration unit, the recording unit and the evaluation, and a repetition of the process for more distant point reflectors and thus determining the average sound velocity between ultrasonic transducer and point reflector location for each NOTEreflektorort takes place, If the density distribution of point reflectors in the liquid mixture is sufficiently dense, a sound velocity profile can thus be created.
  • the medium may be a liquid mixture having randomly distributed scattering particles which may deposit, anneal or flow or diffuse, where density variations and acoustic velocity differences may occur, wherein a determination of the distance from the ultrasonic transducer and the mean velocity of sound between the ultrasonic transducer and the focal point, i. H. the area of the maximum sound pressure in the medium, with the calibration unit, the recording unit and the evaluation is carried out, and a repetition of the process for farther away focus points and thus determining the average sound velocity between the ultrasonic transducer and focus point takes place, so as a sound velocity profile with support points on the Create focus points.
  • the driven elements of the ultrasonic transducer transmit ultrasonic waves into a medium with a variable or constant ultrasonic velocity.
  • the media's interfaces and dot reflectors reflect ultrasonic waves received by the ultrasonic transducer.
  • the received ultrasonic signals are converted into electrical signals and fed to the amplification of the recording and evaluation.
  • the time delay regimes are n-tuple ⁇ ti, .DELTA.t 2) ..., n .DELTA.t of times in order to be driven is delayed relative to the inner member or superimposed on the individual elements of the ultrasonic transducer.
  • Stepwise focusing The transmission signal generator focuses the ultrasound step by step along the axis of the ultrasound transducer to individual focus points solely by electronic focusing or in cooperation with the recording unit and the evaluation unit by means of synthetic focusing.
  • a recording unit detects the sound propagation time from the ultrasound transducer to a point reflector or focus point (in "Liquid mixture with statistically distributed scattering particles, which store, flow or diffuse") in a medium, wherein the focusing regime is determined by the stepwise focusing, wherein the amplitude of the reflected ultrasound for this point reflector or focal point becomes maximum.
  • an evaluation unit for a located in the medium to be examined reflector from the determined focusing regime V max (aMj), and from the provided by the calibration unit tabular relationship T between the focusing regime and the distance of the point reflector or focal point of the ultrasonic transducer in a calibration the determination the distance of the point reflector or the focal point with respect to the calibration medium and from the determined sound propagation time and from the determined point reflector distance or the focal point distance with respect to the calibration medium, the calculation of the mean velocity of sound in the medium to be examined to the respective Cincinnatireflektorort or focus point and the distance of the Albanyreflektorortes or the focal point of Ultrasonic transducer in the medium to be examined. Subsequently, by determining these parameters for several or all point reflectors or focal points at different locations, the spatially variable speed of sound can be carried out in the form of a sound velocity profile.
  • non-invasive, non-referential determination of the speed of sound in liquids and solids containing point reflectors or scattering particles can be carried out by means of ultrasound to produce a sound velocity profile for representing the variable velocity of sound, - That a better position determination can be achieved by the knowledge of the simultaneously measured speed of sound as well as
  • a central receiving element receiving the reflected ultrasonic waves can be present in the inner element present there transmits generated electrical reception signals to the amplification unit,
  • the transmit signal generator focus solely by electronic focusing or in conjunction with the recording unit by a synthetic focusing the resulting ultrasonic focus gradually along the axis of the ultrasonic transducer to individual focus points Fj,
  • a calibration unit can be present which either by simulation calculation or by measurement with the aid of the recording unit the reflected sound on the central receiving element for the ultrasonic transducer used in the following measurements with the corresponding element arrangement for a calibration medium W with the calibration wall as a reflector at a distance for the different Focusing points F J W determines, as a function of the electronic focusing, determines the electronic focus adjustment for the maximum Fok and by varying the distance a 2 w. a 3 w, eUw, ⁇ • ⁇ the interface and repetition of the process provides calibration curves for the different layer thicknesses of the calibration medium in front of the calibration wall, and
  • the recording unit to measure the sound transit time between the front interface and the rear interface of the layer to be examined and upon displacement of the focal point Fj along the axis for the respective focus point, the reflected Register signal on the central receiving element, from which the sound pressure amplitude for the central receiving element for each focal point determined and the sound pressure amplitudes determined as a function of focusing in the form of sound pressure amplitude curves are shown, and wherein the evaluation of the determined by measuring the sound pressure amplitude curve, the local maxima and From this, the equivalent distance of the reflecting boundary surface with respect to the calibration medium W is determined from the calibration curve, from the sound propagation time measured by the recording unit with respect to the rear boundary surface of the medium to be examined and the determined equivalent layer thickness d w with respect to the calibration medium W determines the speed of sound c Me d in the layer of the medium to be examined and its layer thickness d MeC ⁇ .
  • the central receiving element for detecting the reflected ultrasound is provided, wherein the dimensions - diameter, side length - of the central receiving element in the order of magnitude of an ultrasonic wavelength ⁇ with respect to the medium.
  • the central receiver element With the insertion of the central receiver element can be dispensed with a transceiver switch. From the central receiving element can be performed directly to the amplification unit, a signal line.
  • the change of the focus points can be effected alone or in addition by mechanical displacement of the ultrasound transducer in the axial direction, wherein the ultrasound transducer with a displacement device which shifts the ultrasonic transducer along the axis to move the focus point.
  • the calibration unit can either by simulation calculations for the ultrasonic transducer used or by measurements using the recording unit, the reflected signal on the central receiving element for the calibration medium W with a fixed calibration wall as a reflector at a distance aiw for different focus points F-iw, F 2W , F 3W ....
  • the distance a w of the calibration wall from the ultrasound transducer corresponds in the case of the calibration medium to the layer thickness d w of the calibration medium when there is direct contact between the calibration medium and the element (s) of the ultrasound transducer.
  • the ultrasonic transducer may be in the form of a ring element arrangement in which at least one annular element is optionally additionally subdivided into sectors to detect an inclination of the ultrasonic transducer with respect to the interface so as to be adjusted.
  • a measuring principle for the simultaneous determination of the speed of sound c Med and the layer thickness d M ⁇ d in at least one medium by means of ultrasound can therefore be obtained by detecting two independent measured variables:
  • the transmit signal generator focused solely by electronic focusing or in conjunction with the recording unit by a synthetic focusing the resulting ultrasonic focus gradually along the axis of the ultrasonic transducer to individual focus points Fi, which are located either before, on and behind the rear interface of the layer to be examined.
  • the evaluation can be determined either by simulation calculation or by measuring the reflected sound from a calibration wall, which is generated by the transducers used for the following measurements on the central receiving element for different focus points F 1 , represented as a function of electronic focusing and electronic focus adjustment can be determined for the maximum, whereby by varying the calibration wall distance and by repeating the process calibration curves for the different medium layer thicknesses can be created in front of the calibration wall.
  • a recording unit measures the sound propagation time between the front interface and the rear interface of the layer to be examined with an unknown layer thickness and with an unknown speed of sound.
  • the stepwise displacement of the electronic focus point along the axis of the ultrasonic transducer is for the respective focus point registers the reflected signal on the central receiving element. From this, the sound pressure amplitude for the central receiving element is determined for each focal point and the sound pressure amplitude curve thus determined for the central receiving element is displayed as a function of the focusing.
  • An evaluation unit determines the local maxima and minima in the determined sound pressure amplitude curve and determines therefrom the electronic focus adjustment for the maximum. From the determined focusing, the equivalent distance a w of the reflecting boundary surface with respect to the medium to be examined is determined with the aid of the calibration curve, wherein the measured sound transit time t between the front boundary surface and the rear boundary surface of the layer to be investigated and the determined equivalent layer thickness d w with respect to the calibration medium W, the speed of sound C M « ! be determined in the layer to be examined and their layer thickness d Med .
  • Said calibration wall can be a solid wall.
  • the following media can be measured: layered solids with a determination of the layer thicknesses d Me and sound velocities c Med in the individual layers, in particular layer thicknesses in the interior of a medium and of hidden layers,
  • FIG. 1 shows a first arrangement according to the invention for the combined determination of sound velocities and distances in media by means of ultrasound, wherein FIG. 1a is a schematic representation of the entire arrangement in a single-layered medium, FIG. 1b is an enlarged medium-ultrasound transducer arrangement according to FIG.
  • Fig. 1c is a schematic representation of the arrangement for calibration in the calibration medium W and Fig. 1d is a schematic representation of the arrangement of FIG. 1a at
  • V -4.3mm in Plexiglas
  • V -5,4mm in Plexiglas
  • V -5.6mm in Plexiglas
  • FIG. 7 a shows the course of the normalized amplitude of the echo signal, averaged over 500 seconds, as a function of time over the
  • Fig. 8 shows a modified second arrangement according to the invention for the combined determination of sound velocities and distances, in particular layer thicknesses in media by means of ultrasound, wherein
  • FIG. 8a is a schematic representation of the arrangement with a central receiving element
  • Fig. 8b is an enlarged view of the ultrasonic transducer medium
  • Arrangement with the central receiving element according to Fig. 8a, Fig. 8c is a schematic representation of the arrangement with a central receiving element for calibration and
  • FIG. 8d shows an enlarged schematic representation of the arrangement with a central receiving element for calibration according to FIG. 8c, FIG.
  • Fig. 9 sound pressure amplitudes as a function of the electronic focus point
  • FIG. 10 shows sound pressure amplitudes as a function of the electronic focus point for multilayer media for a large ultrasound transducer
  • FIG. 3a showing the reflected amplitude from the rear boundary surface of a tissue layer with a layer thickness of 5 mm after a water feed of 5 mm
  • FIG. 10 shows sound pressure amplitudes as a function of the electronic focus point for multilayer media for a large ultrasound transducer
  • FIG. 3b shows the reflected amplitude from the rear boundary surface of a fabric layer with a layer thickness of 8 mm after a water flow of 5 mm and.
  • Fig. 3c shows the reflected amplitude from the rear interface of a Plexiglas layer with a layer thickness of 5mm after a water advance of 5mm.
  • FIG. 1 a shows a schematic representation of a first arrangement 10 for the combined determination of sound velocities and distances in a medium 4 containing point reflectors 5 by means of ultrasound, the arrangement 10 consisting of
  • a transmission signal generator 1 which generates electrical transmission signals on three channels 14,
  • An ultrasonic transducer 3 with three elements 31, 32, 33, which receives the electrical transmission signals from the transmission signal generator 1 via the transmitting-receiving switch 2, wherein the driven elements 31, 32, 33 of the ultrasonic transducer 3, an ultrasonic wave in the medium to be examined. 4 after switching the transmitting / receiving switch 2, the ultrasonic wave reflected by the point reflectors 5 contained in the medium 4 is received by the elements 31, 32, 33 of the ultrasonic transducer 3, and - An amplification unit 6, which receives and amplifies the electrical received signals from the individual elements 31, 32, 33 of the ultrasonic transducer 3 via the transceiver 2, and
  • An evaluation unit 8 which receives the forwarded from the recording unit 7 digital signals for evaluation.
  • the transmission signal generator 1 focuses in the form of electronic focusing or in cooperation with the recording unit 7 and the evaluation unit 9 in the form of synthetic focusing the generated ultrasound stepwise along the Schallkopfachse 12 of the ultrasonic transducer 3 to individual focus points F 1 , F 2 , F 3 occurs the reception of the received signal either by the inner element 31 alone, any other element 32, 33 alone or by combining several elements 31, 32, 33 by means of synthetic focusing in the form of a time-delayed superposition of the on the individual elements 31, 32, 33 itself resulting echo signals, a calibration unit 9 is provided, which when creating the calibration data either by simulation calculation or by measuring with the aid of the recording unit 7 for a in a calibration medium W (Fig.
  • the evaluation unit 8 determines the focusing regime V ma ⁇ (a Mj ) at which the amplitude of the reflected ultrasound becomes maximal for a point reflector 5 located in the medium 4, and the distance T of the point reflector 5 from the table T provided by the calibration unit of the calibration medium W, determined from the determined sound propagation time and the determined reflector distance with respect to the calibration medium
  • the time delay regimes may be assigned to the electronic focusing regime and provide predetermined n-tuples At 1 , Li 2 , -. , At n from times, so that the individual elements 31, 32, 33 of the ultrasonic transducer 3 in comparison to the inner element 31 can be controlled delayed and / or superimposed time-delayed.
  • the aforementioned point reflectors 5 may be inhomogeneities and / or randomly distributed scattering particles / particles in the medium 4, the inhomogeneities and / or scattering particles / particles having an extent of the order of magnitude and less of an ultrasonic wavelength ⁇ or less and at which the ultrasound is scattered.
  • the simultaneous determination of the speed of sound and the distance of the spherical point reflector 5 from the transmitting elements / receiving elements 31, 32, 33 of the ultrasonic transducer 3 is based on the measurement of the sound propagation time t and the distance of the respective focal point F; F 1 , F 2 , F 3 of the ultrasonic transducer.
  • FIG. 2a shows the longitudinal section of the sound field for an unfocussed ultrasound transducer 3 in a solid state after a water feed VL.
  • extended sensitive zone eg 6-dB zone
  • the distance z of the natural focus point depends on the size of the ultrasonic transducer 3, the ultrasonic frequency and the medium 4, and may be for a disc-shaped planar ultrasonic transducer 3 according to the equation (I) for the near-field length N
  • the focus point can be drawn closer to the ultrasound transducer 3 and the surface of the sensitive zone can be substantially reduced.
  • the position of the sound field maximum or the focal point results from the position of the natural focal point and the curvature of the lens or the electronically adjusted focusing.
  • the exact position and extent of the sensitive zone for the resulting focus point can be determined with the aid of simulation calculations.
  • the sound fields in the media water and Plexiglas are each compared with the same ultrasonic transducer 3 and the same electronic focusing.
  • FIG. 3 shows the normalized maximum p for the sound field, including its position in x, y, z coordinates.
  • the x, y, z coordinate system is attached to the ultrasonic transducer 3, so that in the coordinate z of the focal point distance, in this case, the distance of the focal point to the ultrasonic transducer 3, is specified. 3 makes it clear that the position of the maximum changes greatly depending on the material parameters of the medium 4, in particular the speed of sound, and that the evaluation of the focal point distance brings additional information at runtime.
  • the spherical point reflector 51 or the ultrasonic transducer 3 is moved along a line 13 radially to the Schallkopfachse 12 to the outside.
  • the maximum in the reflected signal results when the point reflector 51 is at the focus point F 2 as shown in FIG. 1b.
  • This fact can be exploited inversely, to determine the réellereflektorort F 2 by a shift of the focal point F.
  • the locations of the focus points can only be changed by changing the position of the ultrasound transducer 3 with respect to the medium 4 to be examined, z. B. with a water supply VL, set in the array transducer also by systematic change of the focusing regime by means of a time-delayed control of the elements or a time-delayed superposition of the echo signals.
  • the point reflector 51 is positioned on the Schallkopfachse 12 at different distances a Wj , and it is determined the electronic focus, in which the reflected Signal has a maximum.
  • the first layer 41 is water.
  • the speed of sound and the distance of the point reflector 5 from an interface 11 should be determined.
  • an ultrasonic transducer 3 with annular elements 31, 32, 33 is used, as is also shown in FIG. 1d.
  • the focusing can be done directly by a time-delayed control of the transmitting elements with delay times corresponding to the respective focusing regime or by sending all transmitting elements 31, 32, 33 individually one after the other, the individual signals from the receiving elements 31, 32, 33 are registered and the Signals for the individual transmitting elements 31, 32, 33 are out of phase superimposed according to the respective focusing regime.
  • table 2 is available for a single-layered medium.
  • the speed of sound in the second layer 42 and the distance a M i of the spherical point reflector 5 are determined by the ultrasound transducer 3.
  • the signal propagation time t j which characterizes the distance a M i of the point reflector 5, is first measured, as indicated in Tab. 2, column 2.
  • the focus point F - F 1 , F 2 , F 3 - is then moved systematically along the Schallkopfachse 12 and measured the amplitude for each electronic focus point.
  • FIG. 6 shows the ascertained amplitude curves for the ultrasound transducer 3 for the measurement situation described above, wherein the evaluation of the inner receiving element 31 with appropriate calibration is also possible.
  • the electronic focus point is determined at which the reflected signal has a maximum, as indicated in Tab. 2, column 3.
  • Tab. 2 shows, for different point reflector locations, characterized by different transit times tj in column 2, the determined electronic focusing, in which the maximum occurs in column 3, and the value for the point reflector distance a w , determined by interpolation of the values in Table 1 Water in column 4.
  • the sound velocity in the second medium 42 is calculated according to column 5, where t in this case is the simple sound transit time in the medium 42 up to the considered point reflector.
  • the sound velocity for the first medium 41 is equal to the sound velocity Cw of the calibration medium W - water -.
  • the distance a Med of the spherical point reflector 5 according to column 6 is then determined.
  • the distance used in the first column of Table 2 is the spherical point reflector 5 used by the interface 11 and the actual speed of sound.
  • Deviation dv between the determined focus positions from sound field calculation and with the help of the approximation formula - Difference around 0.1mm Error at focusing
  • Tab. 4 Focus point positions determined from the sound field (longitudinal section) and associated sound propagation times
  • a liquid mixture e.g. with a variable mass density
  • the comparison of the determined sound velocities for two point reflectors 51, 52 lying one behind the other, together with the associated sound propagation time provides the change in the average sound velocity between the point reflectors 51, 52.
  • the medium 4 to be examined is a liquid mixture which is provided with different point reflectors 5, 51, 52, sound velocity differences occur, whereby a determination of the distance of the point reflector 51 of ultrasonic transducers 51 located on the transom axis 12 closest to the ultrasound transducer 3 3 and the average sound velocity c Med between the point reflector 5 and the ultrasonic transducer 3 with the equations (V) and (VI)
  • C Ued takes place, where aw is the distance of the point reflector 5 from the ultrasound transducer 3 with respect to the calibration medium W, and wherein the distance aw is determined by the focussing regime V ma ⁇ (a w ), and t is the simple sound transit time between ultrasound transducers 3 and is the respective point reflector 5, and wherein Cw is the speed of sound of the calibration medium W, and a repetition of the process for farther point reflectors 5 and thus a determination of the average sound velocity between the ultrasonic transducer 3 and point reflector location for each point reflector location is carried out, wherein the average sound velocity q , j + i between two (j, j + 1) point reflectors 51, 52 lying on the acoustic transom axis 12 via the equation (VII)
  • the investigating medium 4 represents a liquid mixture which is provided with randomly distributed scattering particles which are stored, flow or diffuse, and thus has sufficient scattering particles in time at all locations in the medium 4, the echo signal amplitude averaged over various transmission pulses provides the Focus point in the middle scattering particles for the selected focusing regime, the runtime proportional to the display position of the respective and thus the sound propagation time from the ultrasonic transducer 3 to the focus point F; Fi, F 2 , F 3 in the medium 4, wherein a determination of the average sound velocity c M ed to the focal point F and the distance a Med between the ultrasonic transducer 3 and the focal point F with the equations (V) and (VI)
  • t j + 1 -t j is the simple sound transit time between the two focus points F
  • awj + 1-awj is the distance between the two focus points F relative to the calibration medium W, whereby a sound velocity profile can be established.
  • a liquid other than water can also be used.
  • FIG. 7 shows that the location of the sound pressure maximum in flowing or diffusing liquids can be determined by averaging the echo signal amplitudes.
  • FIG. 7 c shows a schematic diagram of the focusing ultrasound lens 17 used in the ultrasound transducer 3.
  • the echo signal amplitude averaged over different transmission pulses from each focal point F; F 1 , F 2 , F 3 are determined and passed to the evaluation unit 8, wherein the evaluation unit 8, the so for the focus points F; Fi, F 2 , F 3 determined echo signal amplitudes with the of the calibration unit 9 for the different focus points F; F 1 , F 2 , F 3 compares or calculates echo signal amplitudes and uses them to calculate the ultrasound attenuation of the medium 4 between two focus points F, eg Fi - F 2 , F 2 - F 3 , in order to increase the accuracy of the sound velocity measurements and / or to determine the properties of the fluid or tissue.
  • the echo signal amplitudes averaged over different transmission pulses are sent to the evaluation unit 8, wherein the evaluation unit 8 calculates an echo signal amplitude curve dependent on the sound propagation time from the echo signals for fixed focus averaged over different transmission pulses, and from the echo signal amplitude curve thus calculated the attenuation in the vicinity of the focal point F;
  • F 1 , F 2 , F 3 is determined to, after optional repetition of the method steps for different focus points F; Fi, F 2 , F 3 to increase the accuracy of the sound velocity measurements and / or to determine the properties of the liquid or tissue.
  • the specified method is a non-invasive method without consideration of interfaces and provides a sound velocity profile (spatially resolved sound velocity) in fluid and solid media 4 with scattering inhomogeneities and / or particles as point reflectors 5, in particular the scattering particles before the initiation of the process in the Medium 4 can also be introduced.
  • Figs. 8a, 8b, 8c and 8d are considered together.
  • a second arrangement 20 for the combined determination of sound velocities and distances, in particular of layer thicknesses in the medium 4 with the layers 41, 42 by means of ultrasound, is shown schematically in FIGS. 8 a and 8 b, wherein the second arrangement 20, largely similar to the first arrangement 10 and modified, at least out
  • a transmission signal generator 1 which generates electrical transmission signals on three channels 14,
  • an amplification unit 6 which receives and amplifies the electrical received signals
  • a recording unit 7 which supplies the amplified received signals of an analog-to-digital conversion to form digital signals, as well as
  • An evaluation unit 8 which includes the digital signals from the recording unit 7 in the evaluation consists.
  • a central receiving element 15 which receives the reflected ultrasonic waves, preferably central to the inner element 31, which forwards the electrical received signals generated in it to the amplification unit 6, wherein the transmitted signal generator 1 is controlled solely by a electronic focusing or, in conjunction with the recording unit 7, focusing the resulting ultrasonic focus stepwise along the transducer head 12 of the ultrasound transducer 3 onto individual focal points Fi, F 2 , F 3 by means of a synthetic focusing, wherein a calibration unit 9 is present, either by simulation calculation or by measurement with the aid of the recording unit 7, the reflected ultrasound on the central receiving element 15 for the ultrasonic transducer used in the following measurements 3 with predetermined element arrangement for a calibration medium W with a fixed calibration wall 16 as a reflector in Distance a w for the different electronic focus points Fw, as shown in FIGS.
  • the central receiving element 15 is provided for determining the sound pressure amplitude curve, the dimensions - diameter dz, side length - of the central receiving element 15 in the range of an ultrasonic wavelength ⁇ with respect to the medium 4.
  • d Me d42 The simultaneous measurement of the speed of sound c Me d4i, c Me d42 and layer thickness d Med 4i. d Me d42 is based on the determination of the sound propagation time Wi, U2 and the sound pressure amplitude curves determined by varying the focus points Fi, F 2 , F 3 .
  • a point-shaped reflector results in variation of the focus points Fj a maximum in the reflected signal when the point-shaped reflector is in the focal point, which is given by the maximum sound pressure.
  • the reflection in an extended boundary surface results in the maximum in the reflected signal only if the focal point Fj is placed at a distance of a few millimeters after the boundary surface.
  • the distance of the reflecting interface can be determined by measurement with a small receiver in the form of the central receiving element 15 introduced according to the invention.
  • focal maxima and minima which can be used to determine the layer thickness d Med, can be determined near the reflective boundary surface (FIGS. 9, 10).
  • the recorded sound pressure amplitude curves may also depend on the geometry and the frequency of the transmitting elements 31, 32, 33.
  • the calibration unit 9 indicated in FIG. 8c may include a calculation unit 91 for calculating the calibration curves and / or a measuring unit 92 for determining the calibration curves.
  • a recording unit 7 measures e.g. in the case of the layer 41 to be examined, the sound transit time tu between the front boundary surface G1 and the rear boundary surface G2 of FIG
  • An evaluation unit 8 determines the local maxima and minima in the determined sound pressure amplitude curve and determines therefrom with the aid of the calibration curves the equivalent distance a w of the reflecting interface 16 with respect to the calibration medium W and from the measured sound transit time t between the front boundary surface G1 and the rear boundary surface G2 of the layer 41 to be examined and the determined equivalent layer thickness d w with respect to the calibration medium W the sound velocity c Me d4i be determined in the layer 41 to be examined and their layer thickness d M ecwi.
  • an ultrasonic transducer 3 with a ring element is used for the simultaneous determination of the layer thickness diued and the speed of sound CMe d.
  • ment arrangement used.
  • calibration curves are first calculated as shown in FIG. In the calculation, it is assumed that in a water bath at a defined distance parallel to the transmitting elements 31, 32, 33 is a thick plate 16 as a calibration, in which no reflection from the plate back wall arrives at the receiving elements in the observation period.
  • the focal point F 1 , F 2 , F 3 is placed in front of, on and behind the front reflecting surface of the plate 16 along the transducer axis 12 and a sound pressure amplitude curve with respect to the central receiver element 15 - a small central receiver. gers in the range of the Schallkopfachse 12 - determined.
  • the electronic focusing is performed directly by a time-delayed control of the elements with delay times corresponding to the respective time delay regime.
  • synthetic focusing with all transmitting elements 31, 32, 33 transmitting one after the other, the individual reflected signals are registered by the central receiving element 15 and the individual signals for the individual transmitting elements 31, 32, 33 are superimposed in phase according to the respective time delay regime. The process is repeated for different distances of the plate 16 from the transmitting elements 31, 32, 33.
  • the two sound pressure amplitude curves in FIG. 9 result for a wall distance a w of 10 mm and 13 mm, the wall distance a w being equal to the layer thickness d w of the calibration medium W when the layer of the calibration medium W is immediately adjacent to the ultrasound transducer 3 ,
  • the comparison of Figures 9a and 9b shows the dependence of the curve on the geometry of the transmitting / receiving elements - 31 (inner element), 32 (middle element), 33 (outer element) - the ultrasonic transducer 3.
  • the in Fig. 9a and 9b recorded calibration curves show before and behind the reflecting wall 16, a local minimum.
  • d w distance of wall 16 from ultrasonic transducer 3 for calibration medium water W.
  • the distance aw at the same time represents the layer thickness d w of the calibration medium W.
  • a layer 42 of another medium with the layer thickness d Me d42 to be determined and the sound velocity c Med42 to be determined are focused stepwise and a sound pressure amplitude curve is recorded as a function of the electronic focus, a similar sound pressure amplitude curve results as in water. Again, local maxima and minima occur. If the focus is read at the local maximum and with the calibration curves for water In comparison, the calibration curve for water can be selected at which a local maximum occurs in water at the same focusing and same time delay regime.
  • the layer 42 to be examined is assigned an equivalent water layer thickness dw. This is related to the determined layer thickness d Med ⁇ of the layer 42 via the equation (X):
  • d stands for the distance or the layer thickness
  • c for the speed of sound and the index W for the calibration medium are water and Med for the medium to be examined in the layer 42.
  • tMed is the measured single sonic transit time in the layer 42 to be examined.
  • Equations (X) and (Xl) can be used to determine the layer thickness d Med42 and the speed of sound CMed42 of the layer 42.
  • Equations (X) and (Xl) are converted into equations (XII) and (XIII) for a two-layer system 41, 42
  • VL stands for the layer thickness of the flow.
  • equation (XIII) is used in equation (XII)
  • equation (XIV) results for calculating the speed of sound c Med of the medium 4 in the respective layer 41 and 42 to be examined
  • the sound pressure on the central receiving element 15 as a function of the electronic focusing is shown in Fig. 10a.
  • the method with the central receiving element 15 is used for the combined determination of sound velocities and layer thicknesses from the measurement of distances in a layer, even in multilayer liquid mixtures.
  • interfaces must be present, scattering particles can be dispensed with.
  • the echo signals of the interfaces are used with which an exact size and position determination of interfaces is possible after evaluation, resulting in a significant improvement of the imaging process. It can e.g. be used to determine layer thicknesses in and of unknown materials and at the same time provides the associated material parameters. In addition, the material parameters and the structure of unknown layer systems can be determined non-destructively.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur kombinierten Bestimmung von Schallgeschwindigkeiten und Abständen in Medien (4, 41, 42, W) mittels Ultraschall. Die Lösung besteht darin, dass ein Sendesignalgenerator (1) allein in Form von elektronischer Fokussierung oder in Zusammenarbeit mit einer Aufnahmeeinheit (7) in Form von synthetischer Fokussierung den erzeugten Ultraschallfokus schrittweise entlang der Achse (12) eines Ultraschallwandlers (3) auf einzelne Fokuspunkte (Fi) im Abstand vom Ultraschallwandler (3) fokussiert, dass eine Kalibriereinheit (9) vorgesehen ist, die beim Erstellen der Kalibrierdaten entweder durch Simulationsrechnung oder durch Messung mit Hilfe der Aufnahmeeinheit (7) die für einen in einem Kalibriermedium (W) befindlichen Punktreflektor (5) oder Grenzflächen (G1, G2, G3) den Zusammenhang zwischen dem verwendeten Fokussierungsregime (Vmax(aWj)), bei dem die Amplitude des reflektierten Ultraschalls maximal wird, und dem jeweils gewählten Abstand (aWj) des Punktreflektors (5) vom Ultraschallwandler (3) im Kalibriermedium (W) liefert und als Tabelle (T) zusammenstellt, dass eine Aufnahmeeinheit (7) die Schalllaufzeit vom Ultraschallwandler (3) zum Punktreflektor (5) in dem Medium (4) im Abstand (aW j) misst und durch schrittweise Fokussierung für jedes Fokussierungsregime (Vi) die Amplitude des reflektierten Schalls bestimmt, und dass die Auswerteeinheit (8) für einen im Medium (4) befindlichen Punktreflektor (5) oder vorhandenen Grenzflächen (G1, G2, G3) von der Aufnahmeeinheit (7) das Fokussierungsregime (Vmax(aM j)) erhält, bei dem die Amplitude des reflektierten Ultraschalls maximal wird, und aus der von der Kalibriereinheit bereitgestellten Tabelle (T) den Abstand des Punktreflektors (5) bezüglich des Kalibriermediums (W) ermittelt, aus der von der Aufnahmeeinheit (7) im Medium (4) gemessenen Schalllaufzeit (tj) und dem ermittelten Reflektorabstand (aWj) bezüglich des Kalibriermediums (W) die mittlere Schallgeschwindigkeit im Medium (4) bis zum Punktreflektor (5) und den Abstand (aM j) des Punktreflektors (5) vom Ultraschallwandler (3) ermittelt und durch Bestimmung dieser Parameter für Punktreflektoren (5) an unterschiedlichen Orten die ortsveränderliche Schallgeschwindigkeit (cMed) bestimmt, oder auch bei nicht vorhandenen Punktreflektoren (5), aber vorhandenen Grenzflächen (G1, G2, G3) im Medium (4) mit Hilfe eines zusätzlichen Zentralempfangselements (15) die Schallgeschwindigkeiten (cMed) und die Schichtdicken (dMed) bestimmt.

Description

Anordnung und Verfahren zur kombinierten Bestimmung von Schallgeschwindigkeiten und Abständen in Medien mittels Ultraschall
Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur kombinierten Bestimmung von Schallgeschwindigkeiten und Abständen in Medien mittels Ultraschall, wobei die Anordnung zumindest aus folgenden Baugruppen besteht:
- einem Sendesignalgenerator, der auf m > 1 Kanälen elektrische Sendesignale erzeugt,
- wahlweise einer Sende-Empfangs-Weiche zur Umschaltung zwischen elektrischen Sendesignalen und elektrischen Empfangssignalen,
- einem Ultraschallwandler mit n ≥ 1 Elementen, der die elektrischen Sendesignale vom Sendesignalgenerator erhält, wobei die angesteuerten Elemente des Ultra- schallwandlers eine Ultraschallwelle in das zu untersuchende Medium mit konstanter oder ortsveränderlicher Schallgeschwindigkeit senden und wobei die reflektierte Ultraschallwelle mit mindestens einem Element des Ultraschallwandlers empfangen und in elektrische Empfangssignale gewandelt wird, und
- einer Verstärkungseinheit, die die elektrischen Empfangssignale von mindestens einem einzelnen Element des Ultraschallwandlers erhält und verstärkt, und
- einer Aufnahmeeinheit, in der eine Analog-Digital-Wandlung der Empfangssignale in digitale Signale erfolgt und
- einer Auswerteeinheit, die die aus der Aufnahmeeinheit weitergeleiteten digitalen Signale zur Auswertung erhält. Es sind eine Anordnung und ein Verfahren zur Bestimmung der Kombination von Krümmungsradien und Abständen an akustischen Grenzflächen in Messobjekten mittels Ultraschall in der Druckschrift DE 10 2008 010 582 B3 beschrieben. Darin sind die vorgenannten Baugruppen enthalten. Es werden nicht in Kombination Schallgeschwindigkeiten und Abstände bestimmt, da sich die Auswertung der reflektierten Ultraschallwellen auf die Bestimmung von Abständen an akustischen Grenzflächen und daraus auf die Bestimmung von Krümmungsradien der Grenzflächen bezieht.
Ein Problem besteht darin, dass mit den darin vorgenannten Baugruppen und dem angegebenen Verfahren nicht in Kombination Schallgeschwindigkeiten und Abstände von Messobjekten bestimmt werden können.
Ein Verzögerungssystem zur Kopplung zwischen einer Vielzahl von Elementen und einer Eingangs-/Ausgangs-Anordnung ist in der Druckschrift US 4,257,271 beschrieben, wobei die relativen Verzögerungen zwischen der Eingangs-/Ausgangs- Anordnung und den einzelnen Elementen mittels einer Prozesssteuerung auswählbar sind. Ein einzelner Verzögerungsstrang wird eingesetzt, um drei unterschiedlich wirksame Verzögerungsregime, z.B. drei verschiedene Fokuspunkte in einem Ultra- schall-Abbildungssystem erhalten, benutzen zu können. Das Verzögerungssystem enthält
- einen Verzögerungsstrang mit vielen definierten Verzögerungsstufen in einer in Reihe verbundenen Strang,
- Mittel zum Verbinden der Verzögerungsstufen in Bezug auf eines der Elemente, - Schaltelemente zum Verbinden zur Prozesssteuerung entweder eines Endes des
Verzögerungsstrangs oder des anderen Ende des Verzögerungsstrangs oder der allgemeinen Verbindung des Verzögerungsstrangs zur Eingangs-/Ausgangs- Anordnung. Das Problem besteht darin, dass mit dem Verzögerungssystem in Ultraschall- Abbildungssystemen keine kombinierte Bestimmung von Schallgeschwindigkeiten und Abständen realisierbar sind.
Eine Ultraschall-Übertragungsanordnung für Körperorgane-Abbildungen mit einem scheibenartigen Übertrager-Element, umgeben von ringförmigen Übertrager-Elementen mit unterschiedlichem Durchmesser, ist in der Druckschrift US 4,241,611 beschrieben, um dabei eine dynamische Fokussierung und eine minimale Phasenverzögerung zu erreichen. Die Elemente sind derart geschaltet, dass die Ausgangssig- nale für verschiedene Abstände einen derart kleinen dynamischen Bereich aufweisen, dass der dynamische Bereich der angeschlossenen Verstärker wesentlich eingeschränkt wird.
Ein Problem besteht darin, dass mit dieser Anordnung Ultraschallwellen in den Kör- per gesendet werden zur Abbildung von körperlichem Gewebe. Eine Bestimmung der Schallgeschwindigkeit und einer Abstandsmessung im Medium in einer Kombination sind nicht vorgesehen.
Andererseits werden Messungen in Festkörpern mittels Ultraschall durchgeführt, um Fehler in Materialien zu detektieren, Schichtdicken zu messen oder Strukturen in technischen Bereichen oder in der Medizin, wie Gewebestrukturen und Organgrenzen sichtbar zu machen. Dabei ist die Kenntnis der Schallgeschwindigkeit eine notwendige Voraussetzung, um Größen und Entfernungen zu messen. Andererseits ist die Schallgeschwindigkeit oder das Schallgeschwindigkeitsprofil von besonderem Interesse, weil sich auch daraus zusätzlich wichtige Parameter für den festen oder flüssigen Stoff oder ein Stoffgemisch ableiten lassen. So ist beispielsweise bei vielen flüssigen Lösungen oder Mischungen die Schallgeschwindigkeit stark von der Konzentration abhängig und kann daher vorteilhaft zur Konzentrationsmessung eingesetzt werden. Die Schallgeschwindigkeit ist aber auch Materialparameter und kann zur Festkörpercharakterisierung verwendet werden. Wird die Schallgeschwindigkeit mittels des Ultraschall-Echo-Prinzips gemessen, um daraus Material- parameter oder Konzentrationen zu ermitteln, so wird üblicherweise ein Vergleichsreflektor an einer vorgegebenen Position zur Bestimmung des Schallweges genutzt.
Herkömmliche technische Messverfahren benötigen zur Schallgeschwindigkeitsmes- sung die Kenntnis der Länge des Schallausbreitungsweges. Dazu ist entweder ein externer Referenzreflektor oder ein Empfangswandler an einer vorgegebenen Position zu platzieren. In der Praxis ist dies jedoch nicht immer möglich, insbesondere, wenn Platzmangel für den Messaufbau besteht, chemisch aggressive Flüssigkeiten vorliegen oder die Zerstörung des Messobjekts beim Festkörper droht. Eine Bestimmung von Schallgeschwindigkeitsprofilen einschließlich auch bei unbekannten Abständen und Schichtdicken ist derzeit praktisch nicht oder nur mit sehr großem Aufwand möglich. Mechanisch ist die ortsaufgelöste Bestimmung der Schallgeschwindigkeit nur bei an allen Stellen zugänglichen Medien und mit optischen Verfahren nur bei durchsichtigen Medien möglich.
Tomographische Verfahren zur ortsaufgelösten Bestimmung der Schallgeschwindigkeit sind in der Druckschrift M. Barth et al.: Akustische Tomographie zur zeitgleichen Erfassung von Temperatur- und Strömungsfeldern, 14. GALA-Fachtagung: Lasermethoden in der Strömungsmesstechnik, 05.-07. September 2006, Physikalisch- Technische Bundesanstalt Braunschweig beschrieben, wobei die Messung der Schallgeschwindigkeit als Schall-Laufzeitmessungen zwischen vielen Paaren aus Sender und Empfänger in Luft durchgeführt werden. Das Verfahren kann prinzipiell auch in Flüssigkeiten und allseitig zugänglichen Festkörpern eingesetzt werden. In Flüssigkeiten wird der Einfluss der Strömung dadurch kompensiert, dass die Schallgeschwindigkeit in beide Richtungen gemessen wird.
Ein Verfahren zur Bestimmung der Schichtdicke und der Schallgeschwindigkeit in einem Rohr mithilfe von Ultraschallimpulsen ist in der Druckschrift US 2002134159
A1 beschrieben, bei dem die Daten zur Berechnung der Schallgeschwindigkeit und der Schichtdicke aus einer Serie von gesendeten und reflektierten Ultraschallwellen ermittelt werden, wobei wenigstens eine der Messungen ohne Vorhandensein des Messobjektes auf dem Übertragungsweg übermittelt wird.
Eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kalibrierung und Ultraschallvermessung von zylindrischen Prüfmustern ist in der Druckschrift DE 50 305 421 T beschrieben, wobei mehrere Parameter des Prüfmusters gleichzeitig bestimmt werden. Es erfolgt die Bestimmung mehrerer Laufzeiten für mehrere Abstände in der Kalibrierungseinheit und der aktuellen Schallgeschwindigkeit des Wassers mittels einer optischen oder mechanischen Abstandbestimmung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung und ein Verfahren zur kombinierten Bestimmung von Schallgeschwindigkeiten und Abständen in Medien mittels Ultraschall anzugeben, die derart geeignet ausgebildet sind, dass der Aufwand zur Ermittlung von Schallgeschwindigkeiten und Abständen in fluiden und fes- ten Medien mittels Ultraschall wesentlich verringert und die Genauigkeit der bestimmten Schallgeschwindigkeiten und Abstände erhöht werden.
Die Aufgabe wird von den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 22 sowie 15 und 30 gelöst. Die Anordnung zur kombinierten Bestimmung von Schallgeschwindigkeiten und Abständen in Medien mittels Ultraschall besteht zumindest aus
- einem Sendesignalgenerator, der auf m > 1 Kanälen elektrische Sendesignale erzeugt,
- wahlweise einer Sende-Empfangs-Weiche zur Umschaltung zwischen elektri- sehen Sendesignalen und elektrischen Empfangssignalen,
- einem Ultraschallwandler mit n ≥ 1 Elementen, der die elektrischen Sendesignale vom Sendesignalgenerator erhält, wobei die angesteuerten Elemente des Ultraschallwandlers eine Ultraschallwelle in das zu untersuchende Medium mit fester oder ortsveränderlicher Schallgeschwindigkeit senden und wobei die reflektierte Ultraschallwelle mit mindestens einem Element des Ultraschallwandlers empfangen und in elektrische Empfangssignale gewandelt wird, und - einer Verstärkungseinheit, die die elektrischen Empfangssignale von mindestens einem einzelnen Element des Ultraschallwandlers erhält und verstärkt, und
- einer Aufnahmeeinheit, in der eine Analog-Digital-Wandlung der Empfangssignale in digitale Signale erfolgt, und - einer Auswerteeinheit, die die aus der Aufnahmeeinheit weitergeleiteten digitalen
Signale zur Auswertung erhält, wobei gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 1 der Sendesignalgenerator allein in Form von elektronischer Fokussierung oder in Zusammenarbeit mit der Aufnahmeeinheit in Form von synthetischer Fokussierung den erzeugten Ultraschallfokus schrittweise entlang der Achse des Ultraschallwandlers auf einzelne Fokuspunkte Fj im Abstand vom Ultraschallwandler fokussiert, wobei eine Kalibriereinheit vorgesehen ist, die beim Erstellen der Kalibrierdaten entweder durch Simulationsrechnung oder durch Messung mit Hilfe der Aufnahmeeinheit für einen in einem Kalibriermedium W befindlichen Punktreflektor den Zusam- menhang zwischen dem verwendeten Fokussierungsregime Vmax(awj), bei dem die Amplitude des reflektierten Ultraschalls maximal wird, und dem jeweils gewählten Abstand awj des Punktreflektors vom Ultraschallwandler in einem Kalibriermedium liefert und als Tabelle T zusammenstellt, wobei die Aufnahmeeinheit die Schalllaufzeit vom Ultraschallwandler zum Punktre- flektor in dem Medium im Abstand aMj misst und durch schrittweise Fokussierung dasjenige Fokussierungsregime Vmax(aMj), bestimmt, bei dem die Amplitude des reflektierten Schalls für diesen Punktreflektor maximal wird, und wobei die Auswerteeinheit für einen im Medium befindlichen Punktreflektor das Fokussierungsregime Vmax(aMj), bei dem die Amplitude des reflektierten Ultraschalls maximal wird, von der Aufnahmeeinheit erhält, und mit der von der Kalibriereinheit bereitgestellten Tabelle T den Abstand des Punktreflektors bezüglich des Kalibriermediums ermittelt, aus der von der Aufnahmeeinheit im Medium gemessenen Schalllaufzeit und dem ermittelten Reflektorabstand bezüglich des Kalibriermediums die mittlere Schallgeschwindigkeit im Medium bis zum Punktreflektor und den Abstand des Punktreflektors vom Ultraschallwandler ermittelt und durch Bestimmung dieser Parameter für Punktreflektoren an unterschiedlichen Orten die ortsveränderliche Schallgeschwindigkeit bestimmt.
Als Punktreflektoren können Inhomogenitäten im Medium und im Kalibrierungsmedi- um definiert sein, wobei eine Inhomogenität eine Ausdehnung im Bereich einer Ultraschallwellenlänge λ oder geringer darstellt, oder auch eingelagerte, eingebundene statistisch verteilte Streuteilchen/Partikel gleicher Ausdehnung sein, an denen jeweils der Ultraschall gestreut wird.
Das Medium kann aus einer oder mehreren Schichten bestehen, wobei das geschichtete Medium Punktreflektoren enthält, wobei die Bestimmung der Schallgeschwindigkeit vor dem jeweiligen Punktreflektor mit der Kalibriereinheit, der Aufnahmeeinheit und der Auswerteeinheit erfolgt, und eine Wiederholung des Vorgangs für weiter entfernt liegende Punktreflektoren und damit Feststellung der mittleren Schall- geschwindigkeit zwischen Ultraschallwandler und Punktreflektorort für jeden Punktreflektorort erfolgt, wobei sich bei genügend dichter Verteilung von Punktreflektoren in den Schichten sich so ein Schallgeschwindigkeitsprofil ermitteln lässt und sich damit die Schallgeschwindigkeit in den einzelnen Schichten erstellen lässt, wobei sich aus den ermittelten Schallgeschwindigkeiten in den einzelnen Schichten und den Schalllaufzeiten zwischen den einzelnen Grenzflächen der jeweiligen Schicht eine Schichtdicke berechnen lässt.
Der Empfang des Ultraschalls kann auf dem inneren Element des Ultraschallwandlers allein, auf einem der übrigen anderen Elemente oder auf einer Kombination meh- rerer Elemente mittels elektronischer Fokussierung oder mittels synthetischer Fokus- sierung in Form einer zeitverzögerten Überlagerung der auf den einzelnen Elementen sich ergebenden Echosignale erfolgen.
Das Medium kann ein Flüssigkeitsgemisch sein, das mit unterscheidbaren Punktre- flektoren versehen ist, wobei Schallgeschwindigkeitsunterschiede auftreten können, wobei eine Bestimmung des Abstandes vom Ultraschallwandler und der mittleren Schallgeschwindigkeit vor dem sich am dichtesten vor dem Ultraschallwandler befindlichen Punktreflektor mit der Kalibriereinheit, der Aufnahmeeinheit und der Auswerteeinheit erfolgt, und eine Wiederholung des Vorgangs für weiter entfernt liegende Punktreflektoren und damit Feststellung der mittleren Schallgeschwindigkeit zwi- sehen Ultraschallwandler und Punktreflektorort für jeden Punktreflektorort erfolgt, wobei sich bei genügend dichter Verteilung von Punktreflektoren in dem Flüssigkeitsgemisch sich so ein Schallgeschwindigkeitsprofil erstellen lässt.
Das Medium kann ein Flüssigkeitsgemisch mit statistisch verteilten Streuteilchen, die einlagern, anlagern oder strömen oder diffundieren, sein, wobei Dichteschwankungen und Schallgeschwindigkeitsunterschiede auftreten können, wobei eine Bestimmung des Abstandes vom Ultraschallwandler und der mittleren Schallgeschwindigkeit zwischen dem Ultraschallwandler und dem Fokuspunkt, d. h. dem Bereich des maximalen Schalldrucks im Medium, mit der Kalibriereinheit, der Aufnahmeeinheit und der Auswerteeinheit erfolgt, und eine Wiederholung des Vorgangs für weiter entfernt liegende Fokuspunkte und damit Feststellung der mittleren Schallgeschwindigkeit zwischen Ultraschallwandler und Fokuspunkt erfolgt, wobei sich so ein Schallgeschwindigkeitsprofil mit Stützstellen an den Fokuspunkten erstellen lässt.
Dabei senden die angesteuerten Elemente des Ultraschallwandlers Ultraschallwellen in ein Medium mit ortsveränderlicher oder konstanter Ultraschallgeschwindigkeit. Die Grenzflächen und die Punktreflektoren des Mediums reflektieren Ultraschallwellen, die vom Ultraschallwandler empfangen werden. Schließlich werden die empfangenen Ultraschallsignale in elektrische Signale umgewandelt und nach Verstärkung der Aufnahme- und Auswerteeinheit zugeführt.
Die Zeitverzögerungsregime sind n-Tupel Δti, Δt2) ..., Δtn aus Zeiten, um die die einzelnen Elemente des Ultraschallwandlers im Vergleich zum inneren Element verzögert angesteuert oder überlagert werden. Es liegt somit ein Messprinzip vor, dass zur gleichzeitigen Bestimmung des Abstandes zwischen mindestens einem Punktreflektor bzw. Fokuspunkt im zu untersuchenden Medium und dem Ultraschallwandler und der mittleren Schallgeschwindigkeit vor dem Punktreflektor bzw. Fokuspunkt mittels Ultraschalls dient durch die Erfassung folgender unabhängiger Größen:
- der Laufzeit des Ultraschalls und
- der durch das Fokussierungsregime vorgegebenen Fokuspunktlage.
Durch Ausnutzung der genauen Kenntnis der Laufzeit und des Ultraschallfeldes kön- nen so Informationen über das Medium gewonnen werden, die bislang nur durch Einbringen von Referenzkörpern an einer vorgegebenen Position ermittelt werden können.
In dem Verfahren zur kombinierten Bestimmung von Schallgeschwindigkeiten und Abständen in Medien mittels Ultraschall unter Einsatz der vordem beschriebenen Anordnung werden gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 22 folgende Schritte absolviert:
A. Schrittweise Fokussierung: Der Sendesignalgenerator fokussiert alleine durch elektronische Fokussierung oder in Zusammenarbeit mit der Aufnahmeeinheit und der Auswerteeinheit durch synthetische Fokussierung den Ultraschall schrittweise entlang der Achse des Ultraschallwandlers auf einzelne Fokuspunkte.
B. Kalibrierung: Beim Erstellen der Kalibrierdaten wird entweder durch Simulationsrechnung oder durch Messung mit Hilfe der Aufnahmeeinheit die für einen in einem Kalibriermedium W befindlichen Punktreflektor der Zusammenhang zwischen dem verwendeten Fokussierungsregime, bei dem die Amplitude des reflektierten Ultraschalls maximal wird, und dem jeweils gewählten Abstand des Punktreflektors vom Ultraschallwand- ler im Kalibriermedium geliefert und als Tabelle zusammenstellt.
C. Aufnahme: Eine Aufnahmeeinheit erfasst die Schalllaufzeit vom Ultraschallwandler aus zu einem Punktreflektor oder einem Fokuspunkt (bei „Flüssigkeitsgemisch mit statistisch verteilten Streuteilchen, die einlagern, strömen oder diffundieren") in einem Medium, wobei durch die schrittweise Fokussierung dasjenige Fokussierungsregime bestimmt wird, bei dem die Amplitude des reflektierten Ultraschalls für diesen Punktreflektor oder Fokuspunkt maximal wird. D. Auswertung:
In einer Auswerteeinheit erfolgt für einen im zu untersuchenden Medium befindlichen Punktreflektor aus dem ermittelten Fokussierungsregime Vmax(aMj), und aus dem von der Kalibriereinheit bereitgestellten tabellarischem Zusammenhang T zwischen dem Fokussierungsregime und dem Abstand des Punktreflektors bzw. Fokuspunktes vom Ultraschallwandler in einem Kalibriermedium die Ermittlung des Abstandes des Punktreflektors oder des Fokuspunktes bezüglich des Kalibriermediums sowie aus der ermittelten Schalllaufzeit und aus dem ermittelten Punktreflektorabstand oder dem Fokuspunktabstand bezüglich des Kalibriermediums die Berechnung der mittleren Schallgeschwindigkeit im zu untersuchenden Medium bis zum jeweiligen Punktreflektorort oder Fokuspunkt sowie des Abstandes des Punktreflektorortes oder des Fokuspunktes vom Ultraschallwandler im zu untersuchenden Medium. Anschließend kann durch die Bestimmung dieser Parameter für mehrere oder alle Punktreflektoren oder Fokuspunkte an unterschiedlichen Orten die ortsveränderliche Schallgeschwindigkeit in Form eines Schallgeschwindigkeitsprofils durchgeführt werden.
Damit bestehen folgende Vorteile darin, - dass die gleichzeitige Bestimmung des Abstandes der Punktreflektoren im zu untersuchenden Medium und der mittleren Schallgeschwindigkeit zwischen Ultraschallwandler und Punktreflektoren ermöglicht wird,
- dass die nichtinvasive referenzlose Bestimmung der Schallgeschwindigkeit in Flüssigkeiten und Festkörpern, die Punktreflektoren oder Streuteilchen enthalten, mittels Ultraschall zur Erstellung eines Schallgeschwindigkeitsprofils zur Darstellung der ortsveränderlichen Schallgeschwindigkeit durchgeführt werden kann, - dass eine bessere Ortsbestimmung durch die Kenntnis der gleichzeitig gemessenen Schallgeschwindigkeit erreicht werden kann sowie
- dass eine gemeinsame Bestimmung von Schallgeschwindigkeiten und von Abständen in einer Anordnung in der Medizin zur Diagnostik und Therapieüberwa- chung, z.B. zur Gewebedifferenzierung und Temperaturmessung, z.B. bei einer
Hyperthermiebehandlung durchgeführt werden.
Folgende Medien können ausgemessen werden:
- Flüssigkeiten oder Flüssigkeitsgemische mit Streuteilchen, die statistisch verteilt sind, strömen oder diffundieren,
- Flüssigkeitsgemische mit unterscheidbaren Punktreflektoren: Schallgeschwindigkeit vor dem Punktreflektor, Punktreflektorabstand, mittlere Schallgeschwindigkeit, Schallgeschwindigkeitsprofil,
- geschichtete Medien mit Punktreflektoren: aus der Bestimmung der Schallge- schwindigkeit vor dem Punktreflektor und gleichzeitiger Bestimmung des Abstandes zwischen dem Ultraschallwandler und dem Punktreflektor erfolgt die Bestimmung der Schallgeschwindigkeit und die Bestimmung der Abstände der Punktreflektoren.
Dazu können folgende Anwendungsgebiete bei vorhandenen Punktreflektoren in den Medien angegeben werden:
- Prozessmesstechnik und Materialwissenschaften,
- Konzentrationsbestimmung in Mischungen mit zwei oder mehr Komponenten, beispielsweise der Sättigungsgrad in Zuckerlösungen, - Bestimmung des Verschmutzungsgrades in Flüssigkeiten - Motoröl, Rohöl,
Abwasser - ,
- Bestimmung von Materialparametern - Ölsorten -,
- Ausmessen eines Schallgeschwindigkeitsprofils in strömenden Flüssigkeiten und Festkörpern, die Punktreflektoren enthalten, z.B. Bestimmung von Tem- peratur- und Dichtegradienten, - Bestimmung der Schallgeschwindigkeit als Funktion des Abstandes vom Ultraschallwandler ohne Eingriff in das Messmedium,
- Eigenkalibrierung von Puls-Echo-Geräten bezüglich der Schallgeschwindigkeit z.B. bei Puls-Doppler-Messgeräten.
In einer erfindungsgemäßen zur ersten Anordnung modifizierten zweiten Anordnung zur kombinierten Bestimmung von Schallgeschwindigkeiten und Abständen in Medien mittels Ultraschall kann gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 15 - sich im zentralen Bereich des Ultraschallwandlers im dort vorhandenen inneren Element ein die reflektierten Ultraschallwellen empfangendes Zentralempfangselement befinden, das die in ihm erzeugten elektrischen Empfangssignale an die Verstärkungseinheit weiterleitet,
- der Sendesignalgenerator allein durch eine elektronische Fokussierung oder in Verbindung mit der Aufnahmeeinheit durch eine synthetische Fokussierung den entstehenden Ultraschallfokus schrittweise entlang der Achse des Ultraschallwandlers auf einzelne Fokuspunkte Fj fokussieren,
- eine Kalibriereinheit vorhanden sein, die entweder durch Simulationsrechnung oder durch Messung mit Hilfe der Aufnahmeeinheit den reflektierten Schall auf dem Zentralempfangselement für den bei den folgenden Messungen eingesetzten Ultraschallwandler mit der entsprechenden Elementeanordnung für ein Kalibriermedium W mit der Kalibrierwand als Reflektor im Abstand am für die unterschiedlichen Fokuspunkte FJW bestimmt, als Funktion der elektronischen Fokussierung darstellt, die elektronische Fokuseinstellung für das Maximum Fok ermittelt und durch Variation des Abstandes a2w. a3w, eUw, ■•■ der Grenzfläche und Wiederholung des Vorgangs Kalibrierkurven für die verschiedenen Schichtdicken des Kalibriermediums vor der Kalibrierwand liefert, und
- die Aufnahmeeinheit die Schalllaufzeit zwischen vorderer Grenzfläche und hinterer Grenzfläche der zu untersuchenden Schicht messen und bei Verschiebung des Fokuspunktes Fj entlang der Achse für den jeweiligen Fokuspunkt das reflektierte Signal auf dem Zentralempfangselement registrieren, woraus die Schalldruckamplitude für das Zentralempfangselement für jeden Fokuspunkt ermittelt und die so ermittelten Schalldruckamplituden als Funktion der Fokussierung in Form von Schalldruckamplituden-Kurven dargestellt werden, und wobei die Auswerteeinheit aus der durch Messung ermittelten Schalldruckamplituden- Kurve die lokalen Maxima und Minima feststellt, daraus unter Zuhilfenahme der Kalibrierungskurven den äquivalenten Abstand der reflektierenden Grenzfläche bezüglich des Kalibriermediums W ermittelt, aus der von der Aufnahmeeinheit gemessenen Schalllaufzeit bezogen auf die hintere Grenzfläche der zu untersu- chenden Schicht des Mediums und der ermittelten äquivalenten Schichtdicke dw bezüglich des Kalibriermediums W die Schallgeschwindigkeit cMed in der zu untersuchenden Schicht des Mediums und deren Schichtdicke dMeCι ermittelt.
Im Ultraschallwandler ist das Zentralempfangselement zur Detektion des reflektierten Ultraschalls vorgesehen, wobei die Abmessungen - Durchmesser, Seitenlänge - des Zentralempfangselementes im Größenordnungsbereich einer Ultraschallwellenlänge λ in Bezug auf das Medium liegen.
Mit dem Einfügen des Zentralempfangselements kann auf eine Sende-Empfangs- Weiche verzichtet werden. Vom Zentralempfangselement kann direkt an die Verstärkungseinheit eine Signalleitung geführt sein.
Für einen Einzelelemente-Ultraschallwandler mit dem Zentralempfangselement oder für einen ebenen oder vorfokussierten Mehrelemente-Ultraschallwandler (engl. Ar- ray) mit dem Zentralempfangselement kann die Veränderung der Fokuspunkte allein oder zusätzlich durch mechanische Verschiebung des Ultraschallwandlers in Achsenrichtung erfolgen, wobei der Ultraschallwandler mit einer Verschiebeeinrichtung in Verbindung steht, die den Ultraschallwandler längs der Achse verschiebt, um den Fokuspunkt zu verschieben. Die Kalibrierungseinheit kann entweder durch Simulationsrechnungen für den eingesetzten Ultraschallwandler oder durch Messungen mit Hilfe der Aufnahmeeinheit das reflektierte Signal auf dem Zentralempfangselement für das Kalibriermedium W mit einer festen Kalibrierwand als Reflektor im Abstand aiw für unterschiedliche Fokus- punkte F-iw, F2W , F3W .... die durch elektronische Fokussierung oder durch synthetische Fokussierung bei Verwendung von Zeitverzögerungsregimen \Λ, V2, V3 ... realisiert werden, den reflektierten Ultraschall auf dem Zentralempfangselement bestimmen, als Funktion der elektronischen Fokussierung darstellen, die Fokuseinstellung für das lokale Maximum ermitteln und durch Variation des Abstandes a-tw, a2w, a3w ■■• der Kalibrierwand und Wiederholung des Vorganges Kalibrierkurven für die verschiedenen Schichtdicken des Kalibriermediums W vor der Kalibrierwand liefern. Der Abstand aw der Kalibrierwand vom Ultraschallwandler aus entspricht beim Kalibriermedium gleich der Schichtdicke dw des Kalibriermediums, wenn ein unmittelbarer Kontakt zwischen dem Kalibriermedium und dem Element/den Elementen des Ultraschallwandlers besteht.
Der Ultraschallwandler kann in Form einer Ringelementeanordnung ausgebildet sein, bei der mindestens ein ringförmiges Element wahlweise zusätzlich in Sektoren unterteilt ist, um eine Schräglage des Ultraschallwandlers in Bezug auf die Grenzfläche zu erkennen, um damit zu justieren.
Mit dem das Zentralempfangselement aufweisenden Ultraschallwandler kann somit ein Messprinzip zur gleichzeitigen Bestimmung von Schallgeschwindigkeit cMed und Schichtdicke dMβd in mindestens einem Medium mittels Ultraschall durch die Erfas- sung von zwei unabhängigen Messgrößen:
- der Laufzeit des Ultraschalls im Medium und
- der materialbedingten Verschiebung der Fokuspunkte F1, gemessen durch schrittweise Fokussierung und Bestimmung der Echosignal-Kurve als Funktion der Fokussierung, realisiert werden. Durch Ausnutzung der genauen Kenntnis von Schalllaufzeit und Schallfeld können so zusätzliche Informationen über das jeweilige Medium einer Schicht oder mehrerer Schichten gewonnen werden, die herkömmlich nur durch Einbringen von Referenzkörpern an einer vorgegebenen Position gemäß dem Stand der Technik ermittelt werden konnten.
Folgende erfindungsgemäße Verfahrensschritte werden im Einzelnen unter Einsatz der vorgenannten zweiten Anordnung, insbesondere mit dem Zentralempfangselement als Teil des sich im zentralen Bereich des Ultraschallwandlers befindenden in- neren Elements gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 30 absolviert:
A. Schrittweise Fokussierung:
Der Sendesignalgenerator fokussiert allein durch eine elektronische Fokussierung oder in Verbindung mit der Aufnahmeeinheit durch eine synthetische Fokussierung den entstehenden Ultraschallfokus schrittweise entlang der Achse des Ultraschallwandlers auf einzelne Fokuspunkte Fi, die sich wahlweise vor, auf und hinter der hinteren Grenzfläche der zu untersuchenden Schicht befinden.
B. Kalibrierung:
Vor der Auswertung kann entweder durch Simulationsrechnung oder durch Messung des von einer Kalibrierwand reflektierten Schalls, der von den für die folgenden Messungen eingesetzten Schallköpfe erzeugt wird, auf dem Zentralempfangselement für unterschiedliche Fokuspunkte F1 bestimmt werden, als Funktion der elektronischen Fokussierung dargestellt und die elektronische Fokuseinstellung für das Maximum ermittelt werden, wobei durch Variation des Kalibrierwandabstandes und durch Wie- derholung des Vorgangs Kalibrierkurven für die verschiedenen Mediumschichtdicken vor der Kalibrierwand erstellt werden können.
C. Aufnahme:
Eine Aufnahmeeinheit misst die Schalllaufzeit zwischen vorderer Grenzfläche und hinterer Grenzfläche der zu untersuchenden Schicht mit unbekannter Schichtdicke und mit unbekannter Schallgeschwindigkeit. Durch die schrittweise Verschiebung des elektronischen Fokuspunkts entlang der Achse des Ultraschallwandlers wird für den jeweiligen Fokuspunkt das reflektierte Signal auf dem Zentralempfangselement registriert. Daraus wird die Schalldruckamplitude für das Zentralempfangselement für jeden Fokuspunkt ermittelt und die so ermittelte Schalldruckamplituden-Kurve für das Zentralempfangselement als Funktion der Fokussierung dargestellt. D. Auswertung:
Eine Auswerteeinheit stellt bei der ermittelten Schalldruckamplituden-Kurve die lokalen Maxima und Minima fest und ermittelt daraus die elektronische Fokuseinstellung für das Maximum. Aus der ermittelten Fokussierung wird unter Zuhilfenahme der Ka- librierungskurveri der äquivalente Abstand aw der reflektierenden Grenzfläche be- züglich des zu untersuchenden Mediums ermittelt, wobei aus der gemessenen Schalllaufzeit t zwischen vorderer Grenzfläche und hinterer Grenzfläche der zu untersuchenden Schicht und der ermittelten äquivalenten Schichtdicke dw bezüglich des Kalibriermediums W die Schallgeschwindigkeit CM«! in der zu untersuchenden Schicht und deren Schichtdicke dMed bestimmt werden.
Die genannte Kalibrierwand kann eine feste Wand sein.
Die Vorteile bestehen darin,
- dass eine gleichzeitige referenzlose Bestimmung von Schichtdicke dMed und der mittleren Schallgeschwindigkeit cMed in einer zu untersuchenden Schicht bei geschichteten fluiden oder soliden Medien ermöglicht wird,
- dass die Bildgebung durch die Kenntnis der tatsächlich auftretenden Schallgeschwindigkeit verbessert wird, wodurch eine bessere Topographie, genauere Ortsbestimmung der Lage von Einschlüssen und eine genauere Schichtdicken- bestimmung möglich sind, und
- dass eine Bestimmung von Materialparametern bei verdeckten, unzugänglichen Strukturen möglich gemacht wird.
Des Weiteren können folgende Medien ausgemessen werden: - geschichtete Festkörper mit einer Bestimmung der Schichtdicken dMed und Schallgeschwindigkeiten cMed in den einzelnen Schichten, insbesondere Schichtdicken im Innern eine Mediums sowie von verdeckten Schichten,
- geschichtete durchsichtige oder undurchsichtige Flüssigkeiten.
Dabei können insbesondere als direkte Realisierungsmöglichkeiten auch ohne vorhandene Punktreflektoren angegeben werden:
- eine Schichtdickenbestimmung bei verdeckten Strukturen ohne Kenntnis der Schallgeschwindigkeit, - eine zerstörungsfreie Bestimmung von Materialparametern und deren örtlichen Veränderungen in einer Schicht oder in mehreren Schichten,
- Informationen über Eigenschaften der Schicht (bei Geweben: Einlagerungen, Gewebeart, Tumorgewebe, Beobachtung degenerativer Entwicklungen in Geweben; bei Festkörpern; Materialparameter wie z.B. Dichte, E-Modul, Flüssigkeiten; Dichte, Viskosität) mittels der Parameter (Schallgeschwindigkeit, Schichtdicke).
Weiterbildungen und vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind in weiteren Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen mittels mehrerer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße erste Anordnung zur kombinierten Bestimmung von Schallgeschwindigkeiten und Abständen in Medien mittels Ultraschall, wobei Fig. 1a eine schematische Darstellung der gesamten Anordnung bei einem einschichtigen Medium, Fig. 1b eine vergrößerte Medium-Ultraschallwandler-Anordnung nach Fig.
1a,
Fig. 1c eine schematische Darstellung der Anordnung zur Kalibrierung im Kalibriermedium W und Fig. 1d eine schematische Darstellung der Anordnung nach Fig. 1a bei
Vorhandensein mehrerer Schichten 41 und 42 zeigen,
Fig. 2 ein Schallfeld für einen unfokussierten Schallkopf (f=20 MHz, d=4.8mm) in einem Festkörper nach 20mm Wasservorlauf, wobei das (x,y,z)- Koordinatensystem an der letzten vom Ultraschall passierten Grenzfläche angeheftet ist, so dass die Koordinate z in diesem Fall den Normalenabstand zur Festkörperoberfläche angibt, und wobei Fig. 2a einen Längsschnitt,
Fig. 2b einen Querschnitt des Schallfeldes im Fokus bei z=17mm und Fig. 2c ein Sende-Empfangsfeld (SE-FeId) für die gleiche Anordnung im
Fokus bei z= 17mm, zeigen,
Fig. 3 Längsschnitte der Schallfelder in Wasser und in Plexiglas jeweils bei gleichem Ultraschallwandler für die vorgegebene Ringelementeanordnung oben in Wasser, unten in Plexiglas zum Vergleich, wobei das normierte Maximum p für das Schallfeld einschließlich seiner Lage in (x,y,z)- Koordinaten ange- geben ist, wobei Fok den berechneten Abstand bezüglich Wasser angibt, bei dem der Fokuspunkt entsprechend den verwendeten Ansteuerzeiten liegt, wobei die durch Simulationsrechnung ermittelte Differenz der Fokuspunktlagen in Wasser und Plexiglas durch V gekennzeichnet wird, wobei in den Fig. 3a Fok = 7mm, p = 385 (0,0,7.4) in Wasser,
Fig. 3b Fok = 10mm, p = 543 (0,0,10.2) in Wasser, Fig. 3c Fok = 13mm, p = 558 (0,0,13.0) in Wasser, Fig. 3d Fok = 7mm, p = 320 (0,0,3.1), V=-4.3mm in Plexiglas, Fig. 3e Fok = 10mm, p = 762 (0,0,4.8), V=-5.4mm in Plexiglas, und Fig. 3f Fok = 13mm, p = 886 (0,0,6.4), V=-5.6mm in Plexiglas, erreicht wird, Fig. 4 ein Schallfeldprofit entsprechend Fig. 2 und durch Simulationsrechnungen ermittelte Amplitudenhöhe für verschiedene Punktreflektorgrößen mit berechneter Schalldruckamplitude auf dem Empfänger für einen kugelförmi- gen Punktreflektor mit einem Radius r = 0.4mm = λ und einen kugelförmigen Punktreflektor mit einem Radius r = 1.2mm * 3λ bei unterschiedlichen Entfernungen von der Achse, wobei der kugelförmige Punktreflektor oder der Schallkopf entlang einer Linie radial nach außen bewegt wird,
Fig. 5 eine Kalibrierkurve für einen kugelförmigen Punktreflektor r=0.05mm in
Wasser im Abstand a=10mm mit der gegebenen Ringelementeanordnung des Ultraschallwandlers, gewonnen aus dem Schallfeld auf den empfangenden Elementen,
Fig. 6 Amplitudenkurven für je einen kugelförmigen Punktreflektor mit einem Radius von r=0.05mm in der zweiten Schicht von einem zweischichtigen Medium, wobei die erste Schicht eine 5mm dicke Wasserschicht mit der Schallgeschwindigkeit c=1500m/s ist und das zweite Medium eine Schallgeschwindigkeit von c=1620 m/s besitzt, und wobei der erste Punktreflektor sich im Abstand von 5mm nach der Wasserschicht und der zweite Punktreflektor im Abstand von 8mm nach der Wasserschicht im zweiten Medium befinden.
Fig. 7 Fig. 7a Verlauf der über 500 Sekunden gemittelten normierten Amplitude des Echosignals in Abhängigkeit von der über die
Schallaufzeit ermittelten Messtiefe z eines im Puls-Echo- Verfahren betriebenen fokussierenden Ultraschallwandlers, wobei als Ausbreitungsmedium des Ultraschalls ein mit Punktreflektoren versehenes flüssiges Metall (eutektisches InGaSn) mit der Schallgeschwindigkeit c=2740 m/s verwendet wird, Fig. 7b Berechnete Schalldruckamplitude des verwendeten Ultraschallwandlers für die verwendete Anordnung. Fig. 7c Form der für die Fokussierung verwendeten Ultraschallinse.
Fig. 8 eine modifizierte erfindungsgemäße zweite Anordnung zur kombinierten Bestimmung von Schallgeschwindigkeiten und Abständen, insbesondere Schichtdicken in Medien mittels Ultraschall, wobei
Fig. 8a eine schematische Darstellung der Anordnung mit einem Zentralempfangselement, Fig. 8b eine vergrößerte Darstellung der Ultraschallwandler-Medium-
Anordnung mit dem Zentralempfangselement nach Fig. 8a, Fig. 8c eine schematische Darstellung der Anordnung mit einem Zentralempfangselement zur Kalibrierung und
Fig. 8d eine vergrößerte schematische Darstellung der Anordnung mit ei- nem Zentralempfangselement zur Kalibrierung nach Fig. 8c zeigen,
Fig. 9 Schalldruckamplituden als Funktion des elektronischen Fokuspunktes, die
Kalibrierungskurven für das Zentralempfangselement darstellen, wobei Fig. 9a die Amplitude des von der Kalibrierwand reflektierten Schalls auf dem Zentralempfangselement für das Medium Wasser in Abhängigkeit vom elektronischen Fokus für einen großen Ultraschallwandler mit einem Durchmesser dus = 12mm, einer Frequenz von 3MHz und einer Dicke der Wasserschicht mit aw = dw = 13mm und aw = dw = 10mm, und
Fig. 9b die Amplitude des von der Kalibrierwand reflektierten Schalls auf dem Zentralempfangselement für das Medium Wasser in Abhängigkeit vom elektronischen Fokus für einen kleinen Ultraschallwandler mit einem Durchmesser dus = 11 mm, einer Frequenz von 3MHz und einer Schichtdicke der Wasserschicht mit aw = dw =
10mm zeigen, und
Fig. 10 Schalldruckamplituden als Funktion des elektronischen Fokuspunktes für mehrschichtige Medien für einen großen Ultraschallwandler, wobei Fig. 3a die reflektierte Amplitude von der hinteren Grenzfläche einer Gewebeschicht mit einer Schichtdicke von 5mm nach einem Wasservorlauf von 5mm,
Fig. 3b die reflektierte Amplitude von der hinteren Grenzfläche einer Gewebeschicht mit einer Schichtdicke von 8mm nach einem Was- servorlauf von 5mm und
Fig. 3c die reflektierte Amplitude von der hinteren Grenzfläche einer Plexiglasschicht mit einer Schichtdicke von 5mm nach einem Wasservorlauf von 5mm zeigen.
Im Folgenden werden die Fig. 1a, 1b, 1c und 1d gemeinsam betrachtet. In Fig. 1a ist in einer schematischen Darstellung eine erste Anordnung 10 zur kombinierten Bestimmung von Schallgeschwindigkeiten und Abständen in einem Punktre- flektoren 5 enthaltenden Medium 4 mittels Ultraschall gezeigt, wobei die Anordnung 10 besteht aus
- einem Sendesignalgenerator 1, der auf drei Kanälen 14 elektrische Sendesignale erzeugt,
- einer Sende-Empfangs-Weiche 2,
- einem Ultraschallwandler 3 mit drei Elementen 31, 32, 33, der die elektrischen Sendesignale vom Sendesignalgenerator 1 über die Sende-Empfangs-Weiche 2 erhält, wobei die angesteuerten Elemente 31 , 32, 33 des Ultraschallwandlers 3 eine Ultraschallwelle in das zu untersuchende Medium 4 senden und nach Umschal- tung der Sende-Empfangs-Weiche 2 die von den im Medium 4 enthaltenen Punktreflektoren 5 reflektierte Ultraschallwelle mit den Elementen 31, 32, 33 des Ultra- schallwandlers 3 empfangen, und - einer Verstärkungseinheit 6, die die elektrischen Empfangssignale von den einzelnen Elementen 31, 32, 33 des Ultraschallwandlers 3 über die Sende-Empfangs- Weiche 2 erhält und verstärkt, und
- einer Aufnahmeeinheit 7, in der eine Analog-Digital-Wandlung der verstärkten Empfangssignale in digitale Signale erfolgt, und
- einer Auswerteeinheit 8, die die aus der Aufnahmeeinheit 7 weitergeleiteten digitalen Signale zur Auswertung erhält.
Erfindungsgemäß fokussiert der Sendesignalgenerator 1 in Form von elektronischer Fokussierung oder in Zusammenarbeit mit der Aufnahmeeinheit 7 und der Auswerteeinheit 9 in Form von synthetischer Fokussierung den erzeugten Ultraschall schrittweise entlang der Schallkopfachse 12 des Ultraschallwandlers 3 auf einzelne Fokuspunkte F1, F2, F3, erfolgt die Aufnahme des Empfangssignals entweder durch das innere Element 31 alleine, jedes beliebige andere Element 32, 33 alleine oder durch Kombination mehrerer Elemente 31 , 32, 33 mittels von synthetischer Fokussierung in Form einer zeitverzögerten Überlagerung der auf den einzelnen Elementen 31, 32, 33 sich ergebenden Echosignale, ist eine Kalibriereinheit 9 vorgesehen, die beim Erstellen der Kalibrierdaten entweder durch Simulationsrechnung oder durch Messung mit Hilfe der Aufnahmeeinheit 7 für einen in einem Kalibriermedium W (Fig. 1c) befindlichen Punktreflektor 5 den Zusammenhang zwischen dem verwendeten Fokussierungsregime Vmaχ(aWj), bei dem die Amplitude des reflektierten Ultraschalls maximal wird, und dem jeweils gewählten Abstand aWj des Punktreflektors 5 vom Ultraschallwandler 3 im Kalibriermedium W liefert und als Tabelle T zusammenstellt, ist eine Aufnahmeeinheit 7 vorgesehen, die die Schalllaufzeit vom Ultraschallwandler 3 zu einem beliebigen Punktreflektor 5 in dem Medium 4 im Abstand aMj misst und durch schrittweise Fokussierung dasjenige Fokussierungsregime Vmax(aMj) bestimmt, bei dem die Amplitude des reflektierten Ultraschalls für diesen Punktreflektor 5 ma- ximal wird, wobei die Auswerteeinheit 8 für einen im Medium 4 befindlichen Punktreflektor 5 das Fokussierungsregime Vmaχ(aMj), bei dem die Amplitude des reflektierten Ultraschalls maximal wird, ermittelt, und die aus der von der Kalibriereinheit bereitgestellten Tabelle T den Abstand des Punktreflektors 5 bezüglich des Kalibriermediums W ermit- telt, aus der ermittelten Schalllaufzeit und dem ermittelten Reflektorabstand bezüglich des Kalibriermediums W die mittlere Schallgeschwindigkeit im Medium 4 bis zum Punktreflektor 5 und den Abstand des Punktreflektors 5 vom Ultraschallwandler 3 ermittelt und durch Bestimmung dieser Parameter für Punktreflektoren 5 an unterschiedlichen Orten die ortsveränderliche Schallgeschwindigkeit cMed bestimmt.
Die Zeitverzögerungsregime können den elektronischen Fokussierungsregime zugeordnet werden und stellen vorgegebene n-Tupel At1, Li2, -. , Atn aus Zeiten dar, damit die einzelnen Elemente 31, 32, 33 des Ultraschallwandlers 3 im Vergleich zum inneren Element 31 verzögert angesteuert und/oder zeitverzögert überlagert werden können.
Die vorgenannten Punktreflektoren 5 können Inhomogenitäten und/oder statistisch verteilte Streuteilchen/Partikel im Medium 4 sein, wobei die Inhomogenitäten und/oder Streuteilchen/Partikel eine Ausdehnung im Größenordnungsbereich und geringer einer Ultraschallwellenlänge λ oder geringer aufweisen und an denen der Ultraschall gestreut wird.
Bei einer elektronischen Fokussierung auf Fokuspunkte F wird ein solches Fokussierungsregime gewählt, bei dem der Ultraschall in Kalibriermedium W im Abstand des jeweiligen Fokuspunktes F; F-i, F2, F3 auf der akustischen Schallkopfachse 12 vom Ultraschallwandler 3 fokussiert wird. Bei gleicher elektronischer Fokussierung differieren die tatsächlichen Fokuspunktorte in Abhängigkeit von der Schallausbreitungsgeschwindigkeit in den Medien.
Die gleichzeitige Bestimmung von Schallgeschwindigkeit und Abstand des kugelförmigen Punktreflektors 5 von den sendenden Elementen/empfangenden Elementen 31 , 32, 33 des Ultraschallwandlers 3 beruht auf der Messung der Schalllaufzeit t und des Abstandes des jeweiligen Fokuspunktes F; F1, F2, F3 vom Ultraschallwandler 3.
Die Fig. 2a zeigt den Längsschnitt des Schallfeldes für einen unfokussierten Ultra- schallwandler 3 in einem Festkörper nach einem Wasservorlauf VL. Das Schallfeld besitzt am Ende des Nahfeldes bei z=17mm ein Maximum, das auch als natürlicher
Fokus bezeichnet wird. Der Fokus ist zwar nicht punktförmig, sondern es bildet sich eine ausgedehnte empfindliche Zone (z.B. 6-dB-Zone), die im Längsschnitt in Fig. 2a und im Querschnitt bei z=17mm in Fig. 2b zu sehen ist, wird aber im Folgenden als Fokuspunkt bezeichnet.
Der Abstand z des natürlichen Fokuspunktes hängt von der Elemeήtgröße des Ultraschallwandlers 3, der Ultraschallfrequenz und dem Medium 4 ab und kann für einen scheibenförmigen ebenen Ultraschallwandler 3 entsprechend der Gleichung (I) für die Nahfeldlänge N
berechnet werden, wobei d der Element-Durchmesser, λ - die Wellenlänge in dem Medium 4, c - die Schallgeschwindigkeit und f - die Mittenfrequenz des Ultraschallwandlers 3 sind. Mithilfe der Gleichung (I) lässt sich der Fokusabstand z in verschie- denen Medien ineinander gemäß Gleichung (II) umrechnen
^Medl _ ZMed\ _ CMed2 ^ Med 2 ZMedl CMed\
Durch zusätzliche Fokussierung mit Hilfe einer Linse oder bei Ultraschallwandlern mit mehreren einzelnen Elementen durch elektronische Fokussierung lässt sich der Fo- kuspunkt dichter an den Ultraschallwandler 3 ziehen und die Fläche der empfindlichen Zone wesentlich verkleinern. Die Lage des Schallfeldmaximums oder des Fokuspunktes ergibt sich aus der Lage des natürlichen Fokuspunktes und der Krümmung der Linse bzw. der elektronisch eingestellten Fokussierung. Die genaue Lage und die Ausdehnung der empfindlichen Zone für den resultierenden Fokuspunkt las- sen sich mit Hilfe von Simulationsrechnungen ermitteln. In Fig. 3 werden die Schallfelder in den Medien Wasser und Plexiglas jeweils bei gleichem Ultraschallwandler 3 und bei der gleichen elektronischen Fokussierung verglichen. In der Fig. 3 ist das normierte Maximum p für das Schallfeld einschfieß- lieh seiner Lage in x,y,z-Koordinaten angegeben. Das x,y,z-Koordinatensystem ist am Ultraschallwandler 3 angeheftet, so dass in der Koordinate z der Fokuspunktabstand, in diesem Fall der Abstand des Fokuspunktes zum Ultraschallwandler 3, angegeben wird. Fig. 3 macht deutlich, dass sich die Lage des Maximums in Abhängigkeit der Materialparameter des Mediums 4, insbesondere der Schallgeschwindigkeit, stark ändert und dass die Auswertung des Fokuspunktabstandes eine zusätzliche Information zur Laufzeit bringt.
Fig. 4 zeigt die berechnete Schalldruckamplitude auf den empfangenden Elementen für einen kugelförmigen Punktreflektor 51 mit einem Radius r = 0.4mm * λ und einen kugelförmigen Punktreflektor mit einem Radius r = 1.2mm * 3λ bei unterschiedlichen Entfernungen von der Schallkopfachse 12. Der kugelförmige Punktreflektor 51 oder der Ultraschallwandler 3 wird entlang einer Linie 13 radial zur Schallkopfachse 12 nach außen bewegt. Die Kurven für die Amplitudenhöhe des empfangenen reflektierten Ultraschallsignals für Punktreflektoren 51 bis zu einer Größe r=0.4mm, entspricht etwa einer Wellenlänge λ, sind deckungsgleich miteinander und deckungsgleich mit der Profillinie für das SE-FeId von Fig. 2c. Das heißt, in einem flüssigen Medium 4 lässt sich das Schallfeld mit Hilfe eines kugelförmigen Punktreflektors 51 vermessen, und die Höhe des reflektierten Signals von einem Punktreflektor 51 bei einem Linienscan oder bei einer Verschiebung des kugelförmigen Punktreflektors 51 liefert das Schallfeld im zu untersuchenden Medium 4.
Somit ergibt sich für einen kugelförmigen Punktreflektor 51 das Maximum im reflektierten Signal, wenn sich der Punktreflektor 51 im Fokuspunkt F2, wie in Fig. 1b gezeigt ist, befindet. Diese Tatsache lässt sich umgekehrt ausnutzen, um den Punktreflektorort F2 durch eine Verschiebung des Fokuspunktes F zu bestimmen. Bei einem Einschwinger-Schallkopf des Ultraschallwandlers 3 lassen sich die Orte der Fokuspunkte nur durch Änderung der Position des Ultraschallwandlers 3 in Bezug auf das zu untersuchende Medium 4, z. B. mit einem Wasservorlauf VL, bei dem Array-Schallkopf auch durch systematische Änderung des Fokussierungsregimes mittels einer zeitverzögerten Ansteuerung der Elemente oder einer zeitverzögerten Überlagerung der Echosignale festlegen.
In einem Kalibriermedium W mit bekannter Schallgeschwindigkeit, vorzugsweise wird zur Kalibrierung Wasser mit einer Schallgeschwindigkeit c=1500m/s einbezogen, wird der Punktreflektor 51 auf der Schallkopfachse 12 in verschiedenen Abständen aWj positioniert, und es wird die elektronische Fokussierung bestimmt, bei der das reflektierte Signal ein Maximum besitzt.
Damit wird ein Zusammenhang zwischen der verwendeten elektronischen Fokussie- rung und dem Abstand des Punktreflektors 51 bezüglich des Kalibriermediums W erhalten.
Bei den folgenden Beispielen A und B wird zum einen bei Beispiel A von einem Punktreflektor 5 in einem einschichtigen Medium 4 unbekannter Schallgeschwindig- keit (Fig. 1a) und zum anderen bei Beispiel B von einem zweischichtigen Medium 41, 42 ausgegangen, bei dem sich ein Punktreflektor 5 in der zweiten Schicht 42 befindet (Fig. 1d).
Gemäß Beispiel B ist die erste Schicht 41 Wasser. Für die zweite Schicht 42 sollen die Schallgeschwindigkeit und der Abstand des Punktreflektors 5 von einer Grenzflä- che 11 bestimmt werden. Zur gleichzeitigen Bestimmung des Abstandes awu eines Punktreflektors 5 und der Schallgeschwindigkeit vor dem Punktreflektor 5 wird ein Ultraschallwandler 3 mit ringförmigen Elementen 31, 32, 33 eingesetzt, wie auch in Fig. 1d gezeigt ist.
Mit der Ringelementeanordnung 31 , 32, 33 werden zuerst Kalibrierungskurven entsprechend Fig. 5 aufgenommen, indem in einem Wasserbad W entsprechend Fig. 1c ein Punktreflektor 5 in einem definierten Abstand aw zur Ringelementeanordnung platziert wird. Durch eine zeitverzögerte Ansteuerung der einzelnen sendenden Elemente 31 , 32, 33 wird der Fokuspunkt F entlang der Schallkopfachse 12 vor (F1), auf (F2) und hinter (F3) dem Punktreflektor 5 platziert und eine Kurve für die Amplitude als Funktion des Fokussierungsregimes bestimmt. Die Fokussierung kann dabei direkt durch eine zeitverzögerte Ansteuerung der sendenden Elemente mit Verzögerungszeiten entsprechend dem jeweiligen Fokussierungsregime erfolgen oder, indem alle sendenden Elemente 31, 32, 33 einzeln nacheinander senden, die einzelnen Signale von den empfangenden Elementen 31 , 32, 33 registriert werden und die Signale für die einzelnen sendenden Elemente 31 , 32, 33 phasenverschoben entsprechend dem jeweiligen Fokussierungsregime überlagert werden. Der Vorgang wird für verschiedene Abstände, hier in Abstandsvariationen von minimal 0,1 mm des Punktreflektors 5 von der Ringelementeanordnung 31 , 32, 33 wiederholt. Dabei wird bestimmt, bei welcher elektronischen Fokussierung das Maximum an den empfangenden Elementen 31, 32, 33 registriert wird. Da Fokussierungsschritte von minimal 0,1 mm gemacht werden, wird ein Punktreflektor 5 mit einem Radius von r=0.05mm, d. h. der insbesondere auch kleiner als die Wellenlänge λ ist, verwendet.
Tab.1 zeigt die aus den Kalibrierkurven, eine davon ist dargestellt in Fig. 5, ermittel- ten Maximumlagen im Kalibriermedium W - Wasser - für verschiedene Punktreflek- torabstände innerhalb des Wassers (c= 1500m/s).
Tab.1:
Kalibrierung: Zusammenhang zwischen geometrischem Fokus (elektronische Fokussierung) und Lage des Maximums für Kalibriermedium W - Wasser - c=1500m/s (ermittelt aus Kalibrierkurven entsprechend Fig. 5 mit einem Punktreflektor r=0,05mm)
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Beispiel A
Im Beispiel A liegt folgende Messsituation gemäß Zeile 1, Tabelle 2 für ein einschichtiges Medium vor.
Beispiel B
In dem Beispiel B liegt folgende Messsituation gemäß der 2. und 3. Zeile von Tab. 2 und Fig. 1d vor: Ein kugelartiger Punktreflektor 5 mit einem Radius r=0.05mm befindet sich in der zweiten Schicht 42, z.B. Gewebe mit einer Schallgeschwindigkeit von c=1620 m/s, eines zweischichtigen Mediums 41, 42. Die erste Schicht 41 ist eine 5mm dicke Wasserschicht mit einer Schallgeschwindigkeit von c=1500m/s. Die Dicke der ersten Schicht 41 - der Wasservorlauf VL = 5mm - ist vorgegeben oder vorher entsprechend dem beschriebenen Verfahrens ermittelt worden. Der kugelartige Punktreflektor 5 befindet sich im zweiten Medium 42, zunächst im Abstand von
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(5mm Wasserschicht + 5mm Abstand von Grenzfläche 11 vom Wasser zum zweiten Medium 42) und anschließend im Abstand von aMi=13mm (5mm Wasserschicht + 8mm Abstand von Grenzfläche 11 vom Wasser zum zweiten Medium 42) auf der Schallkopfachse 12 des Ultraschallwandlers 3.
Aus der elektronischen Fokussierung und der Messung der Echosignal-Laufzeit werden die Schallgeschwindigkeit in der zweiten Schicht 42 und der Abstand aMi des kugelartigen Punktreflektors 5 vom Ultraschallwandler 3 bestimmt. Dazu wird zunächst die Signallaufzeit tj, die den Abstand aMi des Punktreflektors 5 charakterisiert, gemessen, wie in Tab. 2, Spalte 2 angegeben ist. Durch elektronische Fokussierung wird anschließend der Fokuspunkt F - F1, F2, F3 - entlang der Schallkopfachse 12 systematisch verschoben und die Amplitude für jeden elektronischen Fokuspunkt gemessen.
Fig. 6 zeigt die ermittelten Amplitudenkurven für den Ultraschallwandler 3 für die oben beschriebene Messsituation, wobei auch die Auswertung des inneren empfangenden Elementes 31 mit entsprechender Kalibrierung möglich ist. Aus den Mess- kurven in Fig. 6 wird der elektronische Fokuspunkt ermittelt, bei dem das reflektierte Signal ein Maximum aufweist, wie in Tab. 2, Spalte 3 angegeben ist. Tab. 2 zeigt für verschiedene Punktreflektororte, charakterisiert durch verschiedene Laufzeiten tj in Spalte 2, die ermittelte elektronische Fokussierung, bei der das Maximum in Spalte 3 auftritt, und den durch Interpolation der Werte in Tab.1 ermittelten Wert für den Punktreflektorabstand aw bezogen auf Wasser in Spalte 4. Mithilfe der Gleichung (III)
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wird die Schallgeschwindigkeit im zweiten Medium 42 berechnet gemäß Spalte 5, wobei t in diesem Fall die einfache Schallaufzeit im Medium 42 bis zum betrachteten Punktreflektor ist. Für das Beispiel B ist die Schichtdicke VL für das erste Medium 41 mit VL=5mm, und die Schallgeschwindigkeit für das erste Medium 41 ist gleich der Schallgeschwindigkeit Cw des Kalibriermediums W - Wasser -. Mithilfe von Gleichung (IV)
0MeJ = (0^ - VL)- (IV)
CMed wird anschließend der Abstand aMed des kugelartigen Punktreflektors 5 gemäß Spalte 6 bestimmt. Zum Vergleich der Abweichung vom tatsächlichen Wert sind in der ersten Spalte der Tabelle 2 der verwendete Abstand des kugelartigen Punktreflektors 5 von der Grenzfläche 11 und die tatsächliche Schallgeschwindigkeit angegeben.
Tab. 2:
Bestimmung der Schallgeschwindigkeit cMed im Medium 42 und des Abstandes aMed des Punktreflektors 5 von der Grenzfläche 11 aus dem Schallfeld auf den empfangenden Elementen (tj - gemessene, einfache Signallaufzeit von Grenzfläche 11 zum Punktreflektor 5)
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Die drei ersten Zeilen in Tab. 2 zeigen, dass für Gewebe - mit einer nur geringen Abweichung der Schallgeschwindigkeit von der Schallgeschwindigkeit des Kalibriermediums W - deren Schallgeschwindigkeit und der Abstand des Punktreflektors 5 mit großer Genauigkeit bestimmt werden können. Bei Plexiglas 42 - mit fast der doppelten Schallgeschwindigkeit wie im Kalibriermedium W - tritt ein relativer Fehler von 7% auf. Die Ursache dafür und die Erhöhung der Genauigkeit werden im Folgenden diskutiert. Die Gleichung (I)
N = z = — = — / Aλ Ac J (I)
liefert den Wert für die Lage des Maximums für einen kreisförmigen ebenen Ultraschallwandler 3. Bei der Fokussierung durch zeitverzögerte Ansteuerung mit dem Ultraschallwandler 3 treten zwischen dem berechneten Maximum mit der Gleichung (H)
™Med\ _ ZMed\ _ CMed2
N Med 2 ZMed2 Cl Med\ (II)
wie in Tab.3 - Spalte 4 angegeben, und den mit Schallfeldberechnungen, wie in Tab.3 - Spalte 3 angegeben, ermittelten Werten Unterschiede auf. Das sind bei dem Gewebe 42, dessen Schallgeschwindigkeit nur wenig von dem Kalibriermedium W Wasser abweicht, nur 0.1 bis 0.2mm, bei Plexiglas im Fokussierungsbereich jedoch immerhin ca. 0,75mm. Deshalb ist es zweckmäßig, dass, wenn möglich, Kalibriermedien W mit nicht zu stark abweichenden Schallgeschwindigkeiten eingesetzt werden. Im Allgemeinen kann die Kalibrierung für Flüssigkeiten mit Hilfe von Punktreflektormessungen erfolgen. Eine für alle Medien anwendbare Möglichkeit ist die Berech- nung des Schallfeld-Längsschnittes für den eingesetzten Ultraschallwandler 3 bei den entsprechenden Fokussierungen in der Nähe der ermittelten Schallgeschwindigkeit (Tab.4).
Tab.3
Abweichung dv zwischen den ermittelten Fokuslagen aus Schallfeldberechnung und mit Hilfe der Näherungsformel - Unterschied um 0.1mm = Fehler bei Fokussierung
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Tab. 4 Aus dem Schallfeld (Längsschnitt) ermittelte Fokuspunktlagen und zugehörige Schalllaufzeiten
Figure imgf000035_0002
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In Tab. 4 sind ermittelte Fokuspunktabstände für verschiedene Medien mit unterschiedlichen Schallgeschwindigkeiten in Abhängigkeit von der elektronischen Fokus- sierung mit Schallfeldberechnungen angegeben. Wenn davon ausgegangen wird, dass durch Verschieben eines Punktreflektors das Maximum gefunden wird und die zugehörige Schalllaufzeit ermittelt werden kann, kann aus der Fokuspunktlage, also der Maximumlage, für die jeweilige Schallgeschwindigkeit die Laufzeit ermittelt werden, wie der zweite Wert in den Spalten von Tab. 4 darstellt. Werden für ein zu untersuchendes Medium mit grob bestimmter Schallgeschwindigkeit die Fokussierung und die Schalllaufzeit bestimmt, wie in Zeile 7 von Tab. 4 angegeben ist, so lässt sich aus der Fokussierung durch Interpolation die Schalllaufzeit bis zum Maximum für die zwei benachbarten Schallgeschwindigkeiten ermitteln. Daraus ergibt sich durch Interpolation die Schallgeschwindigkeit des zu untersuchenden Mediums. Für Plexiglas, das das letztes Beispiel in Tab. 2 ist, ergibt sich mit diesem Verfahren gemäß Zeile 7 von Tab.4 eine Schallgeschwindigkeit von c=2752 m/s.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass als Kalibriermedium W ein Material mit näherungsweise der bereits bestimmten Schallgeschwindigkeit eingesetzt wird. Dann lassen sich die Schallgeschwindigkeit cMeό und der Abstand aMed des Punktreflektors 52 von der Grenzfläche auch mit den Gleichungen (III) und (IV)
Figure imgf000037_0001
Q aMed = (<*w ~ VL)^^- (IV)
CMed bestimmen, wobei der zur Fokussierung zugehörige Abstand im Kalibriermedium W aus Tab. 4 entnommen wird. Für Plexiglas 42 wird z. B. das Kalibriermedium W mit der Schallgeschwindigkeit von c=2700 m/s verwendet. Dafür ergibt sich mit der Gleichung (III) eine korrigierte Schallgeschwindigkeit von c=2736 m/s.
Für ein Flüssigkeitsgemisch, z.B. mit einer ortsveränderlichen Massendichte, kann analog ein Schallgeschwindigkeitsprofil bestimmt werden, indem der Wasservorlauf mit dem Abstand VL=O gesetzt wird und für Punktreflektoren 51 , 52 an verschiedenen Orten der Abstand vom Ultraschallwandler 3 und die mittlere Schallgeschwindigkeit zwischen Punktreflektor 51, 52 und Ultraschallwandler 3 bestimmt werden. Der Vergleich der bestimmten Schallgeschwindigkeiten für zwei hintereinander liegende Punktreflektoren 51, 52 liefert zusammen mit der zugehörigen Schallaufzeit die Änderung der mittlere Schallgeschwindigkeit zwischen den Punktreflektoren 51, 52.
Wenn das zu untersuchende Medium 4 ein Flüssigkeitsgemisch ist, das mit unter- scheidbaren Punktreflektoren 5, 51. 52 versehen ist, treten Schallgeschwindigkeitsunterschiede auf, wobei eine Bestimmung des Abstandes des sich auf der Schallkopfachse 12 am dichtesten vor dem Ultraschallwandler 3 befindlichen Punktreflektors 51 von Ultraschallwandler 3 und der mittleren Schallgeschwindigkeit cMed zwischen Punktreflektor 5 und Ultraschallwandler 3 mit den Gleichungen (V) und (VI)
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<w =". — (vi)
CUed erfolgt, wobei aw der Abstand des Punktreflektors 5 vom Ultraschallwandler 3 bezüglich des Kalibriermediums W ist, und wobei der Abstand aw durch das Fokussie- rungsregime Vmaχ(aw) ermittelt wird, und wobei t die einfache Schalllaufzeit zwischen Ultraschallwandler 3 und dem jeweiligen Punktreflektor 5 ist, und wobei Cw die Schallgeschwindigkeit des Kalibriermediums W ist, und eine Wiederholung des Vorgangs für weiter entfernt liegende Punktreflektoren 5 und damit eine Feststellung der mittleren Schallgeschwindigkeit zwischen Ultraschallwandler 3 und Punktreflektorort für jeden Punktreflektorort erfolgt, wobei sich die mittlere Schallgeschwindigkeit q, j+i zwischen zwei auf der akustischen Schallkopfachse 12 liegenden (j, j+1)- Punktreflektoren 51, 52 über die Gleichung (VII)
Figure imgf000038_0002
berechnen lässt, und wobei tj+i - tj die einfache Schallaufzeit zwischen den zwei Punktreflektoren 51 , 52 ist, und wobei aw (j+i)-aw ω der Abstand zwischen den beiden Punktreflektoren 51, 52 bezogen auf das Kalibriermedium W ist, wobei bei genügend dichter Verteilung von Punktreflektoren 5 in dem Flüssigkeitsgemisch ein Schallge- schwindigkeitsprofil erstellbar ist.
Stellt das untersuchende Medium 4 ein Flüssigkeitsgemisch dar, das mit statistisch verteilten Streuteilchen, die eingelagert sind, strömen oder diffundieren, versehen ist und somit im zeitlichen Mittel an allen Orten im Medium 4 ausreichend viele Streuteilchen aufweist, liefern die über verschiedene Sendepulse gemittelte Echosignalamplitude der im Fokuspunkt im Mittel befindlichen Streuteilchen für das gewählte Fokussierungsregime die laufzeitproportional zur Anzeige gebrachte Lage des jeweiligen und damit die Schalllaufzeit vom Ultraschallwandler 3 zum Fokuspunkt F; Fi, F2, F3 im Medium 4, wobei eine Bestimmung der mittleren Schallgeschwindigkeit cMed bis zum Fokuspunkt F und des Abstandes aMed zwischen dem Ultraschallwandler 3 und dem Fokuspunkt F mit den Gleichungen (V) und (VI)
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erfolgt, wobei der Abstand aw durch das Fokussierungsregime Vmaχ(aw) festgelegt wird, und wobei t die einfache Schalllaufzeit zwischen Ultraschallwandler 3 und dem jeweiligen Fokuspunkt F ist, und wobei Cw die Schallgeschwindigkeit des Kalibrier- mediums W ist, und eine Wiederholung des Vorgangs für weiter entfernt liegende Fokuspunkte F; Fi, ?% F3 und damit eine Feststellung der mittleren Schallgeschwindigkeit zwischen Ultraschallwandler 3 und dem jeweiligen Fokuspunkt F und eine Feststellung des Abstandes des jeweiligen Fokuspunktes F vom Ultraschallwandler 3 für jedem Fokuspunkt F erfolgt, wobei sich die mittlere Schallgeschwindigkeit q, j+i zwischen zwei Q, J+O- Fokuspunkten F über die Formel öfF(/+l) aW(j)
berechnen lässt, wobei tj+1 - tj die einfache Schallaufzeit zwischen den zwei Fokuspunkten F ist, und wobei awj+1-awj der Abstand zwischen den beiden Fokuspunkten F bezogen auf das Kalibriermedium W ist, wobei ein Schallgeschwindigkeitsprofil erstellbar ist.
Ist eine Strömung in der Flüssigkeit vorhanden, so ergibt sich das Intensitätsmaximum durch zeitliche Mittelung der Echosignale, wobei die Bestimmung des Abstandes und der Schallgeschwindigkeit des sich am dichtesten vor dem Ultraschallwand- ler 3 befindlichen Fokuspunktes F mit den Gleichungen (III) und (IV)
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Oued = (ow - VL)-^- (IV)
erfolgt, und eine Wiederholung des Vorgangs für weiter entfernt liegende Fokuspunkte F und damit Feststellung der mittleren Schallgeschwindigkeit zwischen Ultra- schallwandler 3 und Fokuspunkt F für jeden Fokuspunkt F erfolgt, wobei die gemessene Schallaufzeit zwischen zwei Fokuspunkten und die bekannte Änderung des Fokussierungsregimes die mittlere Schallgeschwindigkeit zwischen den zwei Fokuspunkten liefert, wobei bei genügend dichter Verteilung von Punktreflektoren in der Flüssigkeit sich so ein Schallgeschwindigkeitsprofil erstellen lässt, wobei die Schall- geschwindigkeit des sich am dichtesten am Ultraschallwandler 3 befindlichen Punktreflektors 5 als Bezugs-Schallgeschwindigkeit dient.
Als Kalibriermedium W kann auch eine andere Flüssigkeit als Wasser eingesetzt werden.
Fig. 7 zeigt anhand von Messwerten, dass sich der Ort des Schalldruckmaximums in strömenden oder diffundierenden Flüssigkeiten durch Mittelung der Echosignalamplituden ermitteln lässt. Dabei zeigt Fig. 7a den über eine Zeit von 500 Sekunden ge- mittelten Verlauf der Echosignalamplitude, wobei als Ausbreitungsmedium des Ultra- schalls eine mit Punktreflektoren ausgestattete bei Raumtemperatur flüssige eutekti- sche Metalllegierung aus InGaSn mit der Schallgeschwindigkeit c=2740m/s verwendet wird und wobei sich das Maximum MaxinGasn der Echosignalamplitude für eine Entfernung z=33,55mm vom Ultraschallwandler 3 ergibt. Fig. 7b zeigt zum Vergleich die sich für diese Anordnung durch Simulationsrechnungen ergebende Schalldruck- amplitudenverteilung im Ausbreitungsmedium InGaSn, wobei sich die Anwendbarkeit des Verfahrens dadurch zeigt, dass die sich in der Messung ergebende Entfernung z=33,55mm des Maximums MaxmGasn mit dem Bereich des Schalldruckmaximums entsprechend Fig. 7b übereinstimmt. Fig. 7c zeigt eine Prinzipskizze der bei dem Ultraschallwandler 3 eingesetzten fokussierenden Ultraschallinse 17. Unter Einsatz der Anordnung 10 kann zusätzlich zur Schalllaufzeit vom Ulfraschallwandler 3 zum jeweiligen Fokuspunkt F; F1, F2, F3 im Medium 4 die über verschiede- ne Sendepulse gemittelte Echosignalamplitude von jedem Fokuspunkt F; F1, F2, F3 ermittelt und an die Auswerteeinheit 8 geleitet werden, wobei die Auswerteeinheit 8 die so für die Fokuspunkte F; F-i, F2, F3 ermittelten Echosignalamplituden mit den von der Kalibriereinheit 9 für die verschiedenen Fokuspunkte F; F1, F2, F3 berechneten oder gemessenen Echosignalamplituden vergleicht und daraus die Ultraschall- dämpfung des Mediums 4 zwischen je zwei Fokuspunkten F, z.B. F-i - F2, F2 - F3, berechnet, um die Genauigkeit der Schallgeschwindigkeitsmessungen zu erhöhen und/oder um die Eigenschaften der Flüssigkeit oder des Gewebes zu bestimmen.
Unter Einsatz der Anordnung 10 können für eine feste Fokussierung mit mindestens einem Fokuspunkt F; F1, F2, F3 die über verschiedene Sendeimpulse gemittelten Echosignalamplituden an die Auswerteeinheit 8 gesendet werden, wobei die Auswerteeinheit 8 aus den über verschiedene Sendeimpulse gemittelten Echosignalen für eine feste Fokussierung eine von der Schalllaufzeit abhängige Echosignalamplitudenkurve berechnet, und aus der so berechneten Echosignalamplitudenkurve die Dämpfung in der Umgebung des Fokuspunktes F; F1, F2, F3 ermittelt, um nach wahlweiser Wiederholung der Verfahrensschritte für verschiedene Fokuspunkte F; Fi, F2, F3 die Genauigkeit der Schallgeschwindigkeitsmessungen zu erhöhen und/oder um die Eigenschaften der Flüssigkeit oder des Gewebes zu bestimmen.
Das angegebene Verfahren stellt ein nicht-invasives Verfahren ohne Berücksichtigung von Grenzflächen dar und liefert ein Schallgeschwindigkeitsprofil (ortsaufgelöste Schallgeschwindigkeit) in fluiden und festen Medien 4 mit streuenden Inhomogenitäten und/oder Partikeln als Punktreflektoren 5, wobei insbesondere die Streupartikel vor der Auslösung des Verfahrens in das Medium 4 auch eingebracht werden kön- nen. Im Folgenden werden die Fig. 8a, 8b, 8c und 8d gemeinsam betrachtet. In den Fig. 8a und 8b ist schematisch eine zweite Anordnung 20 zur kombinierten Bestimmung von Schallgeschwindigkeiten und Abständen, insbesondere von Schichtdicken im Medium 4 mit den Schichten 41, 42 mittels Ultraschall dargestellt, wobei die zweite Anordnung 20, weitgehend gleich der ersten Anordnung 10 und dazu modifiziert, zumindest aus
- einem Sendesignalgenerator 1 , der auf drei Kanälen 14 elektrische Sendesignale erzeugt,
- einem Ultraschallwandler 3 mit drei Elementen 31 , 32, 33, der die Signale vom Sendesignalgenerator 1 erhält und dessen angesteuerte Elemente 31 , 32, 33 Ultraschallwellen in das Medium 4 mit den beiden Schichten 41 , 42 sendet, wobei der Ultraschallwandler 3 reflektierte Ultraschallwellen empfängt und in elektrische Empfangssignale wandelt,
- einer Verstärkungseinheit 6, die die elektrischen Empfangssignale erhält und ver- stärkt,
- einer Aufnahmeeinheit 7, die die verstärkten Empfangssignale einer Analog- Digital-Wandlung zur Ausbildung digitaler Signale zuführt, sowie
- einer Auswerteeinheit 8, die die digitalen Signale aus der Aufnahmeeinheit 7 in die Auswertung einbezieht, besteht.
Im zentralen Bereich des Ultraschallwandlers 3 befindet sich im dort vorhandenen inneren Element 31 ein die reflektierten Ultraschallwellen empfangendes, vorzugsweise zentral zum inneren Element 31 angeordnetes Zentralempfangselement 15, das die in ihm erzeugten elektrischen Empfangssignale an die Verstärkungseinheit 6 weiterleitet, wobei der Sendesignalgenerator 1 allein durch eine elektronische Fo- kussierung oder in Verbindung mit der Aufnahmeeinheit 7 durch eine synthetische Fokussierung den entstehenden Ultraschallfokus schrittweise entlang der Schallkopfachse 12 des Ultraschallwandlers 3 auf einzelne Fokuspunkte F-i, F2, F3 fokus- siert, wobei eine Kalibriereinheit 9 vorhanden ist, die entweder durch Simulationsrechnung oder durch Messung mit Hilfe der Aufnahmeeinheit 7 den reflektierten Ultraschall auf dem Zentralempfangselement 15 für den bei den folgenden Messungen eingesetzten Ultraschallwandler 3 mit vorgegebener Elementeanordnung für ein Kalibriermedium W mit einer festen Kalibrierwand 16 als Reflektor im Abstand aw für die unterschiedlichen elektronischen Fokuspunkte Fw bestimmt, wie in Fig. 8c und 8d gezeigt ist, und als Funktion der elektronischen Fokussierung darstellt, die elektronische Fokuseinstellung für das Maximum ermittelt und durch Variation des Abstandes a-iw, a2w, asw, ... der Kalibrierwand 16 und durch Wiederholung des Vorgangs Kalibrierkurven für die verschiedenen Schichtdicken des Kalibriermediums W vor der Kalibrierwand 16 liefert, und wobei die Aufnahmeeinheit 7 für die erste Schicht 41 die Schalllaufzeit tji zwischen ihrer vorderen Grenzfläche G1 und ihrer hinteren Grenzfläche G2 und/oder für die zweite Schicht 42 die Schalllaufzeit t« zwischen ihrer vorderen Grenzfläche G2 und ihrer hinteren Grenzfläche G3 misst und bei Verschiebung des elektronischen Fokuspunktes entlang der entlang der Schallkopfachse 12 für den jeweiligen Fokuspunkt Fi, F2, F3 das reflektierte Signal auf dem Zentralempfangselement 15 registriert, woraus die Schalldruckamplitude für das Zentralempfangselement 15 für jeden Fokuspunkt F1, F2, F3 ermittelt und die so ermittelte Schalldruckamplitude als Funkti- on der Fokussierung in Form von Schalldruckamplituden-Kurven dargestellt wird, wie in den Fig. 9a, 9b für das Kalibriermedium W und in den Fig. 10a, 10b und 10c für andere Mediumschichten gezeigt ist, und wobei die Auswerteeinheit 8 aus der durch Messung ermittelten Schalldruckamplituden-Kurve die lokalen Maxima und Minima feststellt, und daraus unter Zuhilfenahme der Kalibrierungskurven den äquivalenten Abstand aw der jeweiligen reflektierenden Grenzfläche G2 oder G3 bezüglich des Kalibriermediums W ermittelt, aus der von der Aufnahmeeinheit 7 gemessenen Schalllaufzeit U-\, t« zwischen der jeweils vorderen Grenzfläche G1, G2 und der jeweils hinteren Grenzfläche G2, G3 in der zu untersuchenden Schicht 41 oder 42 und der ermittelten äquivalenten Schichtdicke aw = dw bezüglich des Kalibriermediums W die Schallgeschwindigkeit cMed4i, cMed42 in der zu untersuchenden Schicht 41 oder 42 und deren Schichtdicke dMed4i, dMed42 bestimmt werden.
Im Ultraschallwandler 3 ist für den Empfang der reflektierten Ultraschallwellen das Zentralempfangselement 15 zur Bestimmung der Schalldruckamplituden-Kurve vorgesehen, wobei die Abmessungen - Durchmesser dz, Seitenlänge - des Zentralempfangselementes 15 im Bereich einer Ultraschallwellenlänge Λ in Bezug auf das Medium 4 liegen.
Mit dem Einfügen des Zentralempfangselements 15 kann auf eine Sende-Empfangs- Weiche verzichtet werden, weil vom Zentralempfangselement 15 direkt an die Verstärkungseinheit eine Signalleitung geführt sein kann.
Die gleichzeitige Messung von Schallgeschwindigkeit cMed4i, cMed42 und Schichtdicke dMed4i. dMed42 beruht auf der Bestimmung der Schalllaufzeit Wi, U2 und der durch Variation der Fokuspunkte F-i, F2, F3 ermittelten Schalldruckamplitudenkurven. Bei einem punktförmigen Reflektor gemäß dem Stand der Technik ergibt sich bei Variation der Fokuspunkte Fj ein Maximum im reflektierten Signal, wenn sich der punktförmige Reflektor im Fokuspunkt, der durch das Schalldruckmaximum gegeben ist, befindet. Es ergibt sich bei der Reflexion an einer ausgedehnten Grenzfläche das Maximum im reflektierten Signal nur dann, wenn der Fokuspunkt Fj in einem Abstand von einigen Millimetern nach der Grenzfläche platziert wird. Diesen Nachteil überwindend, lässt sich der Abstand der reflektierenden Grenzfläche durch Messung mit einem kleinen Empfänger in Form des erfindungsgemäß einge- brachten Zentralempfangselementes 15 bestimmen. Bei Darstellung der empfangenen Schalldruckamplitude als Funktion des elektronischen Fokuspunktes lassen sich bei Fokuspunkten in der Nähe der reflektierenden Grenzfläche fokale Maxima und Minima feststellen, die zur Bestimmung der Schichtdicke dMed verwendbar sind (Fig. 9, Fig. 10). Die aufgenommenen Schalldruckamplituden-Kurven können dabei auch von der Geometrie und der Frequenz der sendenden Elemente 31 , 32, 33 abhängen. Die in Fig. 8c angegebene Kalibriereinheit 9 kann eine Recheneinheit 91 zur Berechnung der Kalibrierkurven und/oder eine Messeinheit 92 zur Bestimmung der Kalibrierkurven enthalten.
Die Funktionsweise der zweiten Anordnung 20 wird durch folgendes Verfahren begleitet:
In dem Verfahren zur kombinierten Bestimmung von Schallgeschwindigkeiten Ciwed und Schichtdicken dMed in dem Medium 4 mit den Schichten 41, 42 mittels Ultraschall werden unter Einsatz der zweiten Anordnung 20 folgende Schritte A, B, C, D reali- siert:
A. Schrittweise Fokussierung:
Ein Sendesignalgenerator 1 fokussiert allein oder in Zusammenarbeit mit einer Aufnahmeeinheit 7 den entstehenden Ultraschall schrittweise entlang der Schallkopfachse 12 des Ultraschallwandlers 3 auf einzelne Fokuspunkte F1, F2, F3, die wahl- weise vor, auf und hinter der hinteren Grenzfläche G2 oder G3 der zu untersuchenden Schicht 41 oder 42 platziert werden, wobei die jeweils vorderen Grenzflächen G1 und G2 sind.
B. Kalibrierung:
Vor der Auswertung wird entweder durch Simulationsrechnung oder durch Messung des von einer festen Kalibrierwand 16 reflektierten Ultraschalls gemäß Fig. 8c und Fig. 8d, der von dem für die folgenden Messungen eingesetzten Ultraschallwandler 3 erzeugt wird, auf dem Zentralempfangselement 15 für unterschiedliche Fokuspunkte F-iw, F2W, F3W bestimmt und als Funktion der elektronischen Fokussierung dargestellt und die elektronische Fokuseinstellung für das Maximum ermittelt, wobei durch Vari- ation des Abstandes a-ιW, a^, a3w der Kalibrierwand 16 und durch Wiederholung des Vorganges Kalibrierkurven für die verschiedenen Schichtdicken dw des Kalibriermediums W vor der Kalibrierwand 16 erstellt werden.
C. Aufnahme:
Eine Aufnahmeeinheit 7 misst z.B. im Fall der zu untersuchenden Schicht 41 die Schalllaufzeit tu zwischen vorderer Grenzfläche G1 und hinterer Grenzfläche G2 der
Schicht 41 mit zu bestimmender Schichtdicke dMed4i und mit zu bestimmender Schallgeschwindigkeit cMed4i, wobei durch die schrittweise Verschiebung des Fokuspunkts F1, F2, F3 entlang der Schallkopfachse 12 für den jeweiligen Fokuspunkt F1, F2, F3 das reflektierte Signal auf dem Zenträlempfangselement 15 registriert wird, wobei daraus die Schalldruckamplitude für das Zenträlempfangselement 15 für jeden Fokuspunkt F1, F2, F3 ermittelt und die so ermittelte Schalldruckamplituden für das Zenträlempfangselement 15 als Funktion der elektronischen Fokussierung dargestellt werden, wie in den Fig. 10 gezeigt ist. D. Auswertung: Eine Auswerteeinheit 8 stellt bei der ermittelten Schalldruckamplituden-Kurve die lokalen Maxima und Minima fest und ermittelt daraus unter Zuhilfenahme der Kalibrierungskurven den äquivalenten Abstand aw der reflektierenden Grenzfläche 16 bezüglich des Kalibriermediums W und wobei aus der gemessenen Schalllaufzeit t zwischen vorderer Grenzfläche G1 und hinterer Grenzfläche G2 der zu untersuchenden Schicht 41 und der ermittelten äquivalenten Schichtdicke dw bezüglich des Ka- libriermediums W die Schallgeschwindigkeit cMed4i in der zu untersuchenden Schicht 41 und deren Schichtdicke dMecwi bestimmt werden.
Für einen Einzelelemente-Ultraschallwandler mit dem Zenträlempfangselement 15 oder für einen unfokussierten oder vorfokussierten Mehrelemente-Ultraschall- wandler 3 mit dem Zenträlempfangselement 15 kann die Veränderung des Abstandes der Fokuspunkte F1 vom Ultraschallwandler 3 allein oder zusätzlich durch mechanische Verschiebung des Ultraschallwandlers 3 in Richtung seiner Schallkopfachse 12 erfolgen, wobei der Ultraschallwandler 3 mit einer Verschiebeeinrichtung (nicht eingezeichnet) in Verbindung stehen kann, die den Ultraschallwandler 3 längs der Schallkopfachse 12 verschiebt, um den Fokuspunkt zu verschieben.
Bei einem Medium 4 mit zwei zu untersuchenden Schichten 41, 42 erfolgt die Bestimmung der Schallgeschwindigkeit cMed4i, cMed42 und der Schichtdicke dMed4i, dMed42 in den einzelnen Schichten 41 , 42 sukzessiv von der dem Ultraschallwandler 3 am nächsten liegenden Schicht 41 an sich entfernend, wobei zur Berechnung der Schallgeschwindigkeit cMed und der Schichtdicke dMβd in beiden Fällen die Gleichungen (VIII) und (IX) gelten
^Med ~ i t w
(VIII)
dMed= (dw- VL) _^
CMed (IX)
wobei dw der aus der Fokussierung ermittelte äquivalente Schichtdickenabstand bezüglich des Kalibriermediums W, Cw die Schallgeschwindigkeit im Kalibriermedium W1 VL die Schichtdicke des Vorlaufs bezogen auf das Kalibriermedium W und t=t_n die einfache Schalllaufzeit zwischen vorderer Grenzfläche G1 und hinterer Grenzflä- che G2 der zu ersten Schicht 41 und t=U2 die einfache Schalllaufzeit zwischen vorderer Grenzfläche G2 und hinterer Grenzfläche G3 der zweiten Schicht 42 sind.
Bei der Fokussierung erfolgt die Änderung des Abstandes der Fokuspunkte Fj vom Ultraschallwandler 3 aus durch einen der folgenden Schritte, wobei a) eine elektronische Sendefokussierung des Ultraschalls durch eine dem Zeitverzögerungsregime V1, V2, V3, ... entsprechende zeitversetzte Änsteuerung der drei Einzelwandlerelemente 31, 32, 33 derart realisiert wird, dass die von den Einzelwandlerelementen 31, 32, 33 ausgehenden Ultraschallwellen sich in den Fokuspunkten F1, F2 , F3... konstruktiv überlagern, d.h. z.B. mit dem Zeitverzögerungs- regime V1 wird der Fokuspunkt F1 im zu untersuchenden Medium und der Fokuspunkt FJW im Kalibriermedium W erzeugt, oder b) eine synthetische Fokussierung des Ultraschalls durch Aufnahme des von jedem einzelnen Element 31, 32, 33 auf dem Zentralempfangselement 15 erzeugten Echosignals und anschließender Überlagerung der Echosignale entsprechend dem Zeitverzögerungsregime V1, V2, V3, ... realisiert wird.
In den folgenden Beispielen wird zur gleichzeitigen Bestimmung der Schichtdicke diued und der Schallgeschwindigkeit CMed ein Ultraschallwandler 3 mit einer Ringele- menteanordnung eingesetzt. Dafür werden zuerst Kalibrierungskurven, wie in Fig. 9 gezeigt, berechnet. Bei der Berechnung wird angenommen, dass sich in einem Wasserbad in einem definierten Abstand parallel zu den sendenden Elementen 31 , 32, 33 eine dicke Platte 16 als Kalibrierwand befindet, bei der im Beobachtungszeitraum keine Reflexion von der Plattenrückwand an den Empfangselementen ankommt. Durch elektronische Fokussierung oder durch synthetische Fokussierung wird der Fokuspunkt F1, F2, F3 entlang der Schallkopfachse 12 vor, auf und hinter der vorderen reflektierenden Fläche der Platte 16 platziert und eine Schalldruckamplituden- Kurve bezüglich des Zentralempfangselements 15 - eines kleinen zentralen Empfän- gers im Bereich der Schallkopfachse 12 - bestimmt.
Die elektronische Fokussierung wird dabei direkt durch eine zeitverzögerte Ansteuerung der Elemente mit Verzögerungszeiten entsprechend dem jeweiligen Zeitverzögerungsregime durchgeführt. Bei der synthetischen Fokussierung, wobei alle Sendeelemente 31, 32, 33 einzeln nacheinander senden, werden die einzelnen reflektierten Signale von dem Zentralempfangselement 15 registriert und die einzelnen Signale für die einzelnen Sendeelemente 31, 32, 33 phasenverschoben entsprechend dem jeweiligen Zeitverzögerungsregime überlagert. Der Vorgang wird für verschiedene Abstände der Platte 16 von den Sendeelementen 31 , 32, 33 wiederholt.
Tabelle 5 zeigt den Zusammenhang zwischen Schichtdicke aw = dw und elektronischem Fokus Fok beim lokalen Maximum in den Schalldruckamplituden-Kurven für das Kalibriermedium Wasser W.
Tabelle 5
Abstand aw der Elektronische
Platte 16 in Fokussierung
Wasser W Fok bei lokalem
Maximum
Figure imgf000049_0001
So ergeben sich die zwei Schalldruckamplituden-Kurven in Fig. 9 für einen Wandabstand aw von 10mm und 13mm, wobei der Wandabstand aw gleich der Schichtdicke dw des Kalibriermediums W ist, wenn sich an den Ultraschallwandler 3 unmittelbar die Schicht des Kalibriermediums W anschließt. Der Vergleich von Fig. 9a und 9b zeigt die Abhängigkeit des Kurvenverlaufs von der Geometrie der Sende- /Empfangselemente - 31 (inneres Element), 32 (mittleres Element), 33 (äußeres Element) - des Ultraschallwandlers 3. Die in Fig. 9a und 9b aufgenommenen Kalibrierkurven zeigen vor und hinter der re- flektierenden Wand 16 ein lokales Minimum. Das lokale Maximum stimmt nicht exakt mit dem abgelesenen Fokuspunkt überein, aber da bei den Kalibrierungsrechnungen bzw. -messungen der Abstand aw der Platte 16 von den Sendeelementen 31, 32, 33 vorgegeben ist, lässt sich der elektronische Fokus Fok beim Maximum einer Wasserschichtdicke dw (= Abstand der Wand 16 vom Ultraschallwandler 3 für Kalibrier- medium Wasser W) zuordnen. Bei einem Durchmesser dus = 12mm des Ultraschallwandlers 3 und bei einem Abstand aw=13mm liegt das Maximum M13 bei einem elektronischen Fokus Fok=12mm und bei einem Abstand aw=10mm liegt das Maximum M10 bei Fok=10,5mm, wie in Fig. 9a gezeigt ist. In Fig. 9b beträgt der Durchmesser dus=11mm des Ultraschallwandlers 3 und das lokale Maximum M10 liegt bei Fok = 9mm. Der Abstand aw stellt zugleich die Schichtdicke dw des Kalibriermediums W dar.
Wenn bei einer Schicht 42 eines anderen Mediums mit zu bestimmender Schichtdicke dMed42 und zu bestimmender Schallgeschwindigkeit cMed42 schrittweise fokussiert wird und eine Schalldruckamplituden-Kurve als Funktion der elektronischen Fokus- sierung aufgenommen wird, ergibt sich eine ähnliche Schalldruckamplituden-Kurve wie in Wasser. Auch hier treten lokale Maxima und Minima auf. Wird die Fokussie- rung beim lokalen Maximum abgelesen und mit den Kalibrierungskurven für Wasser verglichen, so kann die Kalibrierkurve für Wasser herausgesucht werden, bei der bei der gleichen Fokussierung und gleichem Zeitverzögerungsregime in Wasser ein lokales Maximum auftritt.
Das heißt, es wird der zu untersuchenden Schicht 42 eine äquivalente Wasser- schichtdicke dw zugeordnet. Diese hängt mit der zu bestimmenden Schichtdicke dMed∞ der Schicht 42 über die Gleichung (X) zusammen:
CMed (X)
wobei d für den Abstand oder die Schichtdicke, c für die Schallgeschwindigkeit und der Index W für das Kalibriermedium Wasser und Med für das zu untersuchende Medium in der Schicht 42 stehen.
Eine zweite Information wird aus der Schalllaufzeit tMed gemäß Gleichung (Xl) erhalten n _ dMed cMed ~ . Med ' (Xl)1
wobei tMed die gemessene einfache Schalllaufzeit in der zu untersuchenden Schicht 42 ist.
Mithilfe der Gleichungen (X) und (Xl) lassen sich die Schichtdicke dMed42 und die Schallgeschwindigkeit CMed42 der Schicht 42 bestimmen.
Handelt es sich um ein mehrschichtiges Medium 4, z.B. um ein zweischichtiges mit den unbekannten Schichten 41 und 42, wie in den Fig. 8a und 8b gezeigt, so werden in Richtung vom Ultraschallwandler 3 ausgehend die Schichtdicken dMed4i, dMed42 und die Schallgeschwindigkeiten cMed4i, cMed42 bestimmt. Die Gleichungen (X) und (Xl) gehen für ein zweischichtiges System 41, 42 in die Gleichungen (XII) und (XIII) über
Figure imgf000051_0001
JMed -VL cMed ~ t (XHI)
VL steht für die Schichtdicke des Vorlaufs.
Wird Gleichung (XIII) in Gleichung (XII) eingesetzt, so ergibt sich eine Gleichung (XIV) zur Berechnung der Schallgeschwindigkeit cMed des Mediums 4 in der jeweils zu untersuchenden Schicht 41 und 42
2 dw- VL
C Λfed = Cyy
(XIV).
Fig. 10a zeigt die aufgenommene Schalldruckamplituden-Kurve von einer zu untersuchenden Gewebeschicht (tatsächliche Werte: Schallgeschwindigkeit cMed von c=1620m/s und eine Schichtdicke dwied von 5mm) nach einem Wasservorlauf VL von 5mm. Es wird davon ausgegangen, dass die Schichtdicke dMed und die Schallgeschwindigkeit CMed nicht vorgegeben sind. Bei der Messung wird die Schalllaufzeit t für den einfachen Laufweg zwischen vorderer Grenzfläche G2 und hinterer Grenzfläche G3 der zu untersuchenden Schicht 42 ermittelt t = 3,09- ICT6S und die Schall- druckamplitudenkurve durch schrittweise Fokussierung aufgenommen. Der Schalldruck auf dem Zentralempfangselement 15 als Funktion der elektronischen Fokussierung ist in Fig. 10a dargestellt. Es wird die Lage des lokalen Maxi- mums MG5 für Fok=10,9mm entnommen. Damit ergibt sich durch Interpolation der Werte in Tabelle 5 eine Schichtdicke bezüglich Wasser von aw = dw= 10,8 mm. Entsprechend Gleichung (XIV) ergeben sich damit eine Geschwindigkeit cMed von 1649m/s und eine Schichtdicke dMed von 5,1mm.
Die in Fig. 10b aufgenommene Schalldruckamplituden-Kurve für eine Gewebeschicht (8mm Dicke, c=1620m/s) bei einem Wasservorlauf mit der Schichtdicke VL von 5mm hat ein lokales Maximum MG8 bei Fok=12,5mm. Für die Schallgeschwindigkeit cMed ergibt sich 1653 m/s und eine Schichtdicke dMed von 8,17mm.
Die aufgenommene Schalldruckamplituden-Kurve in Fig. 10c für eine Plexiglas- Schicht (5mm Dicke, c=2730m/s) bei einem Wasservorlauf mit der Schichtdicke VL von 5mm hat das lokale Maximum MP5 bei Fok=12,7mm. Für die Schallgeschwindigkeit CMed ergibt sich c=2775 m/s und eine Schichtdicke dMed von 5,11mm.
Das Verfahren mit dem Zentralempfangselement 15 dient zur kombinierten Bestim- mung von Schallgeschwindigkeiten und Schichtdicken aus der Messung von Abständen in einer Schicht auch in mehrschichtigen Flüssigkeitsgemischen. Im Messbereich müssen Grenzflächen vorhanden sein, auf Streupartikel kann verzichtet werden. Es werden die Echosignale der Grenzflächen genutzt, mit denen nach Auswertung eine exakte Größen- und Lagebestimmung von Grenzflächen möglich wird, was zu einer wesentlichen Verbesserung der Abbildungsverfahren führt. Es kann z.B. zur Bestimmung von Schichtdicken in und von unbekannten Materialien eingesetzt werden und liefert gleichzeitig die zugehörigen Materialparameter. Außerdem können die Materialparameter und der Aufbau von unbekannten Schichtsystemen zerstörungsfrei bestimmt werden.
Beide Verfahren sind auch in Kombination gemeinsam einsetzbar und erhöhen gegenseitig die Genauigkeit.
Bezugszeichenliste
1 Sendesignalgenerator
2 Sende-Empfangs-Weiche
3 Ultraschallwaπdler 31 inneres Element
32 mittleres Element
33 äußeres Element
4 Medium
41 erstes Medium 42 zweites Medium
5 Punktreflektoren
51 erster Punktreflektor
52 zweiter Punktreflektor
6 Verstärkungseinheit 7 Aufnahmeeinheit
8 Auswerteeinheit
9 Kalibriereinheit
91 Messeinheit
92 Recheneinheit 10 erste Anordnung
11 Grenzfläche
12 Schallkopfachse
13 Linie
14 Kanäle 15 Zentralempfangselement
16 Kalibrierwand
17 Ultraschalllinse
18 Signalleitung
20 modifizierte zweite Anordnung W Kalibriermedium x Koordinate y Koordinate z Koordinate/Fokusabstand r Radius eines Punktreflektors v Fokuspunktabstand p normiertes Maximum
Fj Fokuspunkt
Fjw Fokuspunkt bei Kalibrierung
Fok elektronischer Fokuspunkt
VL auf das Kalibriermedium bezogene Wegstrecke/Schichtdicke vom Ultraschall- wandler aus bis zu der dem Punktreflektor vorgelagerten Grenzfläche d Durchmesser des inneren Elements 31
Cw Schallgeschwindigkeit des Kalibriermediums
CMed Schallgeschwindigkeit des zu untersuchenden Mediums λ Wellenlänge des Ultraschalls f Mittenfrequenz des Ultraschalls t Zeit m Anzahl der Kanäle n Anzahl der Elemente des Ultraschallwandlers
CMed Schallgeschwindigkeit des zu untersuchenden Mediums aMed Abstand im Medium
Cw Schallgeschwindigkeit des Kalibriermediums aw Abstand im Kalibriermedium / Abstand umgerechnet auf das Kalibriermedium aWj Abstand des Punktreflektors vom Ultraschallwandler beim Kalibrieren,
Abstand des Punktreflektors vom Ultraschallwandler umgerechnet auf das Ka- libriermedium
Vmax(aMj) Fokussierungsregime, bei dem das Maximum des vom Punktreflektor reflektierten Ultraschalls im unbekannten Medium auftritt
Vmaχ(aWj) Fokussierungsregime, bei dem das Maximum des vom Punktreflektor reflektierten Ultraschalls im Kalibriermedium auftritt T tabellarischer Zusammenhang zwischen dem Abstand des Punktreflektors im Kalibriermedium und dem Fokussierungsregime Fok berechneter Abstand bezüglich des Kalibriermediums, bei dem der
Fokuspunkt entsprechend den verwendeten Ansteuerzeiten liegt
V Differenz der Fokuspunktlagen in Wasser und Plexiglas
VI Zeitverzögerungsregime dw Schichtdicke bezüglich des Kalibriermediums dMed Schichtdicke des zu untersuchenden Mediums dus Durchmesser des Ultraschallwandlers dz Durchmesser des Zentralempfangselements
G1 Grenzfläche G2 Grenzfläche
G3 Grenzfläche
M lokales Maximum
MG lokales Maximum einer Schalldruckamplitudenkurve für eine Gewebeschicht
MP lokales Maximum einer Schalldruckamplitudenkurve für eine Plexiglas- schicht

Claims

Patentansprüche
1. Anordnung (10) zur kombinierten Bestimmung von Schallgeschwindigkeiten und Abständen in Medien (4, 41 , 42, W) mittels Ultraschall, bestehend aus
- einem Sendesignalgenerator (1), der auf m ≥ 1 Kanälen (14) elektrische Sendesignale erzeugt,
- wahlweise einer Sende-Empfangs-Weiche (2) zur Umschaltung zwischen elektrischen Sendesignalen und elektrischen Empfangssignalen,
- einem Ultraschallwandler (3) mit n > 1 Elementen (31, 32, 33), der die elektrischen Sendesignale vom Sendesignalgenerator (1) erhält, wobei die angesteuerten Elemente (31, 32, 33) des Ultraschallwandlers (3) eine Ultraschallwelle in das zu untersuchende Medium (4, 41, 42, W) mit fester oder ortveränderlicher Schallgeschwindigkeit senden und wobei die reflektierte Ultraschallwelle mit mindestens einem Element des Ultraschallwandlers empfangen und in elektrische Empfangssignale gewandelt wird, und
- einer Verstärkungseinheit (6), die die elektrischen Empfangssignale von mindestens einem einzelnen Element (31, 32, 33) des Ultraschallwandlers (3) er- hält und verstärkt, und
- einer Aufnahmeeinheit (7), in der eine Analog-Digital-Wandlung der Empfangssignale in digitalen Signale erfolgt, und
- einer Auswerteeinheit (8), die die aus der Aufnahmeeinheit (7) weitergeleiteten digitalen Signale zur Auswertung erhält, dadurch gekennzeichnet, dass der Sendesignalgenerator (1) allein in Form von elektronischer Fokussierung oder in Zusammenarbeit mit der Aufnahmeeinheit (7) in Form von synthetischer Fokussierung den erzeugten Ultraschallfokus schrittweise entlang der Achse (12) des Ultraschallwandlers (3) auf einzelne Fokuspunkte (Fi) im Abstand vom Ultra- schallwandler (3) fokussiert, dass eine Kalibriereinheit (9) vorgesehen ist, die beim Erstellen der Kalibrierdaten entweder durch Simulationsrechnung oder durch Messung mit Hilfe der Aufnahmeeinheit (7) die für einen in einem Kalibriermedium (W) befindlichen Punktreflektor (5) den Zusammenhang zwischen dem verwendeten Fokussierungsregime (Vmax(awj)), bei dem die Amplitude des reflektierten Ultraschalls maximal wird, und dem jeweils gewählten Abstand (aWj) des Punktreflektors (5) vom Ultraschallwandler (3) im Kalibriermedium (W) liefert und als Tabelle (T) zusammenstellt, dass die Aufnahmeeinheit (7) die Schalllaufzeit vom Ultraschallwandler (3) zum Punktreflektor (5) in dem Medium (4) im Abstand (aMj) misst und durch schrittweise Fokussierung für jedes Fokussierungsregime (Vj) die Amplitude des reflektierten Schalls bestimmt, und dass die Auswerteeinheit (8) für einen im Medium (4) befindlichen Punktreflektor (5) von der Aufnahmeeinheit (7) das Fokussierungsregime (Vmax(aMj)) erhält, bei dem die Amplitude des reflektierten Ultraschalls maximal wird, und aus der von der Kalibriereinheit bereitgestellten Tabelle (T) den Abstand des Punktreflektors (5) bezüglich des Kalibriermediums (W) ermittelt, aus der von der Aufnahmeeinheit (7) im Medium (4) gemessenen Schalllaufzeit (tj) und dem ermittelten Punktreflektorabstand (aWj) bezüglich des Kalibriermediums (W) die mittlere Schallgeschwindigkeit im Medium (4) bis zum Punktreflektor (5) und den Abstand (aMj) des Punktre- flektors (5) vom Ultraschallwandler (3) ermittelt und durch Bestimmung dieser Parameter für Punktreflektoren (5) an unterschiedlichen Orten die ortsveränderliche Schallgeschwindigkeit (cMed) bestimmt.
2. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das zu untersuchende Medium (4) aus einer oder mehreren Schichten (41 , 42) mit unterschiedlichen Schallgeschwindigkeiten besteht und das Medium (4) mit Punktreflektoren (5, 51, 52) zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit vor dem Punktreflektor (5) ausgebildet ist, wobei die Schallgeschwindigkeit (cMed) des Mediums (4) entsprechend Gleichung (IM) c - 1"" -71 C (III)
ermittelt wird, wobei aw der Abstand des jeweiligen Punktreflektors (5, 51 , 52) vom Ultraschallwandler (3) bezüglich des Kalibriermediums (W) ist, und wobei der Abstand (aw) aus dem Fokussierungsregime (Vmax(aw)) ermittelt wird, und wobei der Vorlauf (VL) die Wegstrecke bis zu der dem Punktreflektor (5) vorgelagerten Grenzfläche (11) bezogen auf das Kalibriermedium (W) ist, und wobei t die einfache Schalllaufzeit von der dem Punktreflektor (5) vorgelagerten Grenzfläche (11) bis zum Punktreflektor (5) ist, und wobei Cw die Schallgeschwindigkeit des Kalibriermediums (W) ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das zu untersuchende Medium (4) ein Flüssigkeitsgemisch ist, das mit unterscheidbaren Punktreflektoren (5, 51. 52) versehen ist, wobei Schallgeschwin- digkeitsunterschiede auftreten, wobei eine Bestimmung des Abstandes des sich auf der Achse am dichtesten vor dem Ultraschallwandler (3) befindlichen Punktreflektors (51) von Ultraschallwandler (3) und der mittleren Schallgeschwindigkeit (Cvied) zwischen Punktreflektor (5) und Ultraschallwandler (3) mit den Gleichungen (V) und (VI)
Figure imgf000058_0001
erfolgt, wobei aw der Abstand des Punktreflektors (5) vom Ultraschallwandler (3) aus bezüglich des Kalibriermediums (W) ist, und wobei der Abstand (aw) durch das Fokussierungsregime (Vmax(aw)) ermittelt wird, und wobei t die einfache Schalllaufzeit zwischen Ultraschallwandler (3) und dem jeweiligen Punktreflektor (5) ist, und wobei Cw die Schallgeschwindigkeit des Kalibriermediums (W) ist, und eine Wiederholung des Vorgangs für weiter entfernt liegende Punktreflektoren (5) und damit eine Feststellung der mittleren Schallgeschwindigkeit zwischen Ultraschallwandler (3) und Punktreflektorort für jedem Punktreflektorort erfolgt, wobei sich die mittlere Schallgeschwindigkeit (q, j+-ι) zwischen zwei auf der akustischen Schallkopfachse (12) liegenden ö, j+1)-Punktreflektoren (51, 52) über die Gleichung (VII)
Figure imgf000059_0001
berechnen lässt, und wobei tj+i - tj die einfache Schallaufzeit zwischen den zwei Punktreflektoren (51, 52) ist, und wobei aw
Figure imgf000059_0002
α) der Abstand zwischen den beiden Punktreflektoren (51 , 52) bezogen auf das Kalibriermedium (W) ist, wobei bei genügend dichter Verteilung von Punktreflektoren (5) in dem Flüssigkeitsgemisch ein Schallgeschwindigkeitsprofil erstellbar ist.
4. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das zu untersuchende Medium (4) ein Flüssigkeitsgemisch ist, das mit statistisch verteilten Streuteilchen, die anliegen, eingebunden sind, strömen oder diffundieren, versehen ist, wobei somit im zeitlichen Mittel an allen Orten im Medium (4) ausreichend viele Streuteilchen vorhanden sind, wobei die über verschiedene Sendepulse gemittel- te Echosignalamplitude der in einem Fokuspunkt (F; F1, F2, F3) im Mittel befindlichen Streuteilchen für das gewählte Fokussierungsregime die laufzeitproportional zur Anzeige gebrachte Lage des jeweiligen und damit die Schallaufzeit vom Ultraschallwandler (3) zum Fokuspunkt (F; F1, F2, F3) im Medium (4) liefern, und wobei eine Bestimmung der mittleren Schallgeschwindigkeit (CMed) bis zum Fo- kuspunkt (F; Fi, F2, F3) und des Abstandes (aMed) zwischen dem Ultraschallwandler (3) und dem Fokuspunkt (F; F1, F2, F3) mit den Gleichungen (V) und (VI)
(V)
Figure imgf000059_0003
"Med - aw
CMed erfolgt, wobei der Abstand (aw) durch das Fokussierungsregime (Vmax(aw)) festgelegt wird, und wobei t die einfache Schalllaufzeit zwischen Ultraschallwandler (3) und dem jeweiligen Fokuspunkt (F; F-i, F2, F3) ist, und wobei Cw die Schallge- schwindigkeit des Kalibriermediums (W) ist, und eine Wiederholung des Vorgangs für weiter entfernt liegende Fokuspunkte (F-i, F2, F3) und damit eine Feststellung der mittleren Schallgeschwindigkeit zwischen Ultraschallwandler (3) und dem jeweiligen Fokuspunkt (F; F1, F2, F3) und eine Feststellung des Abstandes des jeweiligen Fokuspunktes (F; F1, F2, F3) vom Ultraschallwandler (3) für jedem Fokuspunkt (F; F1, F2, F3) erfolgt, wobei sich die mittlere Schallgeschwindigkeit
(Cj J+1) zwischen zwei (j. J+I)- Fokuspunkten (F; F1) über die Formel
Figure imgf000060_0001
berechnen lässt, wobei tJ+1 - t, die einfache Schallaufzeit zwischen den zwei Fokuspunkten (Fj, FJ+1) ist, und wobei aWj+i-awι der Abstand zwischen den beiden Fokuspunkten (Fj, FJ+1) bezogen auf das Kalibriermedium (W) ist, wobei ein
Schallgeschwindigkeitsprofil erstellbar ist.
5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibriereinheit (9) ausgangsseitig mit der Auswerteeinheit (8) und wahlweise eingangsseitig mit der Aufnahmeeinheit (7) in Verbindung steht, wobei die Kalibriereinheit (9) beim Erstellen der Kalibrierdaten entweder durch Simulationsrechnung oder durch Messung mit Hilfe der Aufnahmeeinheit (7) für einen in einem Kalibriermedium (W) befindlichen Punktreflektor (5) den Zusammenhang zwischen dem verwendeten Fokussierungsregime (Vmaχ(aWj)), bei dem die Amplitude des reflektierten Ultraschalls maximal wird, und dem jeweils gewählten Abstand (aWj) des Punktreflektors (5) vom Ultraschallwandler (3) im Kalibriermedium (W) liefert und als Tabelle (T) zusammenstellt.
6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibriereinheit (9) durch Berechnung oder Messung für einen ruhenden Punktreflektor (5) in dem Kalibriermedium (W) im Abstand (awj) bei definierter Schallgeschwindigkeit durch schrittweise Verschiebung des elektronischen Fokuspunktes (Fi, F2 , F3 ...) die Fokussierung (Vmaχ(aWj)), bestimmt, bei der der reflektierte Ultraschall auf einem einzelnen Element, oder der gesamten Elementeanordnung oder der Zusammenschaltung mehrerer einzelner Elemente (31, 32, 33) ihr Maximum hat und damit den Zusammenhang zwischen elektronischem
Fokuspunktort (Fok) und Abstand des Punktreflektors (5) im Kalibriermedium (W) liefert, und durch schrittweise Änderung des Abstandes (aWi, aW2, aW3 •■■) des Punktreflektors (5) und Wiederholung des Vorganges eine Tabelle (T) bereitstellt, so dass jedem Abstand (aWi, aW2, aW3 ■•■) des Punktreflektors (5) ein elektroni- scher Fokuspunkt (Fok) zugeordnet wird, bei dem das Maximum auftritt.
7. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Punktreflektoren (5, 51, 52) zur Kalibrierung Objekte in der Größenord- nung der Ultraschallwellenlänge (λ) oder geringer sind, die kleiner als die gewählten Fokussierungsschritte und mit anderer Schallkennimpedanz als das zu untersuchende Medium (4, 41, 42) - Metall- oder Glaskügelchen - sind.
8. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (8) aus dem elektronischen Fokuspunkt (Fok) den Abstand des Punktreflektors (5) bezogen auf das Kalibriermedium (W) und daraus unter Zuhilfenahme der gemessenen Signallaufzeit den Abstand (aMed) des Punktreflektors (5) und die Schallgeschwindigkeit (cMed) vor dem Punktreflektor (5) oder zwischen zwei Punktreflektoren (51 , 52) in einem geschichteten Medium
(4) oder Flüssigkeitsgemisch entsprechend den Gleichungen (III) und (IV): c - VL cMed - \ K (III) t cw
aMed = (a W - - VL) (IV)
CMed berechnet.
9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Fall eines mehrschichtigen Mediums (4) ein Vorlauf (VL) vorhanden ist, wobei der Abstand der letzten vor dem Punktreflektor (5) liegenden Grenzfläche (11) zum Ultraschallwandler (3) die Schallgeschwindigkeit (cMed) nach der Grenz- fläche (11) liefert, wobei aMed der Abstand des Punktreflektors (5) zur Grenzfläche
(11) ist, t die einfache Signallaufzeit zwischen dem kugelförmigen Punktreflektor (5) und der Grenzfläche (11) ist, aw der Abstand bezüglich des Kalibriermediums (W) und Cw die Schallgeschwindigkeit im Kalibriermedium (W) sind.
10. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Fall eines Punktreflektors (5) in einem Flüssigkeitsgemisch (4) mit dem Vorlaufsabstand VL=O cMed die mittlere Schallgeschwindigkeit vom Punktreflektor (5) zum Ultraschallwandler (3) liefert, wobei aMed der Abstand des Punktreflektors (5) von dem Ultraschallwandler (3) ist und t die einfache Schallaufzeit ist, wobei durch Wiederholung des Vorgangs für Punktreflektoren (5) mit einem anderen Abstand und damit definiert durch eine andere Schallaufzeit ein Schallgeschwindigkeitsprofil erstellbar ist.
11. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallwandler (3) Elemente (31 , 32, 33) aufweist, die als Ringelementeanordnung oder als Matrixanordnung oder als Linearanordnung ausgeführt sind, so dass eine elektronische Fokussierung (Fok) oder eine synthetische Fo- kussierung möglich ist.
12. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einkopplung des Ultraschalls in ein geschichtetes oder nicht geschichtetes Medium (4) zusätzlich ein Flüssigkeitsvorlauf (VL) vorgesehen ist.
13. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallwandler (3) einen Einzelelementwandler oder eine Elementeanordnung oder eine vorfokussierte Elementeanordnung aufweist, wobei die Veränderung des Fokuspunktortes alleine oder zusätzlich durch mechanische Verschiebung des Ultraschallwandlers (3) erfolgt, wobei der Ultraschallwandler (3) mit einer Verschiebeeinrichtung in Verbindung steht, die den Ultraschallwandler (3) längs der akustischen Schallkopfachse (12) verschiebt.
14. Anordnung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass in der Ringelementeanordnung mindestens ein ringförmiges Element (31 , 32, 33) unterteilt ist, um eine Schräglage des Ultraschallwandlers (3) in Bezug auf die Grenzfläche (11) zu erkennen, um damit zu justieren.
15. Anordnung (20) zur kombinierten Bestimmung von Schallgeschwindigkeiten und Abständen, insbesondere Schichtdicken in Medien (4; 41, 42) mittels Ultraschall, bestehend aus
- einem Sendesignalgenerator (1), der auf m ≥ 1 Kanälen (14) elektrische Sendesignale erzeugt,
- einem Ultraschallwandler (3) mit n > 1 Elementen (31, 32, 33), der die Sende- Signale vom Sendesignalgenerator (1) erhält und dessen angesteuerte Elemente (31 , 32, 33) die Ultraschallwellen in das Medium (4) mit einer Schicht oder mehreren Schichten (41 , 42) sendet, wobei der Ultraschallwandler (3) die reflektierten Ultraschallwellen empfängt und in elektrische Empfangssignale wandelt, und
- einer Verstärkungseinheit (6), die die elektrischen Empfangssignale erhält und verstärkt,
- einer Aufnahmeeinheit (7), die die verstärkten Empfangssignale einer Analog- Digital-Wandlung zur Ausbildung digitaler Signale zuführt, sowie
- einer Auswerteeinheit (8), die die digitalen Signale aus der Aufnahmeeinheit (6) in die Auswertung einbezieht, dadurch gekennzeichnet, dass sich im zentralen Bereich des Ultraschallwandlers (3) im dort inneren Element (31) ein die reflektierten Ultraschallwellen empfangendes Zentralempfangselement (15) befindet, das die in ihm erzeugten elektrischen Empfangssignale an die Verstärkungseinheit (6) weiterleitet, dass der Sendesignalgenerator (1) allein durch eine elektronische Fokussierung oder in Zusammenarbeit mit der Aufnahmeeinheit (7) durch eine synthetische Fokussierung den entstehenden Ultraschallfokus schrittweise entlang der Schallkopfachse (12) des Ultraschallwandlers (3) auf einzelne Fokuspunkte (Fj) fokus- siert, dass eine Kalibriereinheit (9, 91 , 92) vorhanden ist, die entweder durch Simulationsrechnung oder durch Messung mit Hilfe der Aufnahmeeinheit (7) den reflektierten Ultraschall auf dem Zentralempfangselement (15) für den bei den bei den folgenden Messungen eingesetzten Ultraschallwandler (3) mit vorgegebener Elementeanordnung für ein Kalibriermedium (W) mit einer festen Kalibrierwand (16) als Reflektor im Abstand (aw) für die unterschiedlichen
Fokuspunkte (FJW) bestimmt und als Funktion der Fokussierung darstellt, die elektronische Fokuseinstellung für das Maximum ermittelt und durch Variation des Abstandes (aw) der Kalibrierwand (16) und Wiederholung des Vorgangs Kalibrierkurven für die verschiedenen Schichtdicken des Kalibriermediums (W) vor der Kalibrierwand (16) liefert, und dass die Aufnahmeeinheit (7) die Schalllaufzeit (t) zwischen vorderer Grenzfläche (G1, G2) und hinterer Grenzfläche (G2, G3) der zu untersuchenden Schicht (41 , 42) misst und bei Verschiebung des Fokuspunktes (F1) entlang der Achse (12) für den jeweiligen Fokuspunkt (Fi) das reflektierte Signal auf dem Zentralemp- fangselement (15) registriert, woraus die Schalldruckamplitude für das Zentralempfangselement (15) für jeden Fokuspunkt (F1) ermittelt und die so ermittelte Schalldruckamplitude als Funktion der Fokussierung in Form einer Schalldruckamplituden-Kurve dargestellt wird, und dass die Auswerteeinheit (8) aus der durch Messung ermittelten Schalldruckamp- lituden-Kurve die lokalen Maxima und Minima feststellt, daraus unter Zuhilfenahme der Kalibrierungskurven den äquivalenten Abstand (aw) der reflektierenden Grenzfläche bezüglich des Kalibriermediums (W) ermittelt, aus der von der Aufnahmeeinheit (7) gemessenen Schalllaufzeit (U-i, U2) zwischen der vorderen Grenzfläche (G1, G2) und der hinteren Grenzfläche (G2, G3) der zu untersu- chenden Schicht (41, 42) und der ermittelten äquivalenten Schichtdicke (dw) bezüglich des Kalibriermediums (W) die Schallgeschwindigkeit (CM^M-I, CMed42) in der zu untersuchenden Schicht (41, 42) und deren Schichtdicke (dMecwi, dMed42) bestimmt werden.
16. Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Zentralempfangselement (15) zur Bestimmung von Schalldruckamplituden-Kurven vorgesehen ist, wobei die Abmessungen - Durchmesser dz, Seitenlänge - des Zentralempfangselementes (15) im Bereich einer Ultraschallwellenlän- ge in Bezug auf das Medium (4) liegen.
17. Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallwandler (3) als Ringelementeanordnung oder als Matrixanord- nung oder als Linearanordnung ausgeführt ist, so dass eine elektronische Fokussierung oder eine synthetische Fokussierung möglich ist.
18. Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einkopplung des Ultraschalls in das Medium (4) wahlweise ein Flüssig- keitsvorlauf (VL) eingesetzt ist.
19. Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass für einen Einzelelemente-Ultraschallwandler mit dem Zentralempfangsele- ment (15) oder für einen unfokussierten oder vorfokussierten Mehrelemente- Ultraschallwandler mit dem Zentralempfangselement (15) die Veränderung der Fokuspunkte (Fj) allein oder zusätzlich durch mechanische Verschiebung des Ultraschallwandlers (3) in Richtung der Schallkopfachse (12) erfolgt, wobei der Ultraschallwandler (3) mit einer Verschiebeeinrichtung in Verbindung steht, die den UIt- raschallwandler (3) längs der Schallkopfachse (12) verschiebt, um den die Fokuspunkte zu fokussieren.
20. Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierungseinheit (9, 91, 92) entweder durch Simulationsrechnungen für den eingesetzten Ultraschallwandler (3) oder durch Messungen das reflektierte Signal auf dem Zentralempfangselement (15) für das Kalibriermedium (W) mit einer festen Kalibrierwand (16) als Reflektor im Abstand (aiW) für unterschiedliche Fokussierungen mit den Fokuspunkte (F1, F2 , F3, ...) bestimmt, als Funktion der Fokussierung darstellt, die elektronische Fokuseinstellung oder die synthetische Fokuseinstellung für das lokale Maximum ermittelt und durch Variation des Abstandes (a1W| a2w, a3w) der Kalibrierwand (16) und Wiederholung des Vorganges Kalibrierkurven für die verschiedenen Schichtdicken (dw) des Kalibriermediums (W) vor der Kalibrierwand (16) liefert.
21. Anordnung nachAnspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallwandler (3) in Form einer Ringelementeanordnung, bei der mindestens ein ringförmiges Element zusätzlich in Sektoren unterteilt ist, oder durch zusätzlich angebrachte für den Empfang bestimmte Ultraschallwandler Empfang ist, um eine Schräglage des Ultraschallwandlers (3) in Bezug auf die Grenzfläche (G1 , G2, G3) zu erkennen und damit zu justieren.
22.Verfahren zur kombinierten Bestimmung von Schallgeschwindigkeiten und Abständen in Medien (4, 41, 42, W) mittels Ultraschall, unter Einsatz der Anordnung (10) nach den Ansprüchen 1 bis 14, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
A. Schrittweise Fokussierung:
Der Sendesignalgenerator (1) fokussiert allein in Form von elektronischer Fokussierung oder in Zusammenarbeit mit der Aufnahmeeinheit (7) und der Aus- werteeinheit (8) in Form von synthetischer Fokussierung den Ultraschall schrittweise entlang der Schallkopfachse (12) des Ultraschallwandlers (3) auf einzelne Fokuspunkte (Fi, F2, F3).
B. Kalibrierung:
Beim Erstellen der Kalibrierdaten wird entweder durch Simulationsrechnung oder durch Messung mit Hilfe der Aufnahmeeinheit für einen in einem Kalibriermedium (W) befindlichen Punktreflektor (5, 51, 52) der Zusammenhang zwischen dem verwendeten Fokussierungsregime (Vmaχ(awj)), bei dem die Amplitude des reflektierten Ultraschalls maximal wird, und dem jeweils gewählten Abstand (aWj) des Punktreflektors (5) vom Ultraschallwandler (3) im KaIi- briermedium (W) geliefert und als Tabelle (T) zusammenstellt.
C. Aufnahme:
Eine Aufnahmeeinheit (7) erfasst die Schalllaufzeit vom Ultraschallwandler (3) zu einem Punktreflektor (5) oder zu einem Fokuspunkt - bei einem Flüssigkeitsgemisch mit statistisch verteilten Streuteilchen, die strömen oder diffundie- ren, - in einem Medium (4), wobei durch die schrittweise Fokussierung dasjeni- ge Fokussierungsregime (Vj) bestimmt wird, bei dem die Amplitude des reflektierten Ultraschalls für diesen Punktreflektor (5) oder Fokuspunkt maximal wird. D. Auswertung:
In einer Auswerteeinheit (8) erfolgt für einen im zu untersuchenden Medium (4) befindlichen Punktreflektor (5) aus dem ermittelten Fokussierungsregime
(Vmaχ(aMj)) und aus dem von der Kalibriereinheit (9) bereitgestellten tabellarischem Zusammenhang (T) zwischen dem Fokussierungsregime {Vmaχ(aMj)) und dem Abstand des Punktreflektors (5) oder des Fokuspunktes vom Ultraschallwandler (3) in einem Kalibriermedium (W) die Ermittlung des Abstandes des Punktreflektors (5) oder des Fokuspunktes bezüglich des Kalibriermediums
(W).
23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass aus der ermittelten Schalllaufzeit und aus dem ermittelten Punktreflektorabstand oder Fokuspunktabstand bezüglich des Kalibriermediums (W) die Berechnung der mittleren Schallgeschwindigkeit im zu untersuchenden Medium (4, 41 , 42) bis zum jeweiligen Punktreflektorort oder Fokuspunkt sowie des Abstandes des Punktreflektorortes oder des Fokuspunktes vom Ultraschallwandler (3) im zu untersuchenden Medium (4, 41 , 42) durchgeführt wird, wobei anschließend durch die Bestimmung dieser Parameter für mehrere oder alle Punktreflektoren (5) oder der Fokuspunkte an unterschiedlichen Orten die ortsveränderliche Schallgeschwindigkeit in Form eines Schallgeschwindigkeitsprofils durchgeführt wird, und wobei in der Auswerteeinheit (8) aus dem ermittelten Fokussierungsregime
Vmaχ(aMj) und aus dem von der Kalibriereinheit (7) bereitgestellten tabellarischem Zusammenhang (T) zwischen den Fokussierungsregime (Vmax(aWj)) und dem Abstand des Punktreflektors (5) vom Ultraschallwandler (3) in einem Kalibriermedium (W) die Ermittlung des Abstandes des Punktreflektors (5) bezüglich des Kalibriermediums (W) erfolgt, wobei aus der ermittelten Schalllaufzeit (t) und aus dem ermittelten Abstand des Punktreflektors (5) bezüglich des Kalibriermediums (W) die Berechnung der mittleren Schallgeschwindigkeit im zu untersuchenden Medium (4, 41 , 42) bis zum Punktreflektor (5) sowie des Abstandes des Punktreflektors (5) vom Ultraschallwandler (3) durchgeführt wird.
24.Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass anschließend durch die Bestimmung der Abstände für mehrere oder alle Punktreflektoren (5) an unterschiedlichen Orten die ortsveränderliche Schallgeschwindigkeit in Form eines Schallgeschwindigkeitsprofils ermittelt wird.
25. Verfahren nach den Ansprüchen 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass beim Senden die Änderung des Fokuspunktortes durch einen der folgenden Verfahrensschritte durchgeführt wird: a) durch eine elektronische Sendefokussierung des Ultraschalls, die durch eine dem Fokussierungsregime (Vi, V2, V3, ...) entsprechende zeitversetzte Ansteuerung der n einzelnen Elemente (31, 32, 33) dergestalt erfolgt, dass die von den einzelnen Elementen (31, 32, 33) ausgehenden Ultraschallwellen sich in den Abständen der Fokuspunkte (F-i, F2 , F3...) konstruktiv überlagern, b) durch eine synthetische Fokussierung des Ultraschalls, die durch Aufnahme des von jedem einzelnen sendenden Element (31 , 32, 33) auf dem jeweils vorgegebenen empfangenden Element (31, 32, 33) empfangenen Echosignals und anschließender Überlagerung der Echosignale der sendenden Elemente (31, 32, 33) entsprechend dem Fokussierungsregime (V1, V2, V3, ...) realisiert wird.
26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass optional oder zusätzlich zur Sendefokussierung eine Fokussierung im Empfang durchgeführt wird, indem die zu den einzelnen Elementen (31, 32, 33) gehö- rigen gemessenen Echosignale bei der elektronischen Sendefokussierung oder mittels einer Rechnung überlagerten Echosignale bei der synthetischen Fokus- sierung entsprechend dem Fokussierungsregime (V1, V2, V3, ...) zeitverzögert überlagert werden.
27. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme des Empfangssignals entweder durch das innere Element (31) allein oder durch ein anderes Element (32, 33) allein oder durch die Kombination mehrerer Elemente (31 , 32, 33) zusammen in Form einer zeitverzögerten Überlagerung der auf den einzelnen Elementen (31, 32, 33) sich ergebenden Echosignale erfolgt.
28. Verfahren nach Anspruch 22, unter Einsatz der Anordnung (10) nach dem Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zur Schalllaufzeit vom Ultraschallwandler (3) zum jeweiligen Fokuspunkt (F; Fi, F2, F3) im Medium (4) die über verschiedene Sendepulse gemit- telte Echosignalamplitude von jedem Fokuspunkt (F; Fi, F2, F3) ermittelt und an die Auswerteeinheit (8) geleitet wird, und dass die Auswerteeinheit (8) die so für die Fokuspunkte (F; F1, F2, F3) ermittelten Echosignalamplituden mit den von der Kalibriereinheit (9) für die verschiedenen
Fokuspunkte (F; F1, F2, F3) berechneten oder gemessenen Echosignalamplituden vergleicht und daraus die Ultraschalldämpfung des Mediums (4) zwischen je zwei Fokuspunkten (F; F1, F2, F3) berechnet, um die Genauigkeit der Schallgeschwindigkeitsmessungen zu erhöhen und/oder um die Eigenschaften der Flüs- sigkeit oder des Gewebes zu ermitteln.
29. Verfahren nach Anspruch 22, unter Einsatz der Anordnung (10) nach dem Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass für eine feste Fokussierung mit mindestens einem Fokuspunkt (F; F1, F2, F3) die über verschiedene Sendeimpulse gemittelten Echosignalamplituden an die Auswerteeinheit (8) gesendet werden, dass die Auswerteeinheit (8) aus den über verschiedene Sendeimpulse gemittel- ten Echosignalen für eine feste Fokussierung eine von der Schalllaufzeit abhängige Echosignalamplitudenkurve berechnet und dass die Auswerteeinheit (8) aus der so berechneten Echosignalamplitudenkurve die Dämpfung in der Umgebung des Fokuspunktes (F; F1, F2, F3) ermittelt, um nach wahlweiser Wiederholung der Verfahrensschritte für verschiedene Fokus- punkte (F; F1, F2, F3) die Genauigkeit der Schallgeschwindigkeitsmessungen zu erhöhen und/oder um die Eigenschaften der Flüssigkeit oder des Gewebes zu bestimmen. O.Verfahren zur kombinierten Bestimmung von Schallgeschwindigkeiten und Ab- ständen, insbesondere Schichtdicken in Medien (4; 41, 42) mittels Ultraschall, unter Einsatz einer Anordnung (20) nach den Ansprüchen 15 bis 21, mit folgenden Schritten: A. Schrittweise Fokussierung:
Ein Sendesignalgenerator (1) fokussiert allein oder in Zusammenarbeit mit einer Aufnahmeeinheit (7) schrittweise entlang der Schallkopfachse (12) des Ultraschallwandlers (3) auf einzelne Fokuspunkte (F1), die wahlweise vor, auf und hinter der hinteren Grenzfläche (G2, G3) der zu untersuchenden Schicht (41, 42) platziert sind, wobei (G1) und (G2) jeweils die vorderen Grenzflächen der Schichten (41, 42) sind. B. Kalibrierung:
Vor der Auswertung wird entweder durch Simulationsrechnung oder durch Messung des von einer festen Kalibrierwand (16) reflektierten Ultraschalls, der von dem für die folgenden Messungen eingesetzten Ultraschallwandler (3) erzeugt wird, auf einem Zentralempfangselement (15) für unterschiedliche Fokuspunkte (Fj) bestimmt und als Funktion der elektronischen Fokussierung dargestellt und die elektronische Fokuseinstellung für das Maximum ermittelt, wobei durch Va- riation des Abstandes der Kalibrierwand (16) und durch Wiederholung des Vorgangs Kalibrierkurven für die verschiedenen Schichtdicken (dw) des Kalibriermediums (W) vor der Kalibrierwand (16) erstellt werden. C. Aufnahme: Eine Aufnahmeeinheit (7) misst die Schalllaufzeit (tu, U2) zwischen vorderer
Grenzfläche (G1 , G2) und hinterer Grenzfläche (G2, G3) der zu untersuchenden Schicht (41 , 42) mit zu bestimmender Schichtdicke (dMed) und mit zu bestimmender Schallgeschwindigkeit (Cwied), wobei durch eine schrittweise Verschiebung des Fokuspunktes (Fj) entlang der Schallkopfachse (12) für den je- weiligen Fokuspunkt (Fi) das reflektierte Signal auf dem Zentralempfangselement (4) registriert wird, wobei daraus die Schalldruckamplitude für das Zentralempfangselement (15) für jeden Fokuspunkt (Fj) ermittelt und die so ermittelte Schalldruckamplitude für das Zentralempfangselement (15) als Funktion der Fokussierung dargestellt werden. D. Auswertung:
Eine Auswerteeinheit (8) stellt bei der ermittelten Schalldruckamplituden-Kurve die lokalen Maxima und Minima fest und ermittelt daraus unter Zuhilfenahme der Kalibrierungskurven den äquivalenten Abstand der reflektierenden Grenzfläche bezüglich des Kalibriermediums (W) und wobei aus der gemessenen Schalllaufzeit (t-n, t»2) zwischen vorderer Grenzfläche (G 1 , G2) und hinterer
Grenzfläche (G2, G3) der zu untersuchenden Schicht (41 , 42) und der ermittelten äquivalenten Schichtdicke (dw) bezüglich des Kalibriermediums (W) die Schallgeschwindigkeit (cMecwi, cMed42) in der zu untersuchenden Schicht (41, 42) und deren Schichtdicke (dMeCi4i, dιvied42) bestimmt werden.
31. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem mehrschichtigen Medium (41 , 42) die Bestimmung der Schallgeschwindigkeit (cMed4i, cMed42) und der Schichtdicke (dMed4i, dMecW2) in den einzelnen Schichten (41 , 42) sukzessiv von der dem Ultraschallwandler (3) am nächsten liegenden Schicht an sich entfernend erfolgt, wobei zur Berechnung der Schalige- schwindigkeit (cMed) und der Schichtdicke (dMed) die Gleichungen (XV) und (Xl) gelten
_ > dw-VLc
CMed ~ i w
(XV)
dMe,= (dw- VL)^
wobei dw der aus der Fokussierung ermittelte äquivalente Schichtdickenabstand bezüglich des Kalibriermediums (W), Cw die Schallgeschwindigkeit im Kalibriermedium (W), VL die Schichtdicke des Vorlaufs bezogen auf das Kalibriermedium (W) und t die einfache Schalllaufzeit zwischen vorderer Grenzfläche (G 1, G2) und hinterer Grenzfläche (G2, G3) der zu untersuchenden Schicht (41 , 42) sind.
32. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Fokussierung die Änderung der Fokuspunkte (Fj) durch einen der folgende Schritte a) durch eine elektronische Sendefokussierung des Ultraschalls durch eine dem Zeitverzögerungsregime (Vi, V2, V3) entsprechende zeitversetzte Ansteuerung der m Einzelwandlerelemente (31, 32, 33) derart, dass die von den Einzelwandlerelementen (31, 32, 33) ausgehenden Ultraschallwellen sich in den Fokuspunkten (F1, F2 , F3) konstruktiv überlagern, oder b) durch eine synthetische Fokussierung des Ultraschalls durch Aufnahme des von jedem einzelnen Einzelwandlerelement (31, 32, 33) auf dem Zentralempfangselement (15) erzeugten Echosignals und anschließender Überlagerung der Echosignale entsprechend dem Zeitverzögerungsregime (Vi, V2, V3) realisiert werden.
33. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Genauigkeit nach grober Bestimmung der Schallgeschwindigkeit (cMed) durch Einsatz des Kalibriermediums (W) mit einer Schallgeschwindigkeit (cw) ähnlich der grob bestimmten Schallgeschwindigkeit (cMed) erhöht wird.
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