DE2424582A1 - Sende- und empfangsgeraet fuer ultraschallwellen - Google Patents
Sende- und empfangsgeraet fuer ultraschallwellenInfo
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Description
PATENTANWÄLTE HENKEL— KERN — FEILER — HÄNZEL— MÜLLER
ητ>.ττΛηη cnmlin CTDACCTJ O
BAYERISCHE HYPOTHEKEN- UND
TELEFON: (08 11) 66 3197. 66 30 91-92 D-8000 MÜN CHEN 90 POSTSCHECK: MCHN 1621 47-80»
TELEGRAMME: ELLIPSOID MÜNCHEN **
0 1 MAi
Tokyo Sbibaura Electric Co., Ltd. . ' '· '""
Kawäsaki-shi. Japan .
Sende- und Empfangsgerät für Ultraschallwellen
Die Erfindung betrifft ein Sende- und Empfangsgerät für Ultraschallwellen.
Insbesondere handelt es sich um ein derartiges Gerät, das unter■elektronischer Fokussierung der Ultraschallwellen
eine Abtastung mit hoher Geschwindigkeit ermöglicht.
Unter den Ultraschall-Diagnosegeräten, die eine Diagnose durch Abtasten mit Ultraschallwellenstrahlen durchführen, gibt es
ein Gerät, das das sogenannte elektronische Sektorabtastsystem verwendet, bei dem mehrere längliche piezoelektrische Elemente
auf der gleichen Ebene angeordnet sind. Ultraschallwellen-Sendesignalgeneratoren
und Ultraschallwellen-Empfangsdetektoren sind entsprechend mit den piezoelektrischen Elementen
verbunden. Diese piezoelektrischen Elemente werden in einer vorgeschriebenen Reihenfolge mit einer vorgeschriebenen
Zeitverzögerung angeregt, um so die Richtungseigenschaften
der Ultraschallwellenstrahlen zu verändern und auf diese Art ein Sektorabtasten zu erreichen. Bei diesem elektronischen Sektorabtastsystem
erfordert die Vergrößerung eines Gesichtsfeldes eine Verringerung der Breite eines Jeden piezoelektrischen Elements.
Um schärfere Richtungseigenschaften zu erreichen, muß man die Anzahl der piezoelektrischen Elemente erhöhen und außerdem
die gleiche Anzahl von Ultraschallwellen-Sendesignalgene-
Dr.St./ /Ro - 2
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ratoren und Ultraschallwellen-Empfangsdetektoren vorsehen.
Außerdem ist eine entsprechende Anzahl von damit verbundenen elektronischen Schaltkreisen erforderlich, was den Gesamtaufbau
kompliziert macht.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Sende- und Empfangsgerät für Ultraschallwellen zu schaffen, das in der Lage ist, mehrere
• /+
Ultraschallwelle« auf eine Ob;jektsubstanz zu fokussieren und die Objektsubstanz durch die fokussierten Strahlen abzutasten. Die von der Substanz reflektierten Ultraschallwellen können dann in elektrische Signale umgewandelt werden. Das Gerät soll eine hohe Richtgenauigkeit und hohe Auflösungsgenauigkeit bei möglichst geringem Schaltungsaufwand ermöglichen.
Ultraschallwelle« auf eine Ob;jektsubstanz zu fokussieren und die Objektsubstanz durch die fokussierten Strahlen abzutasten. Die von der Substanz reflektierten Ultraschallwellen können dann in elektrische Signale umgewandelt werden. Das Gerät soll eine hohe Richtgenauigkeit und hohe Auflösungsgenauigkeit bei möglichst geringem Schaltungsaufwand ermöglichen.
Die Aufgabe wird bei dem erfindungsgemäßen Sende- und Empfangsgerät
für Ultraschallwellen dadurch erreicht, daß der Verzögerungsimpuls-Signalgenerator
so ausgeführt ist, daß er mehrere Paare von Yerzögerungsimpulssignalen erzeugt, wobei ein Paar
davon die gleiche Verzögerungszeit und eine von einem anderen
Paar unterschiedliche Verzögerungszeit aufweist, und zwar gesteuert durch Steuersignale, die von einer Steuersignal-Generatoreinheit
erzeugt werden. Diese Vielzahl von Verzögerungsimpulssignalen werden entspr-echenden Antriebsimpuls-Generatoreinheiten
zugeführt, von denen entsprechende Hochfrequenz-Antriebsimpulse mit einer Verzögerungszeit erzeugt werden, die der eines
jeden Verzögerungsimpulses entspricht. Es wird ein Schalter-Schaltkreis
betätigt, der die Schaltoperation so ausführt, daß Antriebsimpulse entsprechend vorgeschriebenen elektroakustischen
Wandlerelementen zugeführt werden, um fokussierte Ultraschallwellenstrahlen
zu erzeugen. Dieser Schalter-Schaltkreis wird durch mehrere elektronische Schalter gebildet, die aufeinanderfolgend
für jede vorgeschriebene Anzahl von Schaltern aufgrund der Schalter-Schaltkreissteuersignale geschaltet werden.
Die entsprechenden elektroakustischen Umsetzerelemente erzeugen
+) strahlen
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Informationssignale in entsprechend vorgeschriebenen Verzögerungszeiten
nach Empfang der reflektierten Ultraschallwellenstrahlen.
Die entsprechenden Informationssignale werden über äen Schalter-Schaltkreis einem Ultraschallwellen-Empfängerdetektor
zugeführt. Der Detektor umfaßt einen elektronischen Schalter-Schaltkreis, der entsprechende Informationssignale
einem entsprechenden Verzögerungsschaltkreis zuführt, um so die Verzögerungszeiten der Informationssignale zu entzerren.
Die hinsichtlich der Verzögerungszeit entzerrten Informationssignale werden zusammengesetzt und einem Anzeigegerät zugeführt.
Ein tieferes Verständnis der Erfindung erhält man anhand der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen. Es
zeigt:
Pig. 1 ein Schaltdiagramm des Ultraschallwellen-Senders des
erfindungsgemäßen Geräts;
Fig. 2 ein Schaltdiagramm des Ultraschallwellen-Senders, der
zum Antrieb von jeweils sechs piezoelektrischen Elementen vorgesehen ist, um fokussierte Ultraschallwellen
zu erzeugen;
Fig. 3 ein Schaltdiagramm zur Darstellung der Steuerimpuls-&eneratoreinheiten
und der Antriebsimpuls-&eneratoreinheiten
der Fig. 2;
Fig. 4 Zeitdiagramme der von den entsprechenden Teilen des Schaltdiagramms der Fig. 3 erzeugten Signale;
Fig. 5 den Zusammenhang zwischen den Verzögerungszeiten des
Verzögerungsschaltkreises und dem Punkt, auf dem die Ultraschallwellenstrahlen fokussiert werden;
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Fig. 6 ein graphisches Diagramm zur Darstellung der Beziehung
zwischen der Verzögerungszeit und einer Entfernung χ zwischen dem Brennpunkt der Ultraschallwellenstrahlen
und den Ebenen der piezoelektrischen Elemente;
Fig. 7 ein Schaltkreisdiagramm zur Darstellung der Schaltkreisanordnung
des Schalter-Schaltkreises nach Fig. 2j
Fig. 8A ein Blocksehaltdiagramm zur Darstellung eines Schalter-Schaltkreises,
der den Signalgenerator zur Erzeugung von Steuersignalen für die Steuerung des Schalter-Schaltkreises
der Fig. 7 steuert}
Fig. 8B Diagramme der von entsprechenden Teilen der Fig. 8A erzeugten Signale?
Fig. 9 ein Schaltdiagramm zur Darstellung der Ultraschallwellen-Empfangs
schaltung des Ultraschallsende- und -empfangsgerätes gemäß der Erfindung;
Fig. 10 ein Schaltdiagramm zur Darstellung des Schalter-Schaltkreises
für die empfangenen Informationssignale des Ultraschallwellen-Empfangsschaltkreises der Fig. 9»
Fig. 11A ein Schaltkreisdiagramm zur Darstellung eines Ultraschallwellenempfangssignal-Schalterschaltkreises
zur Steuerung des Signalgenerators für die Steuerung des Ultraschallwellenempfangssignal-Schalterschaltkreises
der Fig. 10}
Fig. 11BZeitdiagramme der dem Schaltkreis derFig. 10 zugeführten
Signale; und
Fig. 12 ein graphisches Diagramm zur Illustration der Richtungseigenschaften des Ultraschallwellen-Sendeschaltkreises
des erfindungsgemäßen Gerätes.
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In Fig. 1 ist eine Steuersignal-Generatoreinheit 50 so aufgebaut,
daß sie Taktimpulssignale 01, C2, 03 ..... Cn aufeinanderfolgend
zu den vorgeschriebenen Zeitintervallen erzeugt, und ein Verzögerungsimpuls-Generator 51 ist so aufgebaut, daß
er mehrere Verzögerungsimpulssignale d1, d2, d3 dn aufgrund der entsprechenden Steuerimpulssignale der genannten
Steuersignal-Generatoreinheit 50 erzeugt. Die Verzögerungsimpulssignale
werden entsprechenden Antriebsimpuls-Generatorein-
heiten P1, P2, P3 Pn zugeführt, die so aufgebaut sind,
daß sie aufgrund der entsprechenden Verzögerungsimpulssignale Antriebs impulse erzeugen. Der Ausgang der genannten Antriebsimpuls-Generatoreinheit
P1 ist über Schalter S1, Sm+1,.·· des Schalter-Schaltkreises 52 mit Elementen 1, m+1,... einer Vielzahl
von elektroakustischen Wandlerelementen, z.B. piezoelektrischen Elementen,, verbunden, die aufeinanderfolgend in der gleichen
Ebene angeordnet sind. Der Ausgang der Antriebsimpuls-Generatoreinheit
P2 ist über Schalter S2, Sm+2,... mit Elementen 2, m+2,... verbunden. In gleicher Weise sind die Antriebsimpuls-Generatoreinheiten
P3 bis Pn über entsprechende Schalter mit elektroakustischen Wandlerelementen verbunden.
Wenn in der oben dargestellten Schaltkreiskonstruktion von den Antriebsimpuls-Generatoreinheiten Pt bis Pn in entsprechend
vorgeschriebenen Verzögerungszeiten Antriebsimpulse erzeugt werden, und wenn z.B. eine Anzahl m von Schaltern S1, S2, ....
..Sm geschlossen sind und die verbleibenden Schalter geöffnet sind, werden die elektroakustischen Wandlerelemente 1, 2, 3,
m so in Betrieb gesetzt, daß sie einen Ultraschallwellenstrahl erzeugen, der auf einen vorgeschriebenen Punkt fokus·?
siert ist. Wenn dann darauffolgend die Schalter S2, S3
..Sm+1 geschlossen werden und die verbleibenden Schalter geöffnet sind und die Verzögerungszeiten der Verzögerungsimpulse,
die entsprechend den Antriebsimpuls-Generatoreinheiten P1 bis Pn zugeführt werden, von Impuls zu Impuls verschoben werden, wird
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der Brennpunkt der Ultraschallwellenstrahlen in eine Stellung verschoben, die um ein elektroakustisch.es Wandlerelement parallel
zur Anordnung der Elemente verschoben ist. Wenn in der oben beschriebenen Weise die geschlossenen Schalter des Schaltungs-Schaltkreises
um jeweils einen verschoben sind und wenn gleichzeitig die Verzögerungszeiten der Terzögerungsimpulse um
jeweils einen Impuls verschoben sind, um wiederum die elektroakustischen Wandlerelemente in Betrieb zu setzen, wird der
Brennpunkt der Ultraschallwellen dazu gebracht, die Objektsubstanz
parallel zur Anordnung der Elemente abzutasten.
Pur eine genauere Erläuterung der Erfindung soll nun anhand
der Fig. 2 und 3 ein.Gerät beschrieben werden, bei dem die piezoelektrischen Elemente in einer Weise angetrieben werden,
daß jeweils eine Verschiebung um Einheiten von sechs Elementen entsteht, um auf diese Weise das Abtasten mittels der fokussierten
Ultraschallwellen zu erreichen.
In Fig. 2 sind die Steuerimpuls-Generator einheit 5Ö, der Verzögerungsimpuls-Generator
51, die Impulsgeneratoreinheiten P1 bis P6, der elektronische Schalter-Schaltkreis 52 und die
elektroakustische Wandlereinheit 53 in der gleichen Weise miteinander
verbunden, wie es in Fig. 1 gezeigt ist. In Pig. 3 sind die konkreten Schaltkreiskonstruktionen der Steuerimpuls-Generatoreinheit
50 und des Verzögerungsimpuls-Generators 51 ge- . zeigt. Die Steuerimpuls-Generatoreinheit 50 ist so aufgebaut,
daß Taktimpulssignale von einem Taktimpuls-Generator 501 einem Schieberegister 502, einem Zähler 503 und Verzögerungs-Schaltkreisen
170, 171 und 172 zugeführt werden. Die Ausgänge des Zählers 503 werden den Eingängen von einem NAHD-Tor 504 zugeführt,
dessen Ausgang mit einem Eingang eines NAND-Tores 505
verbunden ist, dessen Ausgang einem Schieberegister 502 zugeführt wird. Die Ausgangssignale C1 bis C6, die von dem Register
502 erzeugt werden, werden einem Verzögerungsimpuls-Generator
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zugeführt, und das Aus gangs signal G6 wird zudem noch dem
anderen Eingang des NAND-Tores 505 zugeführt. Der Verzögerungsimpuls-Generator
51 ist so aufgebaut, daß entsprechende erste Eingänge von ODER-Toren 113, 124 und 135 mit dem Ausgang
01 des Registers 502 verbunden sind; der zweite Eingang des ODER-Tores 113 und die entsprechenden ersten Eingänge von
ODER-Toren 123 und 134- sind mit dem Ausgang 02 verbunden; der
zweite Eingang des ODER-Tores 123 und die entsprechenden ersten Eingänge der ODER-Tore 114 und 133 sind mit dem Ausgang 03
verbunden; die entsprechenden zweiten Eingänge der ODER-Tore 124 und 133 und der erste Eingang eines ODER-Tores 115 sind
mit dem Ausgang 04 verbunden; die entsprechenden zweiten Eingänge der ÖDER-Tore 115 und 134 und der erste Eingang eines
ODER-Tores 125 sind mit dem Ausgang 05 verbunden; die entsprechenden
zweiten Ausgänge der ODER-Tore 114, 125 und 135 sind
mit dem Ausgang 06 verbunden. Die Ausgänge der ODER-Tore 113
bis 115, 123 bis 125 und 133 bis 135 sind entsprechend mit entsprechenden zweiten Eingängen von UND-Toren 110 bis 112, 120
bis 122 und 130 Ms 132 verbunden, und die entsprechenden zweiten Eingänge der UND-Tore 140, 142, 150, 152, 160 und 162 sind
mit den Ausgängen von ODER-Toren 115, 113, 125, 123, 135 und 133 verbunden. Der Ausgang des Verzögerungs-Schaltkreises I70
ist mit entsprechenden ersten Eingängen der UND-Tore 110, 120,
130, 140, 150 und 160 verbunden, der Ausgang des Verzögerungs-Schaltkreises 171 ist mit entsprechenden ersten Eingängen der
UND-Tore 111, 121 und I3I verbunden, und der Ausgang des Verzögerungs-Schaltkreises
172 ist mit den entsprechenden ersten Eingängen der UND-Tore 112, 122, 132, I42, 152 und 162 verbunden.
Die Ausgänge der UND-Tore 110 bis 112, 120 bis 122 und
130 bis 132 sind entsprechend an Eingänge von ODER-Toren 101,
102 und 103 angeschlossen, während die Ausgänge von UND-Toren 140 und 142, 150 und 152 und 160 und 162 entsprechend mit den
Eingängen von ODER-Toren I04, 105 und 106 verbunden sind. Die entsprechend verbleibenden Eingänge der ODER-Tore 104, 105 und
106 sind mit den Ausgängen der UND-Tore 111, 121 und I3I ver-
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bunden. Die Ausgänge der ODER-Tore 101 Ms 106 werden entsprechend den Antriebsimpuls-Generatoreinheiten P1 bis ?6 zugefülirt.
Wenn "bei der oben genannten Schaltkreisanordnung die Schalter
S1 bis S6 des Schalter-Schaltkreises 52 geschlossen und die
verbleibenden Schalter S7 bis Sn alle geöffnet sind und wenn das Schieberegister 502 der Steuerimpuls-G-eneratoreinheit 50
die Steuerimpulse C1 erzeugt, liefern die ODER-Tore 113, 124 und 135 Äusgangssignale, und gleichzeitig erzeugen die ■Verzögerungs-Schaltkreise
170, 171 und 172 Verzögerungs-Ausgangssignale zu. Verzögerungszeiten DO, D1 und D2, wie in den Zeitdiagrammen
der Fig. 4 dargestellt ist. Zu diesem Zweck werden die ODER-Tore 101 und 106 entsprechend dazu gebracht, Verzögerungsimpulssignale
in der Verzögerungszeit DO aufgrund der Ausgangssignale
von den UND-Toren 110 und 160 zu erzeugen, die mit Ausgangssignalen von dem ODER-Tor 113 und dem Verzögerungs-Schaltkreis
170 versorgt werden. Die ODER-Tore 102 und 105 werden entsprechend dazu gebracht, Verzögerungsimpulssignale
in der Verzögerungszeit D1 aufgrund eines Ausgangsignals von dem UND-Tor 121 zu erzeugen, das mit Ausgangssignalen von dem
ODER-Tor 124 und dem Verzögerungs-Schaltkreis 171 versorgt
wird. Die ODER-Tore 103 und 104 werden entsprechend dazu gebracht, Verzögerungsimpulssignale in der Verzögerungszeit D2
aufgrund von Signalen der ÜND-Tore 132 und 142 zu erzeugen,
die mit Ausgangssignalen von den ODER-Toren 113 und 135 und des Verzögerungs-Schaltkreises 172 versorgt werden.
Die Antriebsimpuls-Generatoreinheiten P1 bis P6 werden in entsprechender
Weise dazu gebracht, die Antriebsimpulssignale p1 bis p6 aufgrund der Verzögerungsimpulssignale d1 bis d6 der
ODER-Tore 101 bis 106 zu erzeugen. Diese Antriebsimpulssignale p1 bis p6 werden in der Verzögerungszeit DO erzeugt, die Antriebsimpulssignale
p2 und p5 werden in der Verzögerungszeit
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1)1, die Antriebsimpulssignale p3 und p4 in der Verzögerungszeit D2 erzeugt. ¥enn die Länge der Verzögerungszeit so festgelegt
ist, daß DO kürzer is als D1 und D1 kurzer als D2, so treiben die Antriebsimpulssignale.ρ1 und p6, die anfänglich
erzeugt werden, die elektroakustischen Wandlerelemente, z.B.
piezoelektrische Elemente 1 und 6, über die Schalter S1 bzw. S6 und veranlassen die Elemente 1 und 6, Ultraschallwellen zu
erzeugen. Darauf werden in einer vorgeschriebenen Zeitverzögerung gegenüber den Antriebsimpulssignalen p1 und p6 die Antriebsimpulssignale
p2 und p5 erzeugt, die in entsprechender Weise äie elektroakustisehen Wandlerelemente 2 und 5 über die
Schalter S2 bzw. S5 in Betrieb setzen, um diese Elemente 2 und 5 zur Abgabe von Ultraschallwellen zu veranlassen. Als nächstes
werden die gegenüber den Antriebsimpulssignalen p2 und p5 ·
leicht verzögerten Antriebsimpulssignale p3 und p4 erzeugt, die entsprechend die Elemente 3 und 4 über die Schalter S3 bzw. S4
in Betrieb setzen, um die Elemente 3 und 4 zur Abgabe von Ultraschallwellen
zu veranlassen.
Wenn Ultraschallwellen erzeugt werden, die voneinander Bit um
Bit gegeneinander in der oben beschriebenen Weise verzögert sind, werden sie auf einen Punkt X1 fokussiert. Wenn als nächstes
die Schalter S2 bis Sn geschlossen und die Schalter S1 und S8 bis Sn geöffnet sind, und das Schieberegister 502 das
Steuerimpulssignal 02 erzeugt, erzeugen die UND-Tore 110
und 120 Ausgangssignale in einer Verzögerungszeit DO aufgrund von Ausgangssignalen von den ODER-Toren 113, 123 und 134 aufgrund
des C2-Signals und der Ausgangssignale von den Verzögerungs-Schaltkreisen 170, 171 und 172, und das UND-Tor 131 erzeugt
das Ausgangssignal in der Verzögerungszeit D1, und die
UND-Tore 142 und 152 erzeugen entsprechend die Ausgangssignale
in der Verzögerungszeit D2. Die ODER-Tore 101 bis 106 erzeugen
die Verzögerungsimpulssignale d1 bis d6 aufgrund der Ausgangssignale
von den UND-Toren 110, 120, 131, 142 und 152.
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- ίο -
Diese Terzögerungsimpulssignale d1 und d2 werden in der Verzögerungszeit
DO erzeugt, die Signale d3 und d6 in der Verzögerungszeit D1 und die Signale d4 und d5 in der Verzögerungszeit D2. Die Antriebsimpuls-Grenerator einheit en P1 bis P6 erzeugen
die Antriebsimpulse p1 bis p6 in Verzögerungszeiten, die den Verzögerungszeiten der Verzögerungsimpulse d1 bis d6
entsprechen, aufgrund der genannten Verzögerungsimpulssignale d1 Ms d6. Zuerst betreiben die Antriebsimpulse p2 und p7 die
piezoelektrischen Elemente 2 und 7 über die Schalter S2 und S7. Als nächstes betreiben die Impulse p3 und p6 die piezoelektrischen
Elemente 3 und 6 mit einer leichten Verzögerung über die Schalter S3 und S6, und die Impulse p4 und p5 betreiben die
piezoelektrischen Elemente 4 und 5 mit einer weiteren leichten Verzögerung über die Schalter S4 und S5. Wenn in der oben beschriebenen
Weise die entsprechenden piezoelektrischen Elemente 2 bis 7 mit einer vorgeschriebenen Zeitverzögerung in
Betrieb gesetzt werden, werden Ultraschallwellenstrahlen von diesen Elementen auf einen Punkt X2 fokussiert, wie in gebrochenen
Linien angedeutet ist. Dieser Punkt X2 ist um ein piezoelektrisches Element von dem Punkt X1 parallelverschoben·
Wenn in der oben beschriebenen Weise die Schaltoperationen der Schalter S1 bis Sn des Schalter-Schaltkreises 52 Schalter
um Schalter verschoben werden, und wenn simultan dazu die Verzögerungszeiten DO, D1 und D2 der Verzögerungsimpulse entsprechend
festgelegt werden, können die Brennpunkte X1, X2... ..2h der Ultraschallwellenstrahlen nacheinander in der angegebenen
Reihenfolge verschoben werden, wodurch es den Ultraschallwellen, ermöglicht wird, die Objektsubstanz abzutasten.
Tabelle 1 zeigt den Zusammenhang zwischen den Brennpunkten
X1, X2, X3, 14, X5, X6 Xn-5 und den Verzögerangszeiten
DO, D1 und D2 der Verzögerungsimpulse d1 bis d6.
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Brennpunkt | d1 | d2 | « | d4 | 3)1- | d6 |
X1 | DO | D1 | D2 | D2 | D2 | DO |
X2 | DO | DO | D1 | D2 | D2 | D1 |
X3 | D1 | DO- | DO | D1 | D1 | D2 |
X4 | D2 | DI | DO | DO | DO | D2 |
X5 | D2 | D2 | D1 | DO | DO | D1 |
X6 | D1 | D2 | D2 | D1 | • D1 |
DO |
• - ■ Xn-5 |
• DO |
• D1 |
• D2 |
• D2 |
DO | |
Wie aus der obigen Tabelle 1 ersichtlich ist, werden die Brennpunkte
nacheinander durch regelmäßiges Wiederholen der Verzögerungszeiten DO, D1 und D2 der Verzögerungsimpulse d1 bis d6
in der Form von DO (=0)-»D1<>D2+D24D1*I)0*D1 verschoben.
Es soll, nun die Art und Weise beschrieben werden, durch die
Verzögerungszeiten DO, D1 und D2 festgelegt werden, siehe dazu Fig. 5. Wenn der Abstand zwischen dem Punkt, der den Mittelpunkt
der Reihe der piezoelektrischen Elemente 1, 2, 3, 6 bildet und auf der Oberfläche des mittleren Elementes liegt, und
dem Punkt X, der auf einer Linie senkrecht zu dieser Reihe liegt,
mit χ bezeichnet wird, werden die Differenzen Δχ, Δχ2 und Δχ3
zwischen dem Abstand χ und den Abständen zwischen den eat sprechenden.
Ebenen der piezoelektrischen Elemente und dem Punkt X durch die folgenden Gleichungen ausgedrückt:
Ax2 =
r- χ
(3d/2)2 '- χ (2)
*- χ (3)
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wobei d den Abstand zwischen zwei angrenzenden Elementen ausdrückt.
Wenn entsprechend die Geschwindigkeit, mit der die Ultraschallwellen durch ein Medium hindurchlaufen, mit C bezeichnet
wird, werden Zeitdifferenzen von At-j, £$2» ^b* von
den Ultraschallwellen benötigt, um den Punkt X von den entsprechenden piezoelektrischen Elementen zu erreichen, wobei
sich die Zeitdifferenzen wie folgt berechnen:
1 =Δχ1/ο ;..
At2 =Ax2/c (5)
At5 = Ax3/c (6)
Wenn entsprechend die Zeitverzögerungszeit DO der Antriebsimpulse, die den piezoelektrischen Elementen 1 und 6 zugeführt
werden, auf 0 gesetzt werden, und wenn DO als Bezug verwendet wird, beträgt die Verzögerungszeit D1 der den piezoelektrischen
Elementen 2 und 5 zugeführten Impulse
D1 = At3 - At2 = (Ax3 - Ax2)/c.
Die Verzögerungszeit D2 der den piezoelektrischen Elementen 3 und 4 zugeführten Impulse drückt sich durch die Gleichung
D2 = At5 - At1 = (Ax3 - Ax1)/c
aus. Wenn die Verzögerungszeiten DO, D1 und D2 entsprechend
auf diese Weise festgelegt werden, können die Ultraschallwellenstrahlen, die von den piezoelektrischen Elementen 1 bis 6
erzeugt werden, in die Nähe des Punktes X fokussiert werden.
Setzt man den Abstand d zwischen zwei angrenzenden piezoelektrischen
Elementen auf 2 mm und die Geschwindigkeit c der Ultraschallwellen auf 1500 fest, ergibt sich eine Beziehung
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zwischen den Verzögerungszeiten D1 und D2 zur Entfernung χ
zwischen dem Punkt X und den piezoelektrischen Elementen, wie sie in Pig. 6 gezeigt ist. Aus Pig. 6 läßt sich erkennen, daß
bei Veränderung der Verzögerungszeiten D1 und D2 die Stellung des Brennpunktes X der Ultraschallwellenstrahlen verändert
werden kann. Entsprechend werden, wie in Pig. 3 gezeigt, mehrere Ausgangsanschlüsse von den Verzögerungs-Schaltkreisen
170, 171 und 172 abgenommen und in geeigneter Weise gewechselt,
wodurch die Stellung des Brennpunktes X verändert werden kann, wodurch die Ultraschallwellenstrahlen veranlaßt werden, einen
vorgeschriebenen Bereich der Objektsubstanz abzutasten, ohne
daß die Stellung des Gerätes verändert wird.
Der schon erwähnte Schalter-Schaltkreis 52 arbeitet elektronisch
und ist in Pig. 7 dargestellt.
Die in Pig. 7 gezeigte Analog-Schalter-Schaltkreiseinheit besitzt Analogschalter S1 bis Sn von gleicher Konstruktion. Zur
Erläuterung sei beispielsweise der Analogschalter S1 beschrieben. Die Primärwicklung des Transformators T1 ist mit einem
Endender Antriebsimpuls-Generator einheit P1 und dem Ultraschallwellenempfangssignal-Behandlungsgerät
Q1 verbunden, und am anderen Ende mit dem Kollektor eines Transistors Ts1, dessen
Basis über einen Widerstand R11 mit dem geerdeten Emitter verbunden
ist. Die Sekundärwicklung des Impulstransformators T..
ist mit dem einen Ende an dem Kollektor des Transistors Tr,, der Kathode einer Diode D1 und dem piezoelektrischen Element
1 verbunden, während das andere Ende geerdet und mit der Anode der Diode D1 sowie mit dem Emitter des.Transistors Tr1 und
über einen Widerstand R21 mit dessen Basis verbunden ist. Die
Basis des Transistors Ts1 ist über einen Widerstand R51 mit.
dem Ausgangsanschluß eines Inverters G11 verbunden, während ·
die Basis des Transistors Tr1 über den Inverter G21 mit dem
Ausgangsanschluß des Inverters G11 verbunden ist. Der Ein-
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-H-
gangs ans chluß des Inverters G·^ ist mit einem Ausgangsanschluß
eines Schaltersteuer-Schaltkreises SC verbunden. Dieser Schaltersteuer-Schaltkreis ist z.B. so aufgebaut, wie es
in Pig. 8A gezeigt ist. Ein Signal, wie es in Fig. 8B(b) gezeigt ist, das von einem Taktimpuls-Generator 501 erzeugt wird,
wird einem Binärzähler 503 zugeführt undckzreh einen Plip-Plop-Schaltkreis
FP. geführt, um ein Signal zu erhalten, wie es in Pig. 8B(c) gezeigt ist. Dieses Signal (c) und das Signal (b)
von dem Taktimpuls-Generator 501 werden einem Schieberegister zugeführt, um Signale SC1, SC2, SC3 ..... SCn zu erhalten, wie
es in Pig. 8B gezeigt ist. Die Ausgänge SC1 bis SCn von dem Schaltersteuer-Sehaltkreis SC werden entsprechend den Analogschaltern
S1 bis Sn zugeführt.
Zur Erklärung der vorgenannten Schalter-Schaltkreise S1 bis Sn sei gesagt, daß zuerst die Ausgangssignale SC1 bis SC6 von dem
Schaltersteuer-Schaltkreis SC den Schaltern S1 bis S6 zugeführt werden. Zur Erläuterung nur des Betriebs des Schalters S1
sei gesagt, daß das Ausgangssignal SC1 von dem Schaltkreis SC
als eine positive Vorspannung zur Vorspannung des !Transistors Ts.j über den Inverter G^ und den Widerstand IU^ zugeführt wird,
um diesen Transistor leitend zu machen. Andererseits wird der Ausgang des Inverters G^ als negative Vorspannung der Basis
des Transistors Tr.. über den Inverter Gp-ι zugeführt, um diesen
Transistor zu sperren. Somit setzen die intriebsimpulse von der Antriebsimpuls-Generatoreinheit 11 das piezoelektrische Element
1 über die Primärwicklung des Impulstransformators T1, den
Kollektor und Bnitter des Transistors Ts.. und der Sekundärwicklung
des Impulstransformators T.. in der genannten Reihenfolge
in Betrieb. Die verbleibenden Schalter S2 bis S6 werden in der gleichen Weise betätigt. Wenn als nächstes die Ausgangssignale
SC2 bis SC7 von dem Schaltersteuer-Schaltkreis SC erzeugt werden, werden die Schalter S2 bis S7 leitend gemacht und
die Schalter S8 bis Sn nichtleitend gemacht, D.h., im Schalter
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51 wird der Transistor Ts1 abgeschaltet und der Transistor
Tr1 eingeschaltet.. Der oben genannte Sehalter-Schaltkreis
wurde nur als Beispiel erläutert, er kann von jeder beliebigen Konstruktion sein, wenn er nur die Schaltoperationen auf
elektronische Weise mit den vorgeschriebenen Steuersignalen ausführt.
Die vorgenannte Beschreibung bezog sich auf den Betrieb, bei dem die Objekt subs tanz von den fokussierten Ultraschallwellenstrahlen
abgetastet wurde, nämlich bei dem Ultraschallwellen-Sendebetrieb. Im folgenden wird der Betrieb beschrieben, bei
dem das Bild der Objekt subs tanz erhalten wird, indem die von
der Objektsubstanz reflektierten Ultraschallwellenstrahlen
wieder in elektrische Signale umgesetzt werden, nämlich dem Ultras challwellen-Aufnahmebetrieb.
In dem Ultraschallwellen-Empfangsschaltkreis der Pig. 9 werden von der Objektsubstanz reflektierte Ultraschallwellenstrahlen
in Informationssignale 11 bis 16 durch die gleichen piezoelektrischen
Elemente 1 bis 6 der elektroakustisch^ Wandlereinheit 53 umgewandelt, wie sie zur Aussendung der Ultraschallwellen
benutzt wurden. Die Informationssignale 11 und 16 werden
in der Verzögerungszeit D2 empfangen, die Signale 12 und 15 in der Verzögerungszeit D1, und die Signale 13 und 14 in
der Verzögerungszeit DO. Diese Informationssignale werden in entsprechender Weise· Verstärkern A1 bis A6 über die gleichen
elektronischen Schalter SI bis S6 des Schalter-Schaltkreises
52 zugeführt, wie sie zur Aussendung der Ultraschallwellen verwendet
wurden. Die auf diese Weise verstärkten Informationssignale 11 bis 16 werden entsprechend Ultraschallwellen aufnehmenden
signalschaltenden Schaltkreisen R.. bis Rg zugeführt,
die in gleicher Weise gezeigt sind. Diese schaltenden Schaltkreise R1 bis Rg werden entsprechend durch drei elektronische
Schalter aufgebaut, nämlich durch W11 bis W^, W21 bis W«*,
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VL1 Ms W55, W^1 Ms W,,» W^1 Ms W^ und Wg1 Ms Wg-. Die
Informations signale 11 und I6 werden über die entsprechenden geschlossenen Schalter W11 und Wg1 der schaltenden Schaltkreise
R1 und Rg einem Verzögerungs-Schaltkreis 271 mit der
Verzögerungszeit DO zugeführt, die Signale 12 und 15 werden
über die geschlossenen Schalter W22 und- W52 einem Verzögerungs-Schaltkreis
272 mit der Verzögerungszeit D1 zugeführt, und die Signale 13 und 14 werden über die geschlossenen Schalter W,,
"bzw. W.., einem Verzögerungs-Schaltkreis 273 mit einer Verzögerungszeit
D2 zugeführt. Die Informationssignale 11, I6; 12, und 13, 14, die in den verschiedenen Verzögerungszeiten D2, D1
und DO erzeugt werden, werden durch diese Verzögerungs-Schaltkreise 271, 272 und 273 dazu gebracht, zeitlich zusammenzufallen,
und sie werden zusammengesetzt und dann einem Verstärker 300 zugeführt. Die zusammengesetzten Informationssignale, verstärkt
durch den Verstärker 300, werden z.B. einem Kathodenstrahl-Oszillographen GRT zugeführt, wodurch ein Bild der Objekt
subs tanz auf dem Oezillographenschirm dargestellt wird. Die
Informationssignale 12 bis 17, entsprechend dem nächsten Abtastpunkt
X2, werden den Ultraschallwellen aufnehmenden signalschaltenden Schaltkreisen R2 bis Rg und R1 über die Schalter S2 bis
S7 und die Verstärker A1 bis A6 zugeführt. Die Informationssignale 12 bis 17, die diesen schaltenden Schaltkreisen zugeführt
werden, werden durch die Schalter Wp1, W,«» ^4/5 * ^1BV ^62
und W11 geleitet, die durch Schaltersteuersignale geschlossen
sind. Dann werden die Signale 12 und 17 in den Verzögerungsschaltkreis 271 geführt, die Signale 13 und I6 in den Verzögerungs-Schaltkreis
272 und die Signale 14 und 15 in den Verzögerungs-Schaltkreis
273. Die über die Verzögerungs-Schaltkreise 271 bis 273 zusammengesetzten Informationssignale bewirken,
daß ein Bild des Abtastpunktes X2 auf dem Kathodenstrahl-OsÄillographen
abgebildet wird. Die schaltenden Schaltkreise R1
bis Rg sind in genaueren Einzelheiten in Fig. 10 dargestellt. Die Analog-Tore W11 bis Wg- sind von MOS-Bauart und werden durch
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Steuersignale GS^0 Ms CSg2 gesteuert, die durch, die Zeitdiagramme
der Pig. 11B dargestellt sind, wobei diese Zeitsteuersignale von dem Schieberegister 502 durch einen Schaltkreis
gemäß Pig. 11A erhalten werden.
Wie oben dargestellt, wird ein vorgeschriebenes Bild auf die Kathodenstrahlröhre projiziert aufgrund der reflektierten Anteile
der Ultraschallwellenstrahlen, die ununterbrochen die Objektsubstanz abtasten. Die vorliegende Ausführungsform betrifft
ein Gerät, bei dem die piezoelektrischen Elemente in Einheiten von sechs Elementen betrieben werden, aber diese Anzahl
von Elementen kann beliebig verändert werden.
Wie schon dargestellt, ermöglicht die Erfindung die Erzeugung von fokussierten Ultraschallwellenstrahlen, indem piezoelektrische
Elemente in einer vorgeschriebenen Anzahl mit einer relativen Verzögerung zueinander betrieben werden, wobei die Elemente
einzeln voneinander einen Abstand aufweisen, wodurch gute Richtungseigenschaften des Gerätes erhalten werden. Wenn z.B.
die Breite eines piezoelektrischen Elementes, die Oszillationsfrequenz, eine Entfernung χ zwischen dem Brennpunkt und der
Reihe von piezoelektrischen Elementen und die Anzahl der gleichzeitig betriebenen piezoelektrischen Elemente auf die Werte
2 mm, 2 MHz, 6 cm und 6 festgelegt werden, können die in Pig. gezeigten ausgezeichneten Richtungseigenschaften erhalten werden.
Die in Pig. 12 gezeigten Richtungseigenschaften sind die, die man im Palle der Anwendung von Ultraschallwellen erhält. Jedoch
erhält man die zusammengesetzte Richtcharakteristik von Ultraschallwellen-Aussendung und -empfang durch Quadrieren der
Richtungskennlinien der Pig. 12. Entsprechend weist das erfindungsgemäße
Gerät eine extrem gute Auflösung auf. Mit anderen Worten, die Intensität der Ultraschallwellen in der Nähe
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des Brennpunktes und die Ultraschallwellen-Enipfangssignalspannung
entsprechend der von der Nähe des Brennpunktes reflektierten Wellen sind höher, als es bei dem bekannten Gerät
der Pail ist, das kein Fokussiersystem für die Ultraschallwellen
verwendet. Weiterhin besitzt das erfindungsgemäße Gerät eine Empfindlichkeit, die proportional zur zweiten Potenz der
Empfindlichkeit des bekannten Geräts ist.
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Claims (4)
1.yUltraschallwellensende- und -empfangsgerät, g e k e η η ^zeichnet
durch einen Ultraschallwellen-Sender zur Ausstrahlung von.fokussierten Ultraschallwellen, versehen
mit einer Steuersignal-Generatoreinheit (50) zur Erzeugung von Steuersignalen aufeinanderfolgend in zirkulierender
Weise, einer Verzögerungsimpulssignal-Generatoreinheit (51) zur Erzeugung von mehreren Verzögerungsimpulssignalen zu
entsprechend vorgeschriebenen Verzögerungszeiten aufgrund der Steuersignale der Steuersignal-Generatoreinheit (50),
mehreren Antriebssignal-Generatoreinheiten (P1-P6) zur Erzeugung von AntriebsSignalen zu Verzögerungszeiten entsprechend
denen der Verzögerungsimpulssignale aufgrund der
Verzögerungsimpulssignale von der Verzögerungsimpulssignal-Generatoreinheit
(51), einer Schalter-Schaltungseinheit (52) mit mehreren elektronischen Schaltern (SI-Sn), die zur Ausführung
der Schaltoperation vorgesehen und gegeneinander Eins um Eins versetzt sind für jede vorgeschriebene Anzahl von
Schaltern, um so Antriebssignale für die Antriebssignal-Generatoreinheit (P1-P6) zu vorgeschriebenen elektroakustischen
Y/andlerelementen (1-n) zu liefern; und durch eine Ultraschallwellen-Empfangseinrichtung
zum Empfang der reflektierten Anteile der Ultraschallwellenstrahlen und zum Aufnehmen
der empfangenen Ultraschallwellensignale über die Schalter-Schaltkreiseinheit'(52)
und zum Zusammensetzen der Signale mittels Verzögerungseinrichtungen (271-273).
2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsimpuls-Generatoreinheit
(51) eine Vielzahl von ODER-iDoren (113-115, 123-125, 133-135) aufweist, die selektiv
betätigt werden, um Ausgangssignale aufgrund von Steuersignalen zu erzeugen, die wiederum von der Steuer-
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signal-Generatoreinheit (50) erzeugt werden, mit einer
Vielzahl von Verzögerungs-Schaltkreiseinheiten (170, 171,
172), die jeweils unterschiedliche vorgeschriebene Verzögerungszeitlängen (DO, D1, D2) aufweisen, mit einer Vielzahl
von UND-Toren (110-112, 120-122, 130-132, I40-I42, 150-152,
160, 162), die selektiv "betätigt werden, um Ausgangs-• signale aufgrund von den entsprechenden Ausgängen der Ver-•
zögerungs-Schaltkreiseinheiten (170, 17J-, 172) und den
ODER-Toren (113-115, 123-125, 133-135/, und mit einer Vielzahl
von ODER-Toren (101-106) zur Erzeugung von Ausgangssignalen
zu Verzögerungszeiten, die denen der Verzögerungs-Schaltkreiseinheiten (170-172) entsprechen, aufgrund der
Ausgänge der UND-Tore.
3. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter-Schaltkreiseinheit (52) einen Schaltersteuer-Schaltkreis
(SC) umfaßt, um Steuersignale zu erzeugen, um die elektronischen Schalter der Schalter-Schaltkreiseinheit
(52) selektiv zu "betätigen.
4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder elektronische Schalter einen Impulstransformator (Tn) aufweist,
der mit einer "bestimmten Antriebssignal-Generatoreinheit (Pn) und einem.Halbleiter-Schaltelement (Trn) verbunden
ist, um durch dieses Antriebssignale zu senden, die über den Impulstransformator (Tn) von der bestimmten Antriebssignal-Generatoreinheit
(Pn) erzeugt werden aufgrund von Steuersignalen des Schaltersteuer-Schaltkreises (SC),
5· Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Ultraschallwellen-Aufnahmeeinrichtung eine Vielzahl von Verstärkern (A^-Ag) zur entsprechenden Verstärkung der über
die Schalter-Schaltkreiseinheit (52) empfangenen Ultraschallwellensignale
umfaßt,"und gekennzeichnet durch einen Ultraschallwellensignal-Schalter-Schaltkreis
(R1-Rg) mit einer Vielzahl von elektro-
+) zu erzeugen 409850/0847
nischen Schaltern (W), die die Schaltoperation derart ausführen,
daß die entsprechenden Ausgänge von den Verstärkern (A^-Ag) "bestimmten Verzögerungs-Schaltkreisen (271-273) zugeführt
werden, durch eine Vielzahl von Verzögerungs-Schaltkreiseinheiten (271-173) zur Entzerrung der Verzögerungszeiten der aufgenommenen Ultraschallwellen-Signale, die über
/Ind den Schalter-Schaltkreis (R..-R/-) erhalten wurden/ durch
Einrichtungen (300) zur Zusammensetzung der Ausgänge von den Verzögerungs-Schaltkreis-Einrichtungen (271-273).
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