DE2424582C3

DE2424582C3 - Ultraschallwellensende- und Empfangsgerät

Info

Publication number: DE2424582C3
Application number: DE2424582A
Authority: DE
Inventors: Kazuhiro Yokohama Iinuma
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1973-05-21
Filing date: 1974-05-21
Publication date: 1981-12-24
Also published as: JPS565536B2; FR2231016A1; DE2424582B2; GB1472130A; DE2424582A1; JPS508557A; FR2231016B1; US3919683A

Description

Die Erfindung betrifft ein Ukraschallwellensende- und Empfangsgerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Aus der FR-PS 15 69 897 ist ein Abhörgerät, speziell für Unterseeboote, vorbekannt, welches in der zuvor definierten Weise aufgebaut ist. Dieses bekannte Abhörgerät dient zur Feststellung der Richtung einer Lautqueile mit einer Reihe von Unterwasser-Äbhorchmikrofonen. Die Mikrofone können dabei in einer geraden Linie oder in einer gekrümmten Linie hintereinander angeordnet sein.

Bei diesem bekannten Abhörgerät sind jedoch vergleichsweise sehr viele elektronische Schalter erforderlich, die in Form einer Matrix angeordnet sind. Ein in einer bestimmten Richtung gleichmäßig wandernder

Ultraschall-Folcussierpunkt kann mit Hilfe dieses bekannten Abhörgerätes nicht erzeugt werden.

Aus der DE-OS 19 48 463 ist ein Gerät zur Untersuchung von Körpern durch Abtastung mittels Ultraschall bekannt, welches eine Reihe nebeneinander angeordneter Ultraschallwandlerelemente und Mittel zur Ansteuerung der Wandlerelemente aufweist, wobei die Ansteuerung der Wandlerelemente in der Weise erfolgt, daß über die Reihe fortlaufend jeweils eine Gruppe nebeneinanderliegender Wandlerelemente erregt wird. Bei einer jeweiligen Gruppe von Wandlerelemcnten erfolgt die Erregung gleichzeitig, so daß mit diesem bekannten Gerät kein eindeutig definierter und von allen Wandlerelemtnten einer Gruppe gemeinsam erzeugter Fokussierpunkt gebildet werden kann.

Aus der US-PS 36 93 415 ist ein Ultraschallwellensende- und Empfangsgerät bekannt, bei dem ein Steuersignal in zirkulierender Weise erzeugt wird. Mit Hilfe von elektronischen Schaltern werden vorbestimmte Verzögerungen erreicht, wobei die elektronischen Schalter aus Torschaltungen bestehen, um mehrere elektroakustische Wandlerelemente anzufeuern, so daß fokussierte Ultraschallstrahlen erzeugt werden. Bei diesem bekannten Ultraschallwellensende- und Empfangsgerät besteht auch die Möglichkeit, einen wandernden Fokussierpunkt beispielsweise auf der Oberfläche eines zu untersuchenden Werkstückes zu erzeugen, was dadurch erreicht wird, indem man mehrere elektroakustische Wandlerelemente in Gruppen zusammengefaßt aufeinanderfolgend ansteuert. Bei diesem bekannten Gerät sind die elektroakustischen Wandlerelemente jedoch auf einem Kreis angeordnet und die Wandlerelemente werden in festen zeitlichen Intervallen aufeinanderfolgend erregt, wobei die aufeinanderfolgende Erregung der einzelnen Wandlerelemente in jeder Gruppe derart erfolgt, daß die von den Wandlerelementen ausgesendeten Impulse im wesentlichen gleichzeitig und in Phase an einem Fokussierpunkt anlangen. Bei der kreisförmigen Anordnung der elektroakurvischen Wandlerelemente befindet sich der jeweilige Fokussierpunkt im Inneren des Kreises und bei einem aufeinanderfolgenden Erregen der Wandlerelemente der einzelnen Gruppen entstehen Fokussierpunkte, die auf einem Kreisumfang wandern, der konzentrisch zu dem Kreis gelegen ist, auf welchem die Wandlereiemente angeordnet sind.

Aus der US-PS 3090 030 ist ein Ultraschallwellen-Empfangsgerät mit einer Wandleranordnung bekannt, die aus einer kreisrunden Scheibe und einem diese Scheibe umgebenden Ring besteht. Die von einer punktförmigen Schallquelle ausgehenden Schallsignale treffen bz\ senkrechter Anordnung der Wandlerelemente relativ zur Schallquelle zunächst auf den mittleren Bereich des Wandlers und erst dann auf den äußeren ringförmigen Bereich des Wandlers auf, so daß bei einer sichtbaren Anzeige des aufgefangenen Schallsignals zwar das vom mittleren Bereich des Wandlers stammende Empfangssignal und das vom ringförmigen äußeren Bereich des Wandlers stammende Empfangssignal für sich scharf dargestellt werden kann, jedoch diese beiden Signale nicht gleichzeitig dargestellt werden können, da sie zeitlich verschoben sind bzw. mit einem Phasenunterschied behaftet sind.

Um bei dieser Anordnung dennoch eine gleichzeitige Darstellung der z'vei Empfangssignale zu ermöglichen, wird das vom mittleren Bereich des Wandlers stammende Empfangssigna! relativ zu dem Empfangssignal des äußeren Wandlerbereichs zeitlich verzögert und erst dann zur Anzeige gebracht

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, das Ultraschallwellensende- und Empfangsgerät der eingangs definierten Art derart zu verbessern, daß ein mit gleichbleibend konstanter Geschwindigkeit entlang einer geraden Linie wandernder Fokussierungspunkt realisiert werden kann.

Diese Aufgabe wird gemäß dem Kennzeichnungsteil des Anspruches 1 gelöst

ίο Durch die vorliegende Erfindung wird somit eine Möglichkeit geschaffen, bei einer Anordnung von elektroakustischen Wandlerelementen entsprechend einer geraden Linie einen gleichmäßig wandernden Fokussierpunkt zu erzeugen, wobei der besondere Vorteil erreicht wird, daß bei dieser Anordnung der Wandlerelemente jede Art von Werkstück bzw. Gegenstand abgetastet werden kann, also beispielsweise auch Werkstücke, die keine zylindrische Form haben oder einen kreisrunden Querschnitt besitzen.

Das Gerät nach der vorliegenden Erfindung ist auch universal verwendbar, da sich auch unterschiedliche Tiefenbereiche eines zu untersuchenden Gegenstandes mit Ultraschallstrahlen untersuchen lassen, also die Lage des Fokussierpunktes relativ zur Reihenanordnung der elektroakustischen Wandlerelemente verändcroar ist.

Durch eine unterschiedliche Grundeinstellung der Zeitverzögerung der jeweils nachfolgend erregtsr; elektronischen Schalter bzw. Wandlereiemente einer Gruppe läßt sich daher ein Gegenstand Schicht für Schicht durch Ultraschallstrahlen abtasten, wobei jedoch aufgrund der Fokussierung der Strahlen der jeweiligen Gruppe ein besonders gutes Auflösungsvermögen erreicht wird.

Besonders zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 5.

Im folgenden wird die Erfindung an Hard eines Ausführungsbeispiels unter Hinweis auf die Zeichnungen näher erläutert Es zeigt

P i g. 1 ein Schaltdiagramm des Ultraschallwellen-Senders des erfindungsgemäßen Geräts,

F i g. 2 ein Schaltdiagramm des Ultrgschallwellen-Senders, der zum Antrieb von jeweils sechs piezoelektrischen Elementen vorgesehen ist, um fokussierte Ultraschallwellen zu erzeugen,

F i g. 3 ein Schaltdiagramm zur Darstellung der Steuerimpuls-Generatoreinheilen und der Antriebsimpuls-Generatoreinheiten der F i g. 2,

F i g. 4 Zeitdiagramme der von den entsprechenden Teilen des SchaUdiagramms der F i g. 3 erzeugten Signale,

Fig. 5 den Zusammenhang zwischen den Verzögerungszeiten des Verzögerungsschaltkreises und dem Punkt, auf den die Ultraschallwellenstrahlen fokussiert werden,

F i g. 6 ein Diagramm zur Darstellung der Beziehung zwischen der Verzögerungszeit und einer Entfernung λ zwischen dem B ^nnpunkt der Ultraschallwellenstrah-

'10 len und den Ebenen der piezoelektrischen Elemente.

Fig. 7 ein Schaltkreisdiagramm zur Darstellung der Schaltkreisanordnung des Schalter-Schiltkrcises nach F i g. 2.

F i g. 8A ein Blockschaltdiagramm zur Darstellung

f'5 eines Schaltkreise, der den Signalgenerator zur Erzeugung von Steuersignalen für die Steuerung des Schalter-Schaltkreises der F i g. 7 steuert.

Fig. 8B Diagramme der von entsprechenden Teilen

der F i g. 8A erzeugten Signale,

Fig. 9 ein Schaltdiagramm zur Darstellung der Ultraschallwellen-Empfangsschaltung des Ultraschallsende- und -empfangsgerätes gemäß der Erfindung.

Fig. IO ein Schaltdiagramm zur Darstellung des Schaltkreises für die empfangenen Informationssignale des Ultraschallwellen-Empfangsschaltkreises der Fig. 9.

Fig. IIA ein Schaltkreisdiagramm zur Darstellung eines Ultraschallwellenempfangssignal-Schaltkreises zur Steuerung des Signalgenerators für die Steuerung des Ultraschallwellenempfangssignal-Schalterschaltkreisesder Fig. 10,

Fig. IIB Zeitdiagramme der dem Schaltkreis der F i g. 10 zugeführten Signale und ι s

Fig. 12 ein Diagramm zur Illustration der Richtungseigenschaften des Ultraschallwellen-Sendesclialtkreises des erfindungsgemäßen Gerätes.

In F i g. 1 ist eine SteuersiEnal-Generatoreinheit 50 so aufgebaut, daß sie Taktimpulssignale C1.C2, C3 ...Cn aufeinanderfolgend zu den vorgeschriebenen Zeitintervallen erzeugt, und ein Verzögerungsimpuls-Generator 51 ist so aufgebaut, daß er mehrere Verzögerungsimpulssignale d\, d2, d3...dn auf Grund der entsprechenden Steuerimpulssignale der genannten Steuersignal-Generatoreinheit 50 erzeugt. Die Verzögerungsimpulssignale werden entsprechenden Antriebsimpuls-Generatoreinheiten PI, P2, P3... P η zugeführt, die so aufgebaut sind, daß sie auf Grund der entsprechenden Verzögerungsimpulssignale Antriebsimpulse erzeugen, yo Der Ausgang der genannten Antriebsimpuls-Generatoreinheit Pi ist über Schalter 51, S/n+1... des Schalter-Schaltkreises 52 mit Elementen 1, m+\... 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 P1 bis Pn in entsprechend vorgeschriebenen Verzögerungszeiten Antriebsimpulse erzeugt werden und wenn z. B. eine Anzahl m von Schaltern 51,52... 5mgeschlossen 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 fokussiert ist. Wenn dann darauffolgend die Schalter S2. 53... S/n+1 geschlossen werden und die verbleibenden Schalter geöffnet sind und die Verzogerungszeiten der Verzögerungsimpuise. die entsprechend den Antriebsimpuls-Generatoreinheiten Pl bis Pn zugeführt werden, von Impuls zu Impuls verschoben werden, wird der Brennpunkt der Ultraschallwellenstrahlen in eine Stellung verschoben, die um ein elektroakustisches Wandlerelement parallel zur Anordnung der Elemente verschoben ist Wenn in der oben beschriebenen Weise die geschlossenen Schalter des Schaltkreises um jeweils einen verschoben sind und wenn gleichzeitig die Verzögerungszeiten der Verzögerungsimpuise um jeweils einen Impuls verschoben sind. nm wiedepjm die elektrnakustischen Wandlerelemente in Betrieb zu setzen, wird der Brennpunkt der Ultraschallwellen dazu gebracht, die Objektsubstanz parallel zur Anordnung der Elemente abzutasten.

Für eine genauere Erläuterung der Erfindung soll nun an Hand 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 F i g. 2 sind die Steuerimpuls-Generatoreinheit 50, der Verzögerungsimpuls-Generator 51, die Impulsgeneratoreinheiten Pl bis P6, der elektronische Schaltkreis 52 und die elektroakustische Wandlereinheit 53 in der gleichen Weise miteinander verbunden, wie es in F i g. I gezeigt ist. In F i g. 3 sind die konkreten Schaltkreiskonstruktionen der Steuerimpuls-Generatoreinheit 50 und des Verzögerungsimpuls-Generators 51 gezeigt. 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 NAND-Tor504 zugeführt,dessen Ausgang mit einem Eingang eines NAND-Tores 505 verbunden ist, dessen Ausgang einem Schieberegister

502 zugeführt wird. Die Ausgangssignale Cl bis C6, die von dem Register 502 erzeugt werden, werden einem Verzögerungsimpuls-Generator 51 zugeführt, und das Ausgangssignal C6 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 Cl 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 C2 verbunden; der zweite Eingang des ODER-Tores 123 und die entsprechenden ersten Eingänge der ODER-Tore 114 und 133 sind mit dem Ausgang C3 verbunden; die entsprechenden zweiten Eingänge der ODER-Tore 124 und 133 und der erste Eingang eines ODER-Tores 115 sind mit dem Ausgang C4 verbunden; die entsprechenden zweiten Eingänge der ODER-Tore 115 und 134 und der erste Eingang eines ODER-Tores 125 sind mit dem Ausgang C5 verbunden; die entsprechenden zweiten Ausgänge der ODER-Tore 114, 125 und 135 sind mit dem Ausgang C6 verbunden. Die Ausgänge der ODER-Tore 113 bis 115, 123 bis 125 und 135 bis 135 sind entsprechend mit entsprechenden zweiten Eingängen von UND-Toren 110 bis 112,120 bis 122 und 130 bis 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 170 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 131 verbunden, und der Ausgang der Verzögerungs-Schaltkreises 172 ist mit den entsprechenden ersten Eingängen der UND-Tore 112, 122, 132, 142, 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 104, 105 und 106 verbunden sind. Die

entsprechend verbleibenden F.ingänge der ODER-Tore 104,105 und 106 sind mit den Ausgängen der UND-Tore 111, 121 und 131 verbunden. Die Ausgänge der ODER-Tore 101 bis 106 werden entsprechend den Antriebsimpuls-Generatorcinheiien P\ bis /'6 zügeführt.

Wenn bei der oben genannten Schaltkrcisanordnung die Schalter 5 1 bis 56 des Schaltkreises 52 geschlossen und die verbleibenden Schalter 5 7 bis Sn alle geöffnet sind und wenn das Schieberegister 502 der Steuerim- ro piils-Generatoreinheit 50 die Steuerimpulse C1 erzeugt, liefern die ODER-Tore 113, 124 und 135 Ausgangssigna-Ic. und gleichzeitig erzeugen die Verzögerungs-Schaltkreise 170, 171 und 172 Verzögerungs-Ausgangssignale zu Verzögerungszeiten l\ D\ und Di. 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 Dn auf Grund der Ausgangssignale von den UND-Toren 110 und 160 zu erzeugen, die mit Ausgangssignalen von dem ODER-Tor 113 und dem Vcrzögerungs-Schaltkreis 170 versorgt werden. Die ODER-Tore 102 und 105 werden entsprechend dazu gebracht, Verzögerungsimpulssignale in der Verzögerungszeil D\ auf Grund eines Ausgangssignals 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 Verzögerungszeil Di auf Grund von Signalen der UND-Tore 132 und 142 zu erzeugen, die mii Ausgangssignalen von den ODER-Toren 113 und 135 und des Verzögerungs-Schaltkreises 172 versorgt werden.

Die Antriebsimpuls-Generatoreinheiten Pi bis PB werden in entsprechender Weise dazu gebracht, die Antriebsimpulssignale pi bis ρ6 auf Grund der Verzögerungsimpulssignale c/1 bis c/6 der ODER-Tore 101 bis 106 zu erzeugen. Die Antriebsimpulssignale ρ 1 und ρ 6 werden in der Verzögerungszeit Cb erzeugt, die Antriebsimpulssignale ρ 2 und ρ 5 werden in der Verzögerurigszeit D,. die Antriebsimpulssignale ρ3 und ρ 4 in der Verzögerungszeit D₂ erzeugt. Wenn die Länge der Verzögerungszeit so festgelegt ist. daß Db kürzer ist als D, und D, kürzer als D₂. so treiben die Antriebsimpulssignale pl und ρ 6. die anfänglich erzeugt werden, die elektroakustischen Wandlerelemente, z. B. piezoelektrische Elemente 1 und 6. über die Schalter Sl bzw. 56 und veranlassen die Elemente 1 und 6. Ultraschallwellen zu erzeugen. Darauf werden in einer vorgegebenen Zeitverzögerung gegenüber den Antriebsimpulssignalen ρ I und p6 die Antriebsimpulssignale ρ 2 und ρ 5 erzeugt, die in entsprechender Weise die elektroakustischen Wandlerelemente 2 und 5 über die Schalter 52 bzw. 55 in Betrieb setzen, um diese Elemente 2 und 5 zur Abgabe von Ultraschallwellen zu veranlassen. Als nächstes werden die gegenüber den Antriebsimpulssignalen ρ 2 und ρ 5 leicht verzögerten Antriebsimpulssignale ρ 3 und ρ 4 erzeugt, die entsprechend die Elemente 3 und 4 über die Schalter 53 bzw. f« 54 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 ΑΊ fokussiert. Wenn als nächstes die Schalter 52 bis 5π geöffnet sind, und das Schieberegister 502 das Steuerimpulssignal C 2 erzeugt, erzeugen die UND-Tore 110 und 120 Ausgangssignale in einer Verzögerungszeit Dn auf Grund von Ausgangssignalen von den ODER-Toren 113, 123 und 134 auf Grund 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 D], und die UND-Tore 142 und 152 erzeugen einsprechend die Ausgangssignale in der Verzögerungszeit D₂. Die ODER-Tore 101 bis 106 erzeugen die Verzögerungsimpulssignale dl bis c/6 auf Grund der Ausgangssignale von den UND-Toren 110,120,131, 142 und 152.

Diese Verzögerungsimpulssignalc d I und dl werden in der Ver/.ögerungszeit Dn erzeugt, die Signale dl und c/6 in der Verzögerungszeit Di und die Signale c/4 und c/5 in der Verzögerungszeit D₂. Die Antriebsimpuls-Generatoreinheiten P\ bis Pd erzeugen die Antriebsimpulse ρ I bis ρ 6 in Verzögerungszeilen, die den Verzögerungszeiten der Verzögerungsinipulse d\ bis df> entsprechen, auf Grund der genannten Verzögerungsimpulssignale d\ bis c/6. Zuerst betreiben die Antriebsimpulse ρ 2 und ρ 7 die piezoelektrischen Elemente 2 und 7 über die Schalter 52 und 5 7. Als nächstes betreiben die Impulse ρ3 und ρ6 die piezoelektrischen Elemente 3 und 6 mit einer leichten Verzögerung über die Schalter 53 und 56. und die Impulse ρ 4 und ρ 5 betreiben die piezoelektrischen Elemente 4 und 5 mit einer weiteren leichten Verzögerung über die Schalter 54 und 55. 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 X 2 fokussiert, wie in gebrochenen Linien angedeutet ist. Dieser Punkt X2 ist um ein piezoelektrisches Element von dem Punkt ΛΊ parallelverschoben. Wenn in der oben beschriebenen Weise die Schaltoperationen der Schalter 51 bis Sn des Schaltkreises 52 Schalter um Schalter verschoben werden, und wenn simultan dazu die Verzögerungszeiten Db, Di und Di der Verzögerungsimpulse entsprechend festgelegt werder können die Brennpunkte Xl. X2... Xη 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 XI. X2, X3. XA. X5. X6 ... Xn— 5 und den Verzögerungszeiten Db. Di und D₂ der Verzögerungsimpulse d\ bis c/6.

Tabelle 1	d\	c/2	c/3	c/4	c/5	c/6
Brennpunkt	Do	Di	Di	Di	Di	Db
Xi	Da	Db	Dx	Di	Di	Di
X2	Di	Db	Do	Di	Di	Di
X3	Di	Di	Do	Do	Di	Di
X4	Di	Di	Di	Do	Db	Di
X5	Di	Di	Di	D>	Db	Db
X6

Xn-5

Db

Di

Wie aus der obigen Tabelle 1 ersichtlich ist werden die Brennpunkte nacheinander durch regelmäßiges Wiederholen der Verzögerungszeiten Db. Di und D₂ der

Verzögerungsimpulse d\ bis de in der Form von A) (= O)- Di— D₂- D₂- Di— D₀-* D\ verschoben.

Es soll nun die Art und Weise beschrieben werden, durch die Verzögerungszeiten D₀. D\ und D₂ festgelegt werden, siehe dazu F i g. 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, Ax₂ und Δχζ zwischen dem Abstand χ und den Abständen zwischen den entsprechenden Ebenen der piezoelektrischen Elemente und dem Punkt X durch die folgenden Gleichungen ausgedrückt:

Ix₁ = I.x² + (r//2)²-.x (1)

U₂= |.x²+(3(/'2)²-x (2)

Ijχ, = 1.x² + (5d/2)²-x (3)

wobei d den Abstand zwischen zwei angrenzenden Elementen ausdrückt. Wenn entsprechend die Geschwindigkeit, mit der die Ultraschallwellen durch ein Medium hindurchlaufen, mit Cbezeichnet wird, werden Zeitdifferenzen von Ati.Ati. Ali von den Ultraschallwellen benötigt, um den Punkt A' von den entsprechenden piezoelektrischen Elementen zu erreichen, wobei sich die Zeitdifferenzen wie folgt berechnen:

1/, =	Ix, Ic	(4)
Ii₂ =	Sx₁Ic	(5)
"3 =		(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 D\ der den piezoelektrischen Elementen 2 und 5 zugeführten Impulse

D₁ = Δ h - Δ h = (Ax₃ - Ax₂)Ic.

Die Verzögerungszeit D₂ der den piezoelektrischen Elementen 3 und 4 zugeführten Impulse drückt sich durch die Gleichung

D₂ =Δ ti - Δ t,

- Ax₁)Zc

aus. Wenn die Verzögerungszeiten Do, D\ 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 cder Ultraschallwellen auf 1500 fest, ergibt sich eine Beziehung zwischen den Verzögerungszeiten D] und D₂ zur Entfernung χ zwischen dem Punkt X und den piezoelektrischen Elementen, wie sie in F i g. 6 gezeigt ist Aus F i g. 6 läßt sich erkennen, daß bei Veränderung der Verzögerungszeiten D₁ und D₂ die Stellung des Brennpunktes X der Ultraschallwellenstrahlen verändert werden kann. Entsprechend werden, wse in F i g. 3 gezeigt, mehrere AusgangsanscbJusse 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 Objektsubstan; abzutasten, ohne daß die Stellung des Gerätes verändert wird.

Der schon erwähnte Schaltkreis 52 arbeitet elektronisch und ist in F i g. 7 dargestellt.

Die in Fig. 7 gezeigte Analog-Schaltkreiseinheit besitzt Analogschalter 51 bis Sn von gleicher Konstruktion. Zur Erläuterung sei beispielsweise der Analogschalter 51 beschrieben. Die Primärwicklung des Transformators 71 ist mit einem Ende an der Antriebsimpuls-Generatoreinheit Fl und dem Ultraschallwellenempfangssignal-Behandlungsgerät Q\ verbunden, und am anderen Ende mit dem Kollektor eines Transistors Ts\, dessen Basis über einen Widerstand Ru mit dem geerdeten Emitter verbunden ist. Die Sekundärwicklung des Impulstransformators 7Ί ist mit dem einen Ende an dem Kollektor des Transistors 7V₁, der Kathode einer Diode D, und dem piezoelektrischen Element I verbunden, während das andere Ende geerdet und mit der Anode der Diode D\ sowie mit dem Emitter des Transistors Tr, und über einen Widerstand /?2i mit dessen Basis verbunden ist. Die Basis des Transistors Ts\ ist über einen Widerstand /?ji mit dem Ausgangsanschluß eines Inverters Gn verbunden, während die Basis des Transistors Tn über den Inverter G₂\ mit dem Ausgangsanschluß des Inverters Cu verbunden ist. Der Eingangsanschluß des Inverters Cu ist mit einem Ausgangsanschluß eines Schaltersteuer-Schaltkreises SC verbunden. Dieser Schaltersteuer-Schaltkreis ist z. B. so aufgebaut, wie es in Fi g. 8A gezeigt ist. Ein Signal, wie es in F i g. 8B (b) gezeigt ist, das von einem Taktimpuls-Generator 501 erzeugt wird, wird einem Binärzähler 503 zugeführt und durch einen Flip-Flop-Schaltkreis FF geführt, um ein Signal zu erhalten, wie es in F i g. 8B (c) gezeigt ist. Dieses Signal (c) und das Signal (b) von dem Taktimpuls-Generator 501 werden einem Schieberegister zugeführt, um Signale SC1, 5C2, 5C3 ... 5Cn zu erhalten, wie es in F i g. 8B gezeigt ist. Die Ausgänge 5C1 bis SC η von dem Schaltersteuer-Schaltkreis SC weraen entsprechend den Analogschaltern 51 bis 5 π zugeführt.
Zur Erklärung der vorgenannten Schaltkreise 51 bis 5 π sei gesagt, daß zuerst die Ausgangssignale 5Cl bis 5C6 von dem Schaltersteuer-Schaltkreis SC den Schaltern S1 bis 56 zugeführt werden. Zur Erläuterung nur des Betriebs des Schalters 51 sei gesagt, daß das Ausgangssignal SC1 von dem Schaltkreis SC als eine positive Vorspannung zur Vorspannung des Transistors Ts\ über den Inverter Gn und den Widerstand Ä31 zugeführt wird, um diesen Transistor leitend zu machen. Andererseits wird der Ausgang des Inverters Cn als negative Vorspannung der Basis des Transistors Tn über den Inverter G21 zugeführt, um diesen Transistor zu sperren. Somit setzen die Antriebsimpulse von der Antriebsimpuls-Generatoreinheit Pt das piezoelektrische Element 1 über die Primärwicklung des Impulstransformators Ti, den Kollektor und Emitter des Transistors 7s. und der Sekundärwicklung des Impulstransformators Γι in der genannten Reihenfolge in Betrieb. Die verbleibenden Schalter 52 bis 56 werden in der gleichen Weise betätigt Wenn als nächstes die Ausgangssignale 5C2 bis 5C7 von dem Schaltersteuer-Schaltkreis SC erzeugt werden, werden die Schalter 5 2 bis 57 'leitend gemacht und die Schalter 5 S bis Sn nichtleitend gemacht Das heißt, im Schalter 51 wird der Transistor Ts\ abgeschaltet und der Transistor Γη

eingeschaltet. Der obengenannte 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 Objektsubstanz von den fokussierten Ultraschallwellenstrahlen abgetastet wurde, nämlich bei dem Ultraschallwellen-Sendebetrieb. Im folgenden wird der Betrieb beschrieben, bei dem das Bild der Objektsubstanz erhalten wird, indem die von der Objektsubstanz reflektierten Ultraschallweilenstrahlen wieder in elektrische Signale umgesetzt werden, nämlich dem Ultraschallwellen-Aufnahmebetrieb.

In dem Uitraschallwellen-Empfangsschaltkreis der Fig.9 werden von der Objektsubstanz reflektierte Ultraschallwellenstrahlen in Informationssignale Ii bis /6 durch die gleichen piezoelektrischen Elemente 1 bis 6 der elektroakustischen Wandlereinheit 53 umgewandelt, wie sie zur Aussendung der Ultraschallwellen benutzt weHen. Die Informationssignale /1 und /6 werden in der Verzögerungszeit D₂ empfangen, die Signale /2 und /5 in der Verzögerungszeit D₁, und die Signale /3 und /4 in der Verzögerungszeit D₀. Diese Informationssignale werden in entsprechender Weise Verstärkern A\ bis A 6 über die gleichen elektronischen Schalter 51 bis 56 des Schalter-Schaltkreises 52 zugeführt, wie sie zur Aussendung der Ultraschallwellen verwendet wurden. Die auf diese Weise verstärkten Informationssignale /J bis Ib werden entsprechend Ultraschallwellen aufnehmenden signalschaltenden Schaltkreisen R\ bis Rt zugeführt, die in gleicher Weise gezeigt sind. Diese schaltenden Schaltkreise R] bis R₆ werden entsprechend durch drei elektronische Schalter aufgebaut, nämlich durch W_n bis W₁₃, W₂₁ bis W₂₃, Wn bis W₃₃, JV₄I bis JV₄₃, W₅₁ bis JV₅₃ und IV₆₁ bis W₆₃. Die Informationssignale /1 und /6 werden über die entsprechenden geschlossenen Schalter Wn und W₆₁ der schaltenden Schaltkreise R\ und Rt einem Verzögerungs-Schaltkreis 271 mit der Verzögerungszeit D₀ zugeführt, die Signale /2 und /5 werden über die geschlossenen Schalter W₂₂ und W₅₂ einem Verzögerungs-Schaltkreis 272 mit der Verzögerungszeit D₁ zugeführt, und die Signale /3 und /4 werden über die geschlossenen Schalter W₃₃ bzw. W₄₃ einem Verzögerungs-Schaltkreis 273 mit einer Verzögerungszeit D₂ zugeführt Die Informationssignale /1, /6; /2, /5 und /3, /4, die in den verschiedenen Verzögerungszeiten D₂, D\ und Da 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 CRT zugeführt, wodurch ein Bild der Objektsubstanz auf dem Oszillographenschirm dargestellt wird. Die Informationssignale /2 bis 17, entsprechend dem nächsten Abtastpunkt X2, werden den Ultraschallwellen aufnehmenden signalschaltenden Schaltkreisen R₂ bis R₆ und A₁ über die Schalter 52 bis 57 und die Verstärker A 1 bis A 6 zugeführt. Die Informationssignale /2 bis /7, die diesen schaltenden Schaltkreisen zugeführt werden, werden durch die Schalter W₂₁, W₃₂, W₄₃, W₅₃, W₆₂ und W₁, geleitet, die durch Schaltersteuersignale geschlossen sind. Dann werden die Signale /2 und IY in den Verzögerungsschaltkreis 271 geführt, die Signale /3 und /6 in den Verzögerungs-Schaltkreis 272 und die Signale /4 und /5 in den Verzögerungs-Schaltkreis 273. Die über die Verzögerungs-Schaltkreise 271 bis 273 zusammengesetzten Informationssignale bewirken, daß ein Bild des Abtastpunktes X 2 auf dem Kathodenstrahl-Oszillographen abgebildet wird. Die schaltenden Schaltkreise R] bis Rb sind in genaueren Einzelheiten in

»5 Fig. 10 dargestellt. Die Analog-Tore Wn bis W₆₃ sind von MOS-Bauart und werden durch Steuersignale i?5io bis CSf,2 gesteuert, die durch die Zeitdiagramme der Fig. 11B dargestellt sind, wobei diese Zeitsteuersignale von dem Schieberegister 502 durch einen Schaltkreis gemäß Fig. 11A erhalten werden.

Wie oben dargestellt, wird ein vorgeschriebenes Bild auf die Kathodenstrahlröhre projiziert auf Grund der reflektierten Anteile der Ultraschallwellenstrahlen, die ununterbrochen die Objektsubstanz abtasten. D:e

»5 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 Richtungseigenschaiten 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 Fig. 12 gezeigten ausgezeichneten Richtungseigenschaften erhalten werden.

Die in F i g. 12 gezeigten Richtungseigenscha.en sind die, die man im Falle der Anwendung von Ultraschallwellen erhält. Jedoch erhält man die zusammengesetzte Richtcharakteristik von Ultraschallwellen-Aussendung und -empfang durch Quadrieren der Richtungskennlinien der Fig. 12. Entsprechend weist das erfindungsgemäße Gerät eine extrem gute Auflösung auf. Mit anderen Worten, die Intensität der Ultraschallwellen in der Nähe des Brennpunktes und die Ultraschallwellen-Empfangssignaispannung entsprechend der von der Nähe des Brennpunktes reflektierten Wellen sind höher, als es bei dem bekannten Gerät (Kurve a) der Fall ist das kein Fokussiersystem für die Ultraschallwellen verwendet Weiterhin besitzt das erfindungsgemäße Gerät eine Empfindlichkeit die proportional zur zweiten Potenz der Empfindlichkeit des bekannten Gerätes ist

Hierzu 11 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Ultraschallwellensende- und Empfangsgerät, mit mehreren in einer geraden Linie angeordneten elektroakustischen Wandlerelementen und mit diesen verbundenen elektronischen Schaltern, wobei jeweils einem Wandlerelement mindestens ein elektronischer Schalter zugeordnet ist und mehrere die^ ser Schalter entsprechend einer Gruppe von mehreren nebeneinanderliegenden Wandlerelementen gemeinsam betätigbar sind, mit einer Impulssignalgeneratoreinrichtung, die eine Verzögerungseinrichtung speist, welche an mehreren Ausgängen unterschiedlich verzögerte Impulssignale für die Erregung der Gruppe der mehreren nebeneinanderliegenden Wandlerelemente über die jeweils betätigten Schalter abgibt, wobei die elektronischen Schalter derart betätigt werden, daß die Gruppe der ausgewählte.': zu erregenden Wandlerelemente entlang der geraden Linie der Wandlerelementanordnung wandert, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulssignale an den Ausgängen (p 1 bis ρ 6) der Verzögerungseinrichtung (50, 51) synchron auf andere der Ausgänge der Verzögerungseinrichtung (50, 51) umschaltbar sind, derart, daß die Wandlerelemente (53) einer folgenden zu erregenden Wandlerelementgruppe zur Bildung eines Fokussierungspunktes (X) zumindest teilweise mit Impulssignalen erregt werden, die in der vorangehenden Wandlerelementgruppe anderen Wandlerelementen entsprechender Position zugeordnet waren, und daß die elektronischen Sciialter (J) der ersten Wandlerelementgruppe in der Linie der Wandlerelementanordnung (53) auf ihrer mit der ' erzögerungseinrichtung verbundenen Anschlußseite jeweils mit den elektronischen Schaltern gleicher Zählung zueinander benachbarter bzv/. nebeneinanderliegender Wandlerelementgruppen verbunden sind, so daß kein elektronischer Schalter innerhalb einer Wandlerelementgruppe mit einem anderen Schalter innerhalb derselben Wandlerelementgruppe verbunden ist, und daß die jeweiligen Wandlerelementgruppen mit unterschiedlicher Zeitverzögerung erregbar sind.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallwellensender folgende Einrichtungen und Merkmale aufweist:

eine Steuersignal-Generatoreinheit (40) mit einer Vielzahl von Ausgängen (C \ — C 6), an jo welchen ein Steuersignal in zirkulierender Weise erzeugbar ist;

eine Verzögerungsimpulssignal-Generatoreinheit (51), die an die Generatoreinheit (50) gekoppelt ist und in Abhängigkeit von dem Steuersignal mehrere Verzögerungssignale mit vorbestimmter Verzögerungszeit erzeugt, wobei zu einem Zeitpunkt wenigstens zwei der Verzögerungssignale erzeugt sind;
mehrere Impulstreibersignal-Generatoreinheiten (Pi-PG), die an die Verzögerungsimpulssignal-Generatoreinheit (51) gekoppelt sind, um in Abhängigkeit von einem entsprechenden Verzögerungssignal ein Treibersignal zu erzeugen: eine Schaltkreiseinheit (52) mit mehreren elektronischen Schaltergruppen (Si -Sn), die jeweils mit den Treibersignal-Generatoreinheiten (P \ — P6) verbunden sind.wobei die elektronischen Schalter aller elektronischen Schaltergruppen in der Anordnungsfolge aufeinanderfolgend betätigbar sind und eine mit den Impulstreibersignal-Generatoreinheiten (Pi-PS) gleiche Zahl von elektronischen Schaltern zu einem Zeitpunkt betätigbar ist

3. Gerät nach den Ansprüchen I uad 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ultraschallwcllenempfangsgerät über die betätigten elektronischen Schalter mit solchen durch die elektroakustischen Wandlerelemente erzeugten Empfangssignalen gespeist ist. die durch reflektierte Ultraschallwellen erhalten sind und die ihrerseits mit vorbestimmter Verzögerungszeit, und zwar wenigstens zwei zu einem Zeitpunkt, erzeugbar sind, und daß Mittel (271—273) zur Entzerrung bzw. Gleichmachung der Verzögerungszeiten der empfangenen Signale oder zum Zusammensetzen der empfangenen Signale vorgesehen sind.

4. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder elektronische Schalter einen Impulstransformator (Tn) aufweist, der eine mit einer vorbestimmten Treibersignal-Generatoreinheit (Pn) verbundene Primärwicklung und eine Sekundärwicklung besitzt, weiter ein erstes Halbleiter-Schaltelement (Tsn), welches in Abhängigkeit von dem Steuersignal aus der Schalter-Steuerschaltung (SC) zum Schließen eines Kreises der Primärwicklung leitend wird, und ein zweites Halbleiter-Schaltelemcnt (Trn) vorgesehen ist, welches in Abhängigkeit von dem Steuersignal nicht leitend wird, um einen Kurzschlußkreis der Sekundärwicklung zu öffnen.

5. Gerät nach Anspruch 3. dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallwellen-Empfangseinrichtung eine Vielzahl von Verstärkern (A\ — At) zur entsprechenden Verstärkung der über die betätigten Schalter der Schaltkreiseinheit (52) empfangenen Ultraschallwellensignale umfaßt, d-S mehrere weitere elektronische Schalter (W) vorgesehen sind, die selektiv die Empfangssignale von den Verstärkern zuvor bestimmten Signalleitungen zuleiten, und daß mehrere Verzögerungs-Schaltkreiseinheiten (271—273) vorgesehen sind, die zum Gleichmachen der Verzögerungszeiten der Empfangssignale jeweils mit den Signalleitungen verbunden sind, und daß Einrichtungen (300) zum Zusammensetzen der Ausgangssignale aus den Verzögerungs-Schaltkreiseinheiten (271—273) vorgesehen sind.