DE2813289C2 - Verfahren und Schaltungsanordnung zur Anregung von Ultraschallschwingern mit elektrischen Impulsen - Google Patents

Description

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ergibt, wobei A 1 die Amplitude des ersten Anregungsimpulses (i/l), Zßder akustische Wellenwiderstand eines dem Ultraschallschwinger zugeordneten Dämpfungskörpers (10) und Zs der Wellenwiderstand des Ultraschallschwingers (9) sind.

5. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet durch einen ersten Impulsgenerator (1) für den ersten Anregungsimpuls (Ul) sowie einen vom ersten Impulsgenerator triggerbaren zweiten Impulsgenerator (2) für den zweiten Anregungsimpuls (t/2) sowie eine Addierstufe (7) an den Ausgängen (5, 6) der beiden Impulsgeneratoren zur Bildung des Überlagerungssignals (U 3).

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Addierstufe (7) und Ultraschallschwinger (9) ein Breitbandverstärker (8) eingeschaltet ist, der die Überlagerungsspannung (3) am Ausgang des Addiergliedes (7) auf die erwünschte Anregungsamplitude naturgetreu verstärkt.

bO

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Anregung von Ultraschallschwingern mit elektrischen Impulsen in dem Sinne, daß ein akustischer Einzelimpuls mit cos²-ähnlichem Verlauf erzeugt wird.

Der Einsatz von Einzelimpulsen mit cos²-ähnlichem Verlauf ist immer dort von Interesse, wo es bei der Abtastung auf besonders gute Tiefenauflösung ankommt Das Einsatzgebiet erstreckt sich dabei sowohl auf die Ultraschall-Werkstoffprüfung als auch auf die medizinische Ultraschall-Diagnose. Ein besonderes Einsatzgebiet ist das der Impediographie (Impediography: a new ultrasonic technique for non-destructive testing and medical diagnosis von j. P. Jones aus »Ultrasonics International« 1973 Conference Procedings, Seiten 214 bis 218). Impulse der genannten Art lassen sich jedoch auch mit Vorteil bei der Raylographie und bei Abtastung nach dem sogenannten Flugzeitverfahren einsetzen.

Vorschläge für Systeme zur Erzeugung cos²-ähnlicher Abstrahlimpulse sind z. B. aus dem Buch »Werkstoffprüfung mit Ultraschall« von J. und H. Krautkrämer, Springer-Verlag, 1975, Seiten 132 bis 141, vorbekannt Diese bekannten Systeme setzen jedoch voraus, daß der Ultraschallschwinger auf seiner Rückseite mit einem Dämpfungskörper betrieben ist, der wellenwiderstandsmäßig an das Schwingermaterial angepaßt ist Durch Anregung mit einem Spannungssprung würde im Idealfall ein einzelner Rechteckdruckimpuls abgestrahlt Durch den endlichen Innenwiderstand der Spannungsquelle und aufgrund der Kapazität des Ultraschallschwinger* wird dieser Rechteckimpuls zu einem cos²-ähnlichen Verlauf verschliffen. Der Dämpfungskörper absorbiert ferner auch weitgehend die nach hinten abgestrahlte Druckwelle. Die unbedingt notwendige wellenwide^rstandsmäßige Anpassung zwingt jedoch zur Festlegung des Schwingersystems auf solche sehr eng begrenzte Kombinationen von Schwinger- und Dämpfungskörpermaterialien, die gerade die für die Anpassung günstigen Wellenwiderstände aufweisen. Gute Anpassung bei gleichzeitig guter Absorption im Dämpfungskörper ergibt sich, wenn als Schwingermaterial Bleimetaniobat und als Material für den Dämpfungskörper eine Mischung aus Kunststoff und Metallpulver hoher Dichte verwendet wird (J. und H. Krautkrämer, »Werkstoffprüfung mit Ultraschall«, 1975, Seite 141, 2. Absatz). Der Einsatz von Bleimetaniobat als Schwingermaterial ist erforderlich, obgleich dieses Material im Hinblick auf optimalen Schalldruck als Senderwerkstoff weniger gut geeignet ist als beispielsweise Bleizirkonat-Titanate (PZT), die in großer Zahl auf allen anderen Einsatzgebieten zur Erzeugung akustischer Pulsschwingungen eingesetzt werden (J. und H. Krautkrämer, »Werkstoffprüfung mit Ultraschall«, 1975, Seite 140, letzter Absatz, 4. und 5. Zeile). Bleizirkonat-Titanate als Schwingermaterial kamen jedoch deshalb nicht für die Erzeugung von Einzelimpulsen mit cos²-ähnlichem Verlauf in Frage, weil diese Stoffe so hohe akustische Wellenwiderstände haben, daß für sie eine Anpassung aus technologischen Gründen praktisch nicht möglich ist.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, einen Weg anzugeben, wie dennoch völlig unabhängig von der Art des Systemaufbaus des Ultraschall-Senders akustische Einzelimpulse erzeugt werden können, die cos²-ähnlichen Verlauf aufweisen.

Die Aufgabe wird mit einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß einem ersten elektrischen Anregungsimpuls, dessen Anstiegszeit kleiner oder gleich, vorzugsweise jedoch gleich, der Laufzeit einer akustischen Welle im Ultraschallschwinger ist und dessen Abfallzeit wesentlich größer, z. B. wenigstens zehnmal größer ist als die Laufzeit, ein zweiter Anregungsimpuls überlagert wird, der gegenüber dem Beginn des ersten Anregungsimpul-

ses vorzugsweise um etwa zwei Drittel der Laufzeit verzögert ist, und dessen Dauer etwa der Laufzeit entspricht, und daß das Oberlagerungssignal das elektrische Anregungssigna] für den Ultraschallschwinger ist

Eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch einen ersten Impulsgenerator für den ersten Anregungsimpuls sowie einen vom ersten Impulsgenerator triggerbaren zweiten Impulsgenerator für den zweiten Anregungsimpuls sowie eine Addierstufe an den Ausgängen der beiden Impulsgeneratoren zur Bildung des Überlagerungssignals.

Mit der Erfindung lassen sich also durch Vorgabe einer exakt definierten elektrischen Anregungsform kurze cos²-ähnliche Druckimpulse in der erwünschten Weise erzeugen. Die cos^ähnliche Form der Druckimpulse ergibt sich lediglich aufgrund der speziellen Anregungsform; ihre Erzeugung ist völlig unabhängig vom Sendersystemaufbau. Es lassen sich damit auch nichtangepaßte Systeme verwenden. Da bei einem solchen nichtangepaßten System die Wahl des Schwingermaterials völlig frei ist, können im Gegensatz zu bisher auch Schwinger auf der Basis von Bleizirkonat-Titanaten (PZT) mit all ihren besonderen Vorteilen eingesetzt werden. Die spezielle elektrische Anregungsform läßt sich mit Hilfe von lediglich zwei Impulsgeneratoren synthetisieren. Die Ausgangsimpulse dieser Impulsgeneratoren (erster und zweiter Anregungsimpuls) müssen nach Anstiegszeit, Abfallzeit und Impulsbreite lediglich unabhängig voneinander einstellbar sein.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung sollte die Anstiegs- und Abfallzeit des zweiten Anregungsimpulses vorzugsweise im Bereich etwa ein Drittel seiner Dauer liegen. Die Amplitude des ersten Anregungsimpulses ist beliebig vorgebbar. Die Amplitude des zweiten Anregungsimpulses geht mit der Amplitude des ersten Anregungsimpulses, dem Wellenwiderstand Z_s des Ultraschallschwingers und dem akustischen Wellenwiderstand Zd eines dem Ultraschallschwinger zugeordneten Dämpfungskörpers eine Beziehung nach der Formel

verhindert die Entstehung weilerer Schwingungen nach Abgabe der erwünschtea Getriggert vom ersten Impulsgenerator über den Triggereingang 4 erzeugt auch der zweite Impulsgenerator 2 einen Ultraschalümpuls U2 (Fig. 2). Die Abgabe dieses Impulses erfolgt dabei verzögert Die Verzögerungszeit gegenüber dem ersten Anregungsimpuls U1 beträgt etwa zwei Drittel der Laufzeit f_sder Welle im Schwinger. Der Impuls U 2 hat die Form eines schmalen Trapezes. Die Amplitude

ίο A 2 des Impulses ist im vorliegenden Fall kleiner als die Amplitude A i des ersten Anregungsimpuises Ui. Der zweite Anregungsimpuls U 2 hat ferner im vorliegenden Fall umgekehrte Polarität zum ersten Anregungsimpuis U1. Die Dauer des Impulses t/2 entspricht der Laufzeit fj. Anstiegs- und Abfallzeit des Impulses t/2 betragen etwa ein Drittel der Impulsdauer. Die Amplitude A 2 ist auf d;e rückseitige Bedämpfung des Ultraschallschwingers abgestimmt Hat der erste Anregungsimpuls t/l also die Amplitude A 1, so ergibt sich für die Amplitude A 2 des zweiten Anregungsimpulses t/l allgemein die Beziehung

A₂ = A₁ ■

Z_n - Z_s

Wie bereits angedeutet ist Zp der akustische Wellenwiderstand des Dämpfungskörpers. Zs ist der Wellenwiderstand des Piezoschwingers.

Die Anregungssignale Ui und t/2 der beiden Impulsgeneratoren 1 und 2 werden in einem Addierglied 8 (z. B. passiv in einem Widerstandsnetzwerk) addiert Das Überlagerungssignal t/3 (Fig.2) wird dann über einen Breitbandverstärker 8 dem Piezoschvur.ger 9 mit Dämpfungskörper 10 zugeleitet. Qieser Schwinger 9 erzeugt daraufhin einen Ultraschallimpuls mit dem in F i g. 2 dargestellten cos²-ähnlichen Druckverlauf P.

Der Breitbandverstärker 8 soll das Überlagerungssignal t/3 auf die erwünschte Anregungsamplitude möglichst naturgetreu verstärken. Dies ist erfüllt wenn für obere und untere Grenzfrequenz f_o und f_u des Verstärkers 8 folgende Bedingungen eingehalten werden:

Al = Al

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung in Verbin- w dung mit den weiteren Unteransprüchen.

Es zeigt

F i g. 1 ein Ausführungsbeispiel im Prinzipschaltbild,

F i g. 2 ein Diagramm der wesentlichsten Spannungsverläufe im Prinzipschaltbild der F i g. 1. 3-,

In der F i g. 1 sind mit 1 und 2 ein erster und ein zweiter Impulsgenerator bezeichnet. Der erste Impulsgenerator 1 ist an einem Triggereingang 3 durch einen Sendetriggerimpuls triggerbar. Der zweite Impulsgenerator 2 ist vom ersten Impulsgenerator 1 über einen wi Triggereingang 4 triggerbar. Bei Triggerung des ersten Impulsgenerators 1 durch Sendetriggersignal am Eingang 3 erzeugt dieser an seinem Ausgang 5 einen trapezförmigen Impuls U1 (F i g. 2), dessen Anstiegszeit tan gleich der Laufzeit t_s einer Welle im verwendeten en Piezoschwinger ist und dessen Abfallzeit t„b im vorliegenden Fall wenigstens zehnmal so groß ist wie die Anstiegszeit. Die verhältnismäßig lange Abfallzeit

Für den Ausgangswiderstand R_a des Verstärkers muß gelten:

Hierbei ist
schwingers 9.

2 -τ ./„ · C₀
die geklemmte Kapazität des Piezo

Zusammenfassung

Verfahren und Schaltungsanordnung

zur Anregung von Ultraschallschwingern

mit elektrischen Impulsen

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung ^jr Anregung von Ultraschallschwingern mit elektrischen Impulsen in dciu Sinne, daß ein akustischer Einzelimpuls mit cos^?-ähn!^:rhem Verlauf erzeugt wird. Wünschenswert ist, daß ein solcher Einzelimpuls mit einem cos²ähnüchei Verlauf unab-

hängig von einer wellenwiderstandsmäßigen Anpassung des Sendersystems erzeugt wird. Gemäß der Erfindung ist dies dadurch erreicht, daß ein erster elektrischer Anregungsimpuls (t/l) erzeugt wird, dessen Anstiegszeit (t_2n) kleiner oder gleich, vorzugsweise jedoch gleich, der Laufzeit (t_s) einer akustischen Welle im Ultraschallschwinger (9) ist und dessen Abfalizeit (t,b) wesentlich größer, z. B. wenigstens zehnmal größer ist als die Laufzeit (t_s). Diesem Impuls wird ein zweiter Anregiingsimpuls (U2) überl gegenüber dem Beginn des ersten Anregung um vorzugsweise etwa zwei Drittel der La verzögert ist. Die Dauer des zweiten entspricht etwa der LaufzeiL Das Überlageru (i/3) ist das elektrische Anregungssignal Uitraschallschwinger (9). Die Erfindung läßt sie bei der Ultraschall-Werkstoffprüfung als auch sehen I Htraschail-Diagnostik einsetzen (F i g. 2

Hierzu 1 Blau Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Anregung von Ultraschallschwingern mit elektrischen Impulsen in dem Sinne, daß ein akustischer Einzelimpuls mit cos²-ähnlichem Verlauf erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß einem ersten elektrischen Anregungsimpuls (L/1), dessen Anstiegszeit (ί_ω) kleiner oder gleich, vorzugsweise jedoch gleich, der Laufzeit (t_s) einer akustischen Welle im Ultraschallschwinger (9) ist und dessen Abfallzeit (t₃b) wesentlich größer, z. B. wenigstens zehnmal größer ist als die Laufzeit (i_s), ein zweiter Anregungsimpuls (U 2) überlagert wird, der gegenüber dem Beginn des ersten Anregungsimpulses (Ui) vorzugsweise um etwa zwei Drittel der Laufzeit fI₅) verzögert ist und dessen Dauer etwa der Laufzeit (t_s) entspricht, und daß das Überlagerungssignal (i/3) das elektrische Anregungssignal für den Uliraschallschwinger (9) ist

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anstiegs- und Abfallzeit des zweiten Anregungsimpulses (i/2) vorzugsweise im Bereich etwa ein Drittel seiner Dauer (t_s) liegen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude (A 1) des ersten Anregungsimpulses (U1) beliebig vorgebbar ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Amplitude (A 2) des zweiten Anregungsimpulses (U2) nach der Beziehung