Title:
Anordnung und Verfahren zur kombinierten Bestimmung von Schallgeschwindigkeiten und Abständen in Medien mittels Ultraschall
Kind Code:
B4


Abstract:

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren 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 (3) 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) erhält 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.
Die Lösung besteht darin, 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 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, ...




Inventors:
Lenz, Michael (01307, Dresden, DE)
Gust, Norbert (01328, Dresden, DE)
Kühnicke, Elfgard (01239, Dresden, DE)
Application Number:
DE112010002450T
Publication Date:
12/07/2017
Filing Date:
06/11/2010
Assignee:
Technische Universität Dresden, 01069 (DE)
Domestic Patent References:
DE102008010582B3N/A



Foreign References:
4241611
4257271
Other References:
Kühnicke E. , Lenz M. , Gust N. : Neue Ultraschallmessverfahren. In Sensoren und Messsysteme 2010; Vorträge der 15. ITG/GMA-Fachtagung vom 18. bis 19. Mai in Nürnberg; ITG ; GMM ; GMA ; AMA (Hrsg.); VDE VERLAG GMBH, Berlin, Offenbach; ISBN 978-3-8007-3260-9; S. 280- 286
Attorney, Agent or Firm:
Patentanwälte Rauschenbach, 01187, Dresden, DE
Claims:
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,
– 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) erhält 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 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) 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 (Vi) 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 Punktreflektors (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 (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 Schallgeschwindigkeitsunterschiede 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 (cMed) zwischen Punktreflektor (5) und Ultraschallwandler (3) mit den Gleichungen (V) und (VI) 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 (cj,j+1) zwischen zwei auf der akustischen Schallkopfachse (12) liegenden (j, j + 1)-Punktreflektoren (51, 52) über die Gleichung (VII) berechnen lässt, und wobei tj+1 – tj die einfache Schallaufzeit zwischen den zwei Punktreflektoren (51, 52) ist, und wobei aW(j+1) – aw(j) 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 gemittelte 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 UI-traschallwandler (3) zum Fokuspunkt (F; F1, F2, F3) im Medium (4) liefern, und wobei eine Bestimmung der mittleren Schallgeschwindigkeit (cMed) bis zum Fokuspunkt (F; F1, F2, F3) und des Abstandes (aMed) zwischen dem Ultraschallwandler (3) und dem Fokuspunkt (F; F1, F2, F3) mit den Gleichungen (V) und (VI) 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; F1, F2, F3) ist, und wobei cW die Schallgeschwindigkeit des Kalibriermediums (W) ist, und eine Wiederholung des Vorgangs für weiter entfernt liegende Fokuspunkte (F1, 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 + 1)-Fokuspunkten (F; Fi) über die Formel berechnen lässt, wobei tj+1 – tj die einfache Schallaufzeit zwischen den zwei Fokuspunkten (Fj, Fj+1) ist, und wobei aWj+1 – aWj 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 (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.

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 (F1, F2, F3 ...) die Fokussierung (Vmax(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 (aW1, aW2, aW3 ...) des Punktreflektors (5) und Wiederholung des Vorganges eine Tabelle (T) bereitstellt, so dass jedem Abstand (aW1, aW2, aW3 ...) des Punktreflektors (5) ein elektronischer 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 Größenordnung der Ultraschallwellenlänge (λ) oder geringer sind, die kleiner als die gewählten Fokussierungsschritte und mit anderer Schallkennimpedanz als das zu untersuchende Medium (4, 41, 42) 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): 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 Grenzfläche (11) liefert, wobei cMed 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 = 0 cMed die mittlere Schallgeschwindigkeit vom Punktreflektor (5) zum Ultraschallwandler (3) liefert, wobei cMed 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 Fokussierung 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 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 Sendesignale 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 (F;) fokussiert,
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 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 (FiW) bestimmt und als Funktion der Fokussierung darstellt, die elektronische Fokuseinstellung für das Maximum ermittelt und durch Variation des Abstandes (aiW) 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 (Fi) entlang der Achse (12) für den jeweiligen Fokuspunkt (Fi) das reflektierte Signal auf dem Zentralempfangselement (15) registriert, woraus die Schalldruckamplitude für das Zentralempfangselement (15) für jeden Fokuspunkt (Fi) 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 Schalldruckamplituden-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 (t41, t42) zwischen der vorderen Grenzfläche (G1, G2) und der hinteren Grenzfläche (G2, G3) der zu untersuchenden Schicht (41, 42) und der ermittelten äquivalenten Schichtdicke (dW) bezüglich des Kalibriermediums (W) die Schallgeschwindigkeit (CMed41, CMed42) in der zu untersuchenden Schicht (41, 42) und deren Schichtdicke (dMed41, dMed42) bestimmt werden.

16. Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Zentralempfangselement (15) zur Bestimmung von Schalldruckamplituden-Kurven vorgesehen ist, wobei die Abmessungen, z. B. Durchmesser dZ, Seitenlänge, des Zentralempfangselementes (15) im Bereich einer Ultraschallwellenlänge in Bezug auf das Medium (4) liegen.

17. Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallwandler (3) als Ringelementeanordnung oder als Matrixanordnung 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 Flüssigkeitsvorlauf (VL) eingesetzt ist.

19. Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass für einen Einzelelemente-Ultraschallwandler mit dem Zentralempfangselement (15) oder für einen unfokussierten oder vorfokussierten Mehrelemente-Ultraschallwandler mit dem Zentralempfangselement (15) die Veränderung der Fokuspunkte (Fi) 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 Ultraschallwandler (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 (a1W) 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 nach Anspruch 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 ausgebildet ist, um eine Schräglage des Ultraschallwandlers (3) in Bezug auf die Grenzfläche (G1, G2, G3) zu erkennen und um 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 Auswerteeinheit (8) in Form von synthetischer Fokussierung den Ultraschall schrittweise entlang der Schallkopfachse (12) des Ultraschallwandlers (3) auf einzelne Fokuspunkte (F1, 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 (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) 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 in einem Medium (4), wobei durch die schrittweise Fokussierung dasjenige Fokussierungsregime (Vi) 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 (Vmax(aMj)) und aus dem von der Kalibriereinheit (9) bereitgestellten tabellarischem Zusammenhang (T) zwischen dem Fokussierungsregime (Vmax(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 Vmax(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 (V1, 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 (F1, 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) gehörigen gemessenen Echosignale bei der elektronischen Sendefokussierung oder mittels einer Rechnung überlagerten Echosignale bei der synthetischen Fokussierung 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; F1, F2, F3) im Medium (4) die über verschiedene Sendepulse gemittelte Echosignalamplitude von jedem Fokuspunkt (F; F1, 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 Flüssigkeit 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 gemittelten 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 Fokuspunkte (F; F1, F2, F3) die Genauigkeit der Schallgeschwindigkeitsmessungen zu erhöhen und/oder um die Eigenschaften der Flüssigkeit oder des Gewebes zu bestimmen.

30. Verfahren zur kombinierten Bestimmung von Schallgeschwindigkeiten und Abständen 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 (Fi), 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 der von einer festen Kalibrierwand (16) reflektierte Ultraschall, der von dem für die folgenden Messungen eingesetzten Ultraschallwandler (3) erzeugt wird, auf einem Zentralempfangselement (15) für unterschiedliche Fokuspunkte (Fi) bestimmt und als Funktion der elektronischen Fokussierung dargestellt und die elektronische Fokuseinstellung für das Maximum ermittelt, wobei durch Variation 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 (t41, t42) 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 (cMed), wobei durch eine schrittweise Verschiebung des Fokuspunktes (Fi) entlang der Schallkopfachse (12) für den jeweiligen Fokuspunkt (Fi) das reflektierte Signal auf dem Zentralempfangselement (4) registriert wird, wobei daraus die Schalldruckamplitude für das Zentralempfangselement (15) für jeden Fokuspunkt (Fi) 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 (t41, t42) zwischen vorderer Grenzfläche (G1, G2) und hinterer Grenzfläche (G2, G3) der zu untersuchenden Schicht (41, 42) und der ermittelten äquivalenten Schichtdicke (dW) bezüglich des Kalibriermediums (W) die Schallgeschwindigkeit (CMed41, CMed42) in der zu untersuchenden Schicht (41, 42) und deren Schichtdicke (dMed41, dMed42) bestimmt werden.

31. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem mehrschichtigen Medium (41, 42) die Bestimmung der Schallgeschwindigkeit (cMed41, cMed42) und der Schichtdicke (dMed41, dMed42) in den einzelnen Schichten (41, 42) sukzessiv von der dem Ultraschallwandler (3) am nächsten liegenden Schicht an sich entfernend erfolgt, wobei zur Berechnung der Schallgeschwindigkeit (cMed) und der Schichtdicke (dMed) die Gleichungen (XV) und (XI) gelten 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 (G1, 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 (Fi) durch einen der folgende Schritte
a) durch eine elektronische Sendefokussierung des Ultraschalls durch eine dem Zeitverzögerungsregime (V1, 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 (V1, 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.

Description:

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 Ultraschallwandlers 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 A 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 Ultraschall-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 A beschrieben, um dabei eine dynamische Fokussierung und eine minimale Phasenverzögerung zu erreichen. Die Elemente sind derart geschaltet, dass die Ausgangssignale 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 Körper 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 Materialparameter oder Konzentrationen zu ermitteln, so wird üblicherweise ein Vergleichsreflektor an einer vorgegebenen Position zur Bestimmung des Schallweges genutzt.

Herkömmliche technische Messverfahren benötigen zur Schallgeschwindigkeitsmessung 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 2002/134 159 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 EP 1 491 886 A1 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 festen 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 elektrischen 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 Fi 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 Zusammenhang 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 Punktreflektor 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 Kalibrierungsmedium 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.

Die Punktreflektoren zur Kalibrierung können Objekte in der Größenordnung der Ultraschallwellenlänge (λ) oder geringer sein, die kleiner als die gewählten Fokussierungsschritte und mit anderer Schallkennimpedanz als das zu untersuchende Medium sind. Vorteilhafterweise sind die Objekte Metall- oder Glaskügelchen.

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 Schallgeschwindigkeit 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 mehrerer Elemente mittels elektronischer Fokussierung oder mittels synthetischer Fokussierung in Form einer zeitverzögerten Überlagerung der auf den einzelnen Elementen sich ergebenden Echosignale erfolgen.

Das Medium kann ein Flüssigkeitsgemisch sein, das mit unterscheidbaren Punktreflektoren 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 zwischen 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 Δt1, 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 können 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 Ultraschallwandler 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 Therapieüberwachung, 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 Schallgeschwindigkeit 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 Temperatur- 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 Fi 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 a2W für die unterschiedlichen Fokuspunkte FiW bestimmt, als Funktion der elektronischen Fokussierung darstellt, die elektronische Fokuseinstellung für das Maximum Fok ermittelt und durch Variation des Abstandes a2W, a3W, a4W, ... 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 Fi 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 untersuchenden 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 dMed 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. Array) 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 Fokuspunkte F1W, F2W, F3W ..., die durch elektronische Fokussierung oder durch synthetische Fokussierung bei Verwendung von Zeitverzögerungsregimen V1, 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 a1W, 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 dMed in mindestens einem Medium mittels Ultraschall durch die Erfassung von zwei unabhängigen Messgrößen:

  • – der Laufzeit des Ultraschalls im Medium und
  • – der materialbedingten Verschiebung der Fokuspunkte Fi, 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 inneren 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 Fi bestimmt werden, als Funktion der elektronischen Fokussierung dargestellt und die elektronische Fokuseinstellung für das Maximum ermittelt werden, wobei durch Variation des Kalibrierwandabstandes und durch Wiederholung 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 Kalibrierungskurven der äquivalente Abstand aW der reflektierenden Grenzfläche bezüglich 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 CMed 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 Schichtdickenbestimmung 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:

1 eine erfindungsgemäße erste Anordnung zur kombinierten Bestimmung von Schallgeschwindigkeiten und Abständen in Medien mittels Ultraschall, wobei

1a eine schematische Darstellung der gesamten Anordnung bei einem einschichtigen Medium,

1b eine vergrößerte Medium-Ultraschallwandler-Anordnung nach 1a,

1c eine schematische Darstellung der Anordnung zur Kalibrierung im Kalibriermedium W und

1d eine schematische Darstellung der Anordnung nach 1a bei Vorhandensein mehrerer Schichten 41 und 42
zeigen,

2 ein Schallfeld für einen unfokussierten Schallkopf (f = 20 MHz, d = 4.8 mm) in einem Festkörper nach 20 mm 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

2a einen Längsschnitt,

2b einen Querschnitt des Schallfeldes im Fokus bei z = 17 mm und

2c ein Sende-Empfangsfeld (SE-Feld) für die gleiche Anordnung im Fokus bei z = 17 mm,
zeigen,

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 angegeben 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

3a Fok = 7 mm, p = 385 (0,0,7.4) in Wasser,

3b Fok = 10 mm, p = 543 (0,0,10.2) in Wasser,

3c Fok = 13 mm, p = 558 (0,0,13.0) in Wasser,

3d Fok = 7 mm, p = 320 (0,0,3.1), V = –4.3 mm in Plexiglas,

3e Fok = 10 mm, p = 762 (0,0,4.8), V = –5.4 mm in Plexiglas, und

3f Fok = 13 mm, p = 886 (0,0,6.4), V = –5.6 mm in Plexiglas, erreicht wird,

4 ein Schallfeldprofil entsprechend 2 und durch Simulationsrechnungen ermittelte Amplitudenhöhe für verschiedene Punktreflektorgrößen mit berechneter Schalldruckamplitude auf dem Empfänger für einen kugelförmigen Punktreflektor mit einem Radius r = 0.4 mm ≈ λ und einen kugelförmigen Punktreflektor mit einem Radius r = 1.2 mm ≈ 3λ bei unterschiedlichen Entfernungen von der Achse, wobei der kugelförmige Punktreflektor oder der Schallkopf entlang einer Linie radial nach außen bewegt wird,

5 eine Kalibrierkurve für einen kugelförmigen Punktreflektor r = 0.05 mm in Wasser im Abstand a = 10 mm mit der gegebenen Ringelementeanordnung des Ultraschallwandlers, gewonnen aus dem Schallfeld auf den empfangenden Elementen,

6 Amplitudenkurven für je einen kugelförmigen Punktreflektor mit einem Radius von r = 0.05 mm in der zweiten Schicht von einem zweischichtigen Medium, wobei die erste Schicht eine 5 mm dicke Wasserschicht mit der Schallgeschwindigkeit c = 1500 m/s ist und das zweite Medium eine Schallgeschwindigkeit von c = 1620 m/s besitzt, und wobei der erste Punktreflektor sich im Abstand von 5 mm nach der Wasserschicht und der zweite Punktreflektor im Abstand von 8 mm nach der Wasserschicht im zweiten Medium befinden.

77a 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,

7b Berechnete Schalldruckamplitude des verwendeten Ultraschallwandlers für die verwendete Anordnung.

7c Form der für die Fokussierung verwendeten Ultraschallinse.

8 eine modifizierte erfindungsgemäße zweite Anordnung zur kombinierten Bestimmung von Schallgeschwindigkeiten und Abständen, insbesondere Schichtdicken in Medien mittels Ultraschall, wobei

8a eine schematische Darstellung der Anordnung mit einem Zentralempfangselement,

8b eine vergrößerte Darstellung der Ultraschallwandler-Medium-Anordnung mit dem Zentralempfangselement nach 8a,

8c eine schematische Darstellung der Anordnung mit einem Zentralempfangselement zur Kalibrierung und

8d eine vergrößerte schematische Darstellung der Anordnung mit einem Zentralempfangselement zur Kalibrierung nach 8c zeigen,

9 Schalldruckamplituden als Funktion des elektronischen Fokuspunktes, die Kalibrierungskurven für das Zentralempfangselement darstellen, wobei

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 = 12 mm, einer Frequenz von 3 MHz und einer Dicke der Wasserschicht mit aW = dW = 13 mm und aW = dW = 10 mm, und

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 3 MHz und einer Schichtdicke der Wasserschicht mit aW = dW = 10 mm
zeigen, und

10 Schalldruckamplituden als Funktion des elektronischen Fokuspunktes für mehrschichtige Medien für einen großen Ultraschallwandler, wobei

10a die reflektierte Amplitude von der hinteren Grenzfläche einer Gewebeschicht mit einer Schichtdicke von 5 mm nach einem Wasservorlauf von 5 mm,

10b die reflektierte Amplitude von der hinteren Grenzfläche einer Gewebeschicht mit einer Schichtdicke von 8 mm nach einem Wasservorlauf von 5 mm und

10c die reflektierte Amplitude von der hinteren Grenzfläche einer Plexiglasschicht mit einer Schichtdicke von 5 mm nach einem Wasservorlauf von 5 mm
zeigen.

Im Folgenden werden die 1a, 1b, 1c und 1d gemeinsam betrachtet. In 1a ist in einer schematischen Darstellung eine erste Anordnung 10 zur kombinierten Bestimmung von Schallgeschwindigkeiten und Abständen in einem Punktreflektoren 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 Umschaltung der Sende-Empfangs-Weiche 2 die von den im Medium 4 enthaltenen Punktreflektoren 5 reflektierte Ultraschallwelle mit den Elementen 31, 32, 33 des Ultraschallwandlers 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 (1c) 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,
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 maximal wird,
wobei die Auswerteeinheit 8 für einen im Medium 4 befindlichen Punktreflektor 5 das Fokussierungsregime Vmax(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 ermittelt, 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 Δt1, Δt2, ..., Δtn 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; F1, 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 2a zeigt den Längsschnitt des Schallfeldes für einen unfokussierten Ultraschallwandler 3 in einem Festkörper nach einem Wasservorlauf VL. Das Schallfeld besitzt am Ende des Nahfeldes bei z = 17 mm 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 2a und im Querschnitt bei z = 17 mm in 2b zu sehen ist, wird aber im Folgenden als Fokuspunkt bezeichnet. Der Abstand z des natürlichen Fokuspunktes hängt von der Elementgröße 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 verschiedenen Medien ineinander gemäß Gleichung (II) umrechnen

Durch zusätzliche Fokussierung mit Hilfe einer Linse oder bei Ultraschallwandlern mit mehreren einzelnen Elementen durch elektronische Fokussierung lässt sich der Fokuspunkt 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 lassen sich mit Hilfe von Simulationsrechnungen ermitteln.

In 3 werden die Schallfelder in den Medien Wasser und Plexiglas jeweils bei gleichem Ultraschallwandler 3 und bei der gleichen elektronischen Fokussierung verglichen. In der 3 ist das normierte Maximum p für das Schallfeld einschließlich 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. 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.

4 zeigt die berechnete Schalldruckamplitude auf den empfangenden Elementen für einen kugelförmigen Punktreflektor 51 mit einem Radius r = 0.4 mm ≈ λ und einen kugelförmigen Punktreflektor mit einem Radius r = 1.2 mm ≈ 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 = 0.4 mm, entspricht etwa einer Wellenlänge λ, sind deckungsgleich miteinander und deckungsgleich mit der Profillinie für das SE-Feld von 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 1 b 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 = 1500 m/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 Fokussierung 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 Schallgeschwindigkeit (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 (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 Grenzfläche 11 bestimmt werden. Zur gleichzeitigen Bestimmung des Abstandes aM1 eines Punktreflektors 5 und der Schallgeschwindigkeit vor dem Punktreflektor 5 wird ein Ultraschallwandler 3 mit ringförmigen Elementen 31, 32, 33 eingesetzt, wie auch in 1d gezeigt ist.

Mit der Ringelementeanordnung 31, 32, 33 werden zuerst Kalibrierungskurven entsprechend 5 aufgenommen, indem in einem Wasserbad W entsprechend 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 = 0.05 mm, d. h. der insbesondere auch kleiner als die Wellenlänge λ ist, verwendet.

Tab. 1 zeigt die aus den Kalibrierkurven, eine davon ist dargestellt in 5, ermittelten Maximumlagen im Kalibriermedium W – Wasser – für verschiedene Punktreflektorabstände innerhalb des Wassers (c = 1500 m/s). Tab. 1:Kalibrierung: Zusammenhang zwischen geometrischem Fokus (elektronische Fokussierung) und Lage des Maximums für Kalibriermedium W – Wasser – c = 1500 m/s (ermittelt aus Kalibrierkurven entsprechend Fig. 5 mit einem Punktreflektor r = 0,05 mm)

Punktreflektorlage aW7,510,511,512,513,5Fok. für Max7,410,511,512,513,4

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 1d vor: Ein kugelartiger Punktreflektor 5 mit einem Radius r = 0.05 mm 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 5 mm dicke Wasserschicht mit einer Schallgeschwindigkeit von c = 1500 m/s. Die Dicke der ersten Schicht 41 – der Wasservorlauf VL = 5 mm – ist vorgegeben oder vorher entsprechend dem beschriebenen Verfahrens ermittelt worden. Der kugelartige Punktreflektor 5 befindet sich im zweiten Medium 42, zunächst im Abstand von aM1 = 10 mm (5 mm Wasserschicht + 5 mm Abstand von Grenzfläche 11 vom Wasser zum zweiten Medium 42) und anschließend im Abstand von aM1 = 13 mm (5 mm Wasserschicht + 8 mm 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 aM1 des kugelartigen Punktreflektors 5 vom Ultraschallwandler 3 bestimmt. Dazu wird zunächst die Signallaufzeit tj, die den Abstand aM1 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.

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 Messkurven in 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) 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 = 5 mm, und die Schallgeschwindigkeit für das erste Medium 41 ist gleich der Schallgeschwindigkeit cW des Kalibriermediums W – Wasser -. Mithilfe von Gleichung (IV) 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)

Mess-Situationtj/10–6s (gemessen)Elektronische Fokussierung für MaximumaW/mm (ermittelt aus Tab. 1)BerechnetmitGleich ung (III), (IV)Korrigierte Werte mit Tab. 4 cMed/ms–1cMed/ms–1aMed/mmi1- Schichtsystem; Fluid, c = 1620 m/s Punktreflektorabstand von sendenden Elementen 9 mm5,5556Fok = 9,89,816272-Schichtsystem 5 mm Wasservorlauf, 2. Schicht c = 1620 m/s Punktreflektorabstand von sendenden Elementen 10 mm3,086Fok = 10,410,416202-Schichtsystem 5 mm Wasservorlauf, 2. Schicht c = 1620 m/s Punktreflektorabstand von sendenden Elementen 13 mm4,938Fok = 13,6/13,713,61616
1626
1-Schichtsystem c = 2730 m/s Punktreflektorabstand von sendenden Elementen 6 mm2,198Fok = 12,412,429096,3927522732

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) 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 (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 0.2 mm, bei Plexiglas im Fokussierungsbereich jedoch immerhin ca. 0,75 mm. 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 Berechnung des Schallfeld-Längsschnittes für den eingesetzten Ultraschallwandler 3 bei den entsprechenden Fokussierungen in der Nähe der ermittelten Schallgeschwindigkeit (Tab. 4). Tab. 3Abweichung dv zwischen den ermittelten Fokuslagen aus Schallfeldberechnung und mit Hilfe der Näherungsformel – Unterschied um 0.1 mm = Fehler bei FokussierungTab. 4 Aus dem Schallfeld (Längsschnitt) ermittelte Fokuspunktlagen und zugehörige Schalllaufzeiten

Elektronische Fok.Wasser c = 1500 m/s aKMaximum für c = 1600m/sMaximum für c = 1700 m/sMaximum für c = 2700 m/sc = 2800 m/s1Fok = 7 mm7.46,86,33,13,02Fok = 8 mm8,37,77,13,73,53Fok = 9 mm9,38,6
(t = 5,375 μs)
8,0
(t = 4,706 μs)
4,34,0
gemittelte Werte für Fok = 9,8 mm, c = 5,5556 m/s(t = 5,825 μs)(t = 5,082 μs)4Fok = 10 mm10.29,5
(t = 5,938 μs)
8,8
(t = 5,176 μs)
4,84,6
5Fok = 11 mm11,110,49,75,45,16Fok = 12 mm12,111,210,56
(t = 2,222 μs)
5,7
(t = 2,036 μs)
7gemittelte Werte für Fok = 12,4 mm, t = 2,198 μs(t = 2,296 μs)(t = 2,107 μs)8Fok = 13 mm13,012,111,36,5
(t = 2,407 μs)
6,2
(t = 2,214 μs)
9Fok = 14 mm12,912,17,16,71
0
Fok
= 15 mm
13,812,97,67,3
1
1
Fok
= 16 mm
14,613,78,17,8

In Tab. 4 sind ermittelte Fokuspunktabstände für verschiedene Medien mit unterschiedlichen Schallgeschwindigkeiten in Abhängigkeit von der elektronischen Fokussierung 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 Isst 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 cMed und der Abstand aMed des Punktreflektors 52 von der Grenzfläche auch mit den Gleichungen (III) und (IV) 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 = 0 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 unterscheidbaren 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) erfolgt, wobei aW der Abstand des Punktreflektors 5 vom Ultraschallwandler 3 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 jeden Punktreflektorort erfolgt, wobei sich die mittlere Schallgeschwindigkeit cj,j+1, zwischen zwei auf der akustischen Schallkopfachse 12 liegenden (j, j + 1)-Punktreflektoren 51, 52 über die Gleichung (VII) berechnen lässt, und wobei tj+1 – tj die einfache Schallaufzeit zwischen den zwei Punktreflektoren 51, 52 ist, und wobei aW(j+1)-aW(j) 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.

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; F1, 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) 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 ist, und wobei cW die Schallgeschwindigkeit des Kalibriermediums W ist, und eine Wiederholung des Vorgangs für weiter entfernt liegende Fokuspunkte F; F1, F2, 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 cj,j+1 zwischen zwei (j, j + 1)-Fokuspunkten F über die Formel 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 Ultraschallwandler 3 befindlichen Fokuspunktes F mit den Gleichungen (III) und (IV) erfolgt, und eine Wiederholung des Vorgangs für weiter entfernt liegende Fokuspunkte F und damit Feststellung der mittleren Schallgeschwindigkeit zwischen Ultraschallwandler 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 Schallgeschwindigkeit 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.

7 zeigt anhand von Messwerten, dass sich der Ort des Schalldruckmaximums in strömenden oder diffundierenden Flüssigkeiten durch Mittelung der Echosignalamplituden ermitteln lässt. Dabei zeigt 7a den über eine Zeit von 500 Sekunden gemittelten Verlauf der Echosignalamplitude, wobei als Ausbreitungsmedium des Ultraschalls eine mit Punktreflektoren ausgestattete bei Raumtemperatur flüssige eutektische Metalllegierung aus InGaSn mit der Schallgeschwindigkeit c = 2740 m/s verwendet wird und wobei sich das Maximum MaxInGaSn der Echosignalamplitude für eine Entfernung z = 33,55 mm vom Ultraschallwandler 3 ergibt. 7b zeigt zum Vergleich die sich für diese Anordnung durch Simulationsrechnungen ergebende Schalldruckamplitudenverteilung im Ausbreitungsmedium InGaSn, wobei sich die Anwendbarkeit des Verfahrens dadurch zeigt, dass die sich in der Messung ergebende Entfernung z = 33,55 mm des Maximums MaxInGaSn mit dem Bereich des Schalldruckmaximums entsprechend 7b übereinstimmt. 7c zeigt eine Prinzipskizze der bei dem Ultraschallwandler 3 eingesetzten fokussierenden Ultraschallinse 17.

Unter Einsatz der Anordnung 10 kann zusätzlich zur Schalllaufzeit vom Ultraschallwandler 3 zum jeweiligen Fokuspunkt F; F1, F2, F3 im Medium 4 die über verschiedene 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; 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, z. B. F1–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; F1, 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 können.

Im Folgenden werden die 8a, 8b, 8c und 8d gemeinsam betrachtet. In den 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 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 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 Fokussierung 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 F1, F2, F3 fokussiert,
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 FiW bestimmt, wie in 8c und 8d gezeigt ist, und als Funktion der elektronischen Fokussierung darstellt, die elektronische Fokuseinstellung für das Maximum ermittelt und durch Variation des Abstandes a1W, a2W, a3W, ... 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 t41 zwischen ihrer vorderen Grenzfläche G1 und ihrer hinteren Grenzfläche G2 und/oder für die zweite Schicht 42 die Schalllaufzeit t42 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 F1, 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 Funktion der Fokussierung in Form von Schalldruckamplituden-Kurven dargestellt wird, wie in den 9a, 9b für das Kalibriermedium W und in den 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 t41, t42 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 CMed41, CMed42 in der zu untersuchenden Schicht 41 oder 42 und deren Schichtdicke dMed41, 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 CMed41, CMed42 und Schichtdicke dMed41, dMed42 beruht auf der Bestimmung der Schalllaufzeit t41, t42 und der durch Variation der Fokuspunkte F1, F2, F3 ermittelten Schalldruckamplitudenkurven. Bei einem punktförmigen Reflektor gemäß dem Stand der Technik ergibt sich bei Variation der Fokuspunkte Fi 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 Fi 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 eingebrachten Zentralempfangselementes 15 bestimmen. Bei Darstellung der empfangenen Schalldruckamplitude als Funktion des elektronischen Fokuspunktes lassen sich bei Fokuspunkten in der Nähe der reflektierenden Grenzfläche lokale Maxima und Minima feststellen, die zur Bestimmung der Schichtdicke dMed verwendbar sind (9, 10). Die aufgenommenen Schalldruckamplituden-Kurven können dabei auch von der Geometrie und der Frequenz der sendenden Elemente 31, 32, 33 abhängen.

Die in 8c angegebene Kalibriereinheit 9 kann eine Recheneinheit 91 zur Berechnung der Kalibrierkurven und/oder eine Messeinheit 92 zur Bestimmung der Kalibrier- kurven enthalten.

Die Funktionsweise der zweiten Anordnung 20 wird durch folgendes Verfahren begleitet:
In dem Verfahren zur kombinierten Bestimmung von Schallgeschwindigkeiten cMed 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 realisiert:

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 wahlweise 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 8c und 8d, der von dem für die folgenden Messungen eingesetzten Ultraschallwandler 3 erzeugt wird, auf dem Zentralempfangselement 15 für unterschiedliche Fokuspunkte F1W, F2W, F3W bestimmt und als Funktion der elektronischen Fokussierung dargestellt und die elektronische Fokuseinstellung für das Maximum ermittelt, wobei durch Variation des Abstandes a1W, a2W, 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 t41 zwischen vorderer Grenzfläche G1 und hinterer Grenzfläche G2 der Schicht 41 mit zu bestimmender Schichtdicke dMed41 und mit zu bestimmender Schallgeschwindigkeit CMed41, 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 Zentralempfangselement 15 registriert wird, wobei daraus die Schalldruckamplitude für das Zentralempfangselement 15 für jeden Fokuspunkt F1, F2, F3 ermittelt und die so ermittelte Schalldruckamplituden für das Zentralempfangselement 15 als Funktion der elektronischen Fokussierung dargestellt werden, wie in den 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 Kalibriermediums W die Schallgeschwindigkeit CMed41 in der zu untersuchenden Schicht 41 und deren Schichtdicke dMed41 bestimmt werden.

Für einen Einzelelemente-Ultraschallwandler mit dem Zentralempfangselement 15 oder für einen unfokussierten oder vorfokussierten Mehrelemente-Ultraschallwandler 3 mit dem Zentralempfangselement 15 kann die Veränderung des Abstandes der Fokuspunkte Fi 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 CMed41, CMed42 und der Schichtdicke dMed41, 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 dMed in beiden Fällen die Gleichungen (VIII) und (IX) gelten 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 = t41 die einfache Schalllaufzeit zwischen vorderer Grenzfläche G1 und hinterer Grenzfläche G2 der zu ersten Schicht 41 und t = t42 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 F; 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 Ansteuerung 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 Zeitverzögerungsregime V1 wird der Fokuspunkt F1 im zu untersuchenden Medium und der Fokuspunkt F1 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 dMed und der Schallgeschwindigkeit cMed ein Ultraschallwandler 3 mit einer Ringelementeanordnung eingesetzt. Dafür werden zuerst Kalibrierungskurven, wie in 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 Empfängers 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 Platte 16 in Wasser WElektronische Fokussierung Fok bei lokalem Maximum10 mm10,5 mm = M1013 mm12 mm = M13

So ergeben sich die zwei Schalldruckamplituden-Kurven in 9 für einen Wandabstand aW von 10 mm und 13 mm, 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 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 9a und 9b aufgenommenen Kalibrierkurven zeigen vor und hinter der reflektierenden 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 Kalibriermedium Wasser W) zuordnen. Bei einem Durchmesser dUS = 12 mm des Ultraschallwandlers 3 und bei einem Abstand aW = 13 mm liegt das Maximum M13 bei einem elektronischen Fokus Fok = 12 mm und bei einem Abstand aW = 10 mm liegt das Maximum M10 bei Fok = 10,5 mm, wie in 9a gezeigt ist. In 9b beträgt der Durchmesser dUS = 11 mm des Ultraschallwandlers 3 und das lokale Maximum M10 liegt bei Fok = 9 mm. 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 Fokussierung aufgenommen wird, ergibt sich eine ähnliche Schalldruckamplituden-Kurve wie in Wasser. Auch hier treten lokale Maxima und Minima auf. Wird die Fokussierung 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 Wasserschichtdicke dW zugeordnet. Diese hängt mit der zu bestimmenden Schichtdicke dMed32 der Schicht 42 über die Gleichung (X) zusammen: 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 (XI) erhalten wobei tMed die gemessene einfache Schalllaufzeit in der zu untersuchenden Schicht 42 ist. Mithilfe der Gleichungen (X) und (XI) 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 8a und 8b gezeigt, so werden in Richtung vom Ultraschallwandler 3 ausgehend die Schichtdicken dMed41, dMed42 und die Schallgeschwindigkeiten CMed41, CMed42 bestimmt. Die Gleichungen (X) und (XI) gehen für ein zweischichtiges System 41, 42 in die Gleichungen (XII) und (XIII) über

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

10a zeigt die aufgenommene Schalldruckamplituden-Kurve von einer zu untersuchenden Gewebeschicht (tatsächliche Werte: Schallgeschwindigkeit cMed von c = 1620 m/s und eine Schichtdicke dMed von 5 mm) nach einem Wasservorlauf VL von 5 mm. 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 = 3,09·10–6s und die Schalldruckamplitudenkurve durch schrittweise Fokussierung aufgenommen. Der Schalldruck auf dem Zentralempfangselement 15 als Funktion der elektronischen Fokussierung ist in 10a dargestellt. Es wird die Lage des lokalen Maximums MG5 für Fok = 10,9 mm 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 1649 m/s und eine Schichtdicke dMed von 5,1 mm.

Die in 10b aufgenommene Schalldruckamplituden-Kurve für eine Gewebeschicht (8 mm Dicke, c = 1620 m/s) bei einem Wasservorlauf mit der Schichtdicke VL von 5 mm hat ein lokales Maximum MG8 bei Fok = 12,5 mm. Für die Schallgeschwindigkeit cMed ergibt sich 1653 m/s und eine Schichtdicke dMed von 8,17 mm.

Die aufgenommene Schalldruckamplituden-Kurve in 10c für eine Plexiglasschicht (5 mm Dicke, c = 2730 m/s) bei einem Wasservorlauf mit der Schichtdicke VL von 5 mm hat das lokale Maximum MP5 bei Fok = 12,7 mm. Für die Schallgeschwindigkeit cMed ergibt sich c = 2775 m/s und eine Schichtdicke dMed von 5,11 mm.

Das Verfahren mit dem Zentralempfangselement 15 dient zur kombinierten Bestimmung 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
Ultraschallwandler
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
Fi
Fokuspunkt
FiW
Fokuspunkt bei Kalibrierung
Fok
elektronischer Fokuspunkt
VL
auf das Kalibriermedium bezogene Wegstrecke/Schichtdicke vom Ultraschallwandler 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 Kalibriermedium
Vmax(aMj)
Fokussierungsregime, bei dem das Maximum des vom Punktreflektor reflektierten Ultraschalls im unbekannten Medium auftritt
Vmax(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 Plexiglasschicht