DE102009025463A1 - Assembly for determining sonic speeds and distances in e.g. fluid media, using ultrasound of ultrasonic imaging system, has evaluation unit determining variable sonic speed by determining parameters of point reflector at various locations - Google Patents
Assembly for determining sonic speeds and distances in e.g. fluid media, using ultrasound of ultrasonic imaging system, has evaluation unit determining variable sonic speed by determining parameters of point reflector at various locations Download PDFInfo
- Publication number
- DE102009025463A1 DE102009025463A1 DE200910025463 DE102009025463A DE102009025463A1 DE 102009025463 A1 DE102009025463 A1 DE 102009025463A1 DE 200910025463 DE200910025463 DE 200910025463 DE 102009025463 A DE102009025463 A DE 102009025463A DE 102009025463 A1 DE102009025463 A1 DE 102009025463A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- calibration
- sound
- determined
- medium
- ultrasonic transducer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B17/00—Measuring arrangements characterised by the use of infrasonic, sonic or ultrasonic vibrations
- G01B17/02—Measuring arrangements characterised by the use of infrasonic, sonic or ultrasonic vibrations for measuring thickness
Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Bestimmung von Schichtdicken und Schallgeschwindigkeiten in Medien mit Hilfe von Ultraschall, bestehend aus einem Sendesignalgenerator, der auf n ≥ 1 Kanälen elektrische Sendesignale erzeugt, einem Ultraschallwandler mit m ≥ 1 Elementen, der die Sendesignale vom Sendesignalgenerator erhält und dessen angesteuerte Elemente eine Ultraschallwelle in das Medium mit einer Schicht oder mehreren Schichten sendet, wobei der Ultraschallwandler die reflektierte Ultraschallwelle empfängt und in elektrische Empfangssignale wandelt, einer Verstärkungseinheit, die die elektrischen Empfangssignale erhält und verstärkt, einer Aufnahmeeinheit, die die verstärkten Empfangssignale einer Analog-Digital-Wandlung zur Ausbildung digitaler Signale zuführt, sowie einer Auswerteeinheit, die die digitalen Signale aus der Aufnahmeeinheit in die Auswertung einbezieht.The invention relates to an arrangement and a method for determining layer thicknesses and sound velocities in media with the aid of ultrasound, comprising a transmission signal generator which generates electrical transmission signals on n ≥ 1 channels, an ultrasonic transducer with m ≥ 1 elements, which receives the transmission signals from the transmission signal generator and whose driven elements transmit an ultrasonic wave into the medium having one or more layers, the ultrasonic transducer receiving the reflected ultrasonic wave and converting it into received electrical signals, a gain unit receiving and amplifying the received electrical signals, a receiving unit receiving the amplified received signals of an analogue Digital conversion for training digital signals supplies, as well as an evaluation that includes the digital signals from the recording unit in the evaluation.
Messungen mittels Ultraschall werden einerseits durchgeführt, um Fehler zu detektieren, Schichtdicken zu messen oder Strukturen in technischen Bereichen oder in der Medizin, wie Gewebestrukturen und Organgrenzen sichtbar zu machen. Dabei wird die Schallgeschwindigkeit als gegeben vorausgesetzt.Measurements by means of ultrasound are performed on the one hand to detect defects, to measure layer thicknesses or to visualize structures in technical areas or in medicine, such as tissue structures and organ boundaries. The speed of sound is assumed to be given.
Andererseits ist auch die Schallgeschwindigkeit von besonderem Interesse, weil diese ein wichtiger Parameter für einen festen oder flüssigen Stoff ist. Die Kenntnis der Schallgeschwindigkeit ist die Voraussetzung für eine genaue Topographie und Schichtdickenbestimmung für die einzelnen Schichten. Sie kann außerdem bei verdeckten, unzugänglichen Strukturen unbekannte Materialparameter liefern.On the other hand, the speed of sound is also of particular interest because it is an important parameter for a solid or liquid substance. The knowledge of the speed of sound is the prerequisite for an accurate topography and layer thickness determination for the individual layers. It can also provide unknown material parameters for hidden, inaccessible structures.
Herkömmliche technische Messverfahren benötigen zur Schallgeschwindigkeitsmessung jedoch 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 bezogen auf Festkörper droht.Conventional technical measuring methods, however, require knowledge of the length of the sound propagation path for measuring the speed of sound. For this purpose, either an external reference reflector or a receiving transducer to place at a predetermined position. In practice, however, this is not always possible, especially if there is a lack of space for the measurement setup, if chemically aggressive liquids are present or the destruction of the measurement object with respect to solids is imminent.
Eine Bestimmung der Schallgeschwindigkeit bei unbekannter Schichtdicke ist praktisch nicht oder nur mit sehr großem Aufwand möglich. Mechanisch ist die ortsaufgelöste Bestimmung der Schallgeschwindigkeit nur bei zugänglichen Schichten oder mit optischen Verfahren nur bei durchsichtigen Schichten möglich.A determination of the speed of sound at unknown layer thickness is practically impossible or only possible with great effort. Mechanically, the spatially resolved determination of the speed of sound is only possible with accessible layers or with optical methods only with transparent layers.
Ein Verfahren zur Bestimmung der Schichtdicke und der Schallgeschwindigkeit in einem Rohr mittels Ultraschallimpulsen ist in der Druckschrift
Eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kalibrierung und Ultraschallvermessung von zylindrischen Prüfmustern ist in der Druckschrift
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung und ein Verfahren zur Bestimmung von Schichtdicken und Schallgeschwindigkeiten in Medien mit Hilfe von Ultraschall anzugeben, die derart geeignet ausgebildet sind, dass sowohl der aufbaumäßige als auch der auswertungsbezogene Aufwand zur Schallgeschwindigkeitsbestimmung und Schichtdicken in den Medien verringert wird. Insbesondere sollen externe Referenzreflektoren eingespart werden. Des Weiteren soll die Genauigkeit der Bestimmung der Schallgeschwindigkeit erhöht werden.The invention has for its object to provide an arrangement and a method for determining layer thicknesses and sound velocities in media using ultrasound, which are designed so suitable that both the structure-related and the evaluation-related effort for sound velocity determination and layer thicknesses in the media is reduced , In particular, external reference reflectors should be saved. Furthermore, the accuracy of the determination of the speed of sound is to be increased.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 8 gelöst.The object is solved by the features of
Die Anordnung zur Bestimmung von Schichtdicken und Schallgeschwindigkeiten in Medien mit Hilfe von Ultraschall besteht aus
einem Sendesignalgenerator, der auf n ≥ 1 Kanälen elektrische Sendesignale erzeugt,
einem Ultraschallwandler mit m ≥ 1 Elementen, der die Sendesignale vom Sendesignalgenerator erhält und dessen angesteuerte Elemente eine Ultraschallwelle in das Medium mit einer Schicht oder mehreren Schichten sendet, wobei der Ultraschallwandler die reflektierte Ultraschallwelle empfängt und in elektrische Empfangssignale wandelt, und
einer Verstärkungseinheit, die die elektrischen Empfangssignale erhält und verstärkt,
einer Aufnahmeeinheit, die die verstärkten Empfangssignale einer Analog-Digital-Wandlung zur Ausbildung digitaler Signale zuführt,
sowie einer Auswerteeinheit, die die digitalen Signale aus der Aufnahmeeinheit in die Auswertung einbezieht,
wobei gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 1
sich im zentralen Bereich des Ultraschallwandlers im dort vorhandenen Element ein die reflektierten Ultraschallwellen empfangendes Zentralempfangselement befindet, 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 fokussiert,
eine Kalibriereinheit vorhanden ist, 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 misst und bei Verschiebung des Fokuspunktes Fi entlang der Achse für den jeweiligen Fokuspunkt das reflektierte Signal auf dem Zentralempfangselement registriert, 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
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 bezüglich des Kalibriermediums W die Schallgeschwindigkeit cMed in der zu untersuchenden Schicht und deren Schichtdicke aMed ermittelt.The arrangement for determining layer thicknesses and sound velocities in media using ultrasound consists of
a transmission signal generator which generates electrical transmission signals on n ≥ 1 channels,
an ultrasonic transducer having m ≥ 1 elements, which receives the transmission signals from the transmission signal generator and whose driven elements transmits an ultrasonic wave into the medium having one or more layers, the ultrasonic transducer receiving the reflected ultrasonic wave and converting it into electrical reception signals, and
an amplification unit that receives and amplifies the received electrical signals,
a receiving unit that supplies the amplified received signals to an analog-to-digital conversion to form digital signals,
and an evaluation unit which incorporates the digital signals from the recording unit into the evaluation,
wherein according to the characterizing part of
in the central region of the ultrasound transducer there is a central receiving element which receives the reflected ultrasonic waves in the element present there, which transmits the electrical received signals generated in it to the amplification unit,
the transmission signal generator focuses the resulting ultrasonic focus stepwise along the axis of the ultrasonic transducer onto individual focus points F i solely by electronic focusing or in conjunction with the recording unit by means of a synthetic focusing;
a calibration unit is present, either by simulation calculation or by measurement using the recording unit, the reflected sound on the central receiving element for the ultrasonic transducer used in the following measurements with the corresponding element arrangement for a calibration medium W with the calibration wall as a reflector at a distance a 2W for the different Focusing points F iW determines, as a function of the electronic focusing, determines the electronic focus adjustment for the maximum Fok and by varying the distance a 2W , a 3W , a 4W , ... the interface and repetition of the process calibration curves for the different layer thicknesses of the calibration medium in front of the calibration wall, and
the recording unit measures the sound propagation time between the front boundary surface and the rear boundary surface of the layer to be examined, and registers the reflected signal on the central reception element when the focus point F i is moved along the axis for the respective focus point, from which the sound pressure amplitude for the central reception element is determined for each focal point and so on determined sound pressure amplitudes are represented as a function of focusing in the form of sound pressure amplitude curves, and
the evaluation unit determines the local maxima and minima from the sound pressure amplitude curve determined by measurement, determines the equivalent distance of the reflective boundary surface with respect to the calibration medium W from the calibration curves, from the sound propagation time measured by the recording unit relative to the rear boundary surface of the layer to be examined of the medium and the determined equivalent layer thickness with respect to the calibration medium W determines the speed of sound c Med in the layer to be examined and its layer thickness a Med .
Im Ultraschallwandler ist das Zentralempfangselement zur Detektion des reflektierten Schalls vorgesehen, wobei die Abmessungen – Durchmesser, Seitenlänge – des Zentralempfangselementes im Größenordnungsbereich einer Ultraschallwellenlänge λ in Bezug auf das Medium liegen.In the ultrasonic transducer, the central receiving element for detecting the reflected sound is provided, wherein the dimensions - diameter, side length - of the central receiving element in the order of magnitude of an ultrasonic wavelength λ with respect to the medium.
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.For a single-element ultrasonic transducer with the central receiving element or for a planar or prefocused multi-element ultrasonic transducer with the central receiving element, the change of focus points can be done alone or in addition by mechanical displacement of the ultrasonic transducer in the axial direction, wherein the ultrasonic transducer with a displacement device in combination stands, which shifts the ultrasonic transducer along the axis to move the focal point.
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 Schall 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 der Kalibrierwand vom Ultraschallwandler aus entspricht beim Kalibriermedium gleich der Schichtdicke des Kalibriermediums, wenn ein unmittelbarer Kontakt zwischen dem Kalibriermedium und dem Element/den Elementen des Ultraschallwandlers besteht.The calibration unit can either by simulation calculations for the ultrasonic transducer used or by measurements using the recording unit, the reflected signal on the central receiving element for the calibration medium W with a fixed calibration wall as a reflector at a distance a iW for different focus points F 1W , F 2W , F 3W .. ., which are realized by electronic focusing or by synthetic focusing when using time delay regimes V 1 , V 2 , V 3 ..., determine the reflected sound on the central receiving element, as a function of the electronic focusing, determine the focus setting for the local maximum and by varying the distance a 1W , a 2W , a 3W ... of the calibration wall and repeating the process, provide calibration curves for the different layer thicknesses of the calibration medium W in front of the calibration wall. The distance between the calibration wall and the ultrasound transducer corresponds to the thickness of the calibration medium in the case of the calibration medium when there is direct contact between the calibration medium and the element (s) of the ultrasound transducer.
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.The ultrasonic transducer may be in the form of a ring element arrangement in which at least one annular element is optionally additionally subdivided into sectors to detect an inclination of the ultrasonic transducer with respect to the interface so as to be adjusted.
Die Erfindung beinhaltet somit ein Messprinzip zur gleichzeitigen Bestimmung von Schichtdicke aMed und Schallgeschwindigkeit cMed 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.
- - the duration of ultrasound in the medium and
- The material-related displacement of the focus points F i , measured by stepwise focusing and determination of the echo signal curve as a function of the focusing.
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 nur durch Einbringen von Referenzkörpern an einer vorgegebenen Position gemäß dem Stand der Technik ermittelt werden konnten.By exploiting the exact knowledge of sound propagation time and sound field, additional information about the respective medium of a layer or multiple layers can be obtained which could only be determined by introducing reference bodies at a predetermined position according to the prior art.
Folgende erfindungsgemäße Verfahrensschritte werden im Einzelnen unter Einsatz der vorgenannten Anordnung, insbesondere mit dem Zentralempfangselement als Teil des sich im zentralen Bereich des Ultraschallwandlers befindenden Elements gemäß dem Kennzeichenteil des Anspruchs 8 absolviert:The following method steps according to the invention are completed in detail using the aforementioned arrangement, in particular with the central receiving element as part of the element located in the central area of the ultrasonic transducer according to the characterizing part of claim 8:
A. Schrittweise Fokussierung:A. Gradual focusing:
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.The transmit signal generator focused solely by electronic focusing or in conjunction with the recording unit by a synthetic focusing the resulting ultrasonic focus gradually along the axis of the ultrasonic transducer to individual focus points F i , which are located either before, on and behind the rear interface of the layer to be examined.
B. Kalibrierung:B. Calibration:
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.Before the evaluation can be determined either by simulation calculation or by measuring the reflected sound from a calibration wall, which is generated by the transducers used for the following measurements on the central receiving element for different focus points F i , represented as a function of electronic focusing and electronic focus adjustment can be determined for the maximum, which can be created by varying the Kalibrierwandabstandes and by repeating the process calibration curves for the different media layer thicknesses in front of the calibration.
C. Aufnahme:C. Recording:
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.A recording unit measures the sound transit time between the front boundary surface and the rear boundary surface of the layer to be examined with unknown layer thickness and sound velocity. Due to the stepwise displacement of the electronic focus point along the axis of the ultrasonic transducer, the reflected signal is registered on the central receiving element for the respective focal point. From this, the sound pressure amplitude for the central receiving element is determined for each focal point and the sound pressure amplitude curve thus determined for the central receiving element is displayed as a function of the focusing.
D. Auswertung:D. Evaluation:
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 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 bezüglich des Kalibriermediums die Schallgeschwindigkeit cMed in der zu untersuchenden Schicht und deren Schichtdicke aMed bestimmt werden.An evaluation unit determines the local maxima and minima in the determined sound pressure amplitude curve and determines therefrom the electronic focus adjustment for the maximum. From the determined focusing, the equivalent distance of the reflecting interface with respect to the medium to be examined is determined with the aid of the calibration curves, wherein the sound velocity c Med . From the measured sound transit time t between the front interface and the rear interface of the layer to be examined and the determined equivalent layer thickness with respect to the calibration medium be determined in the layer to be examined and their layer thickness a Med .
Die genannte Kalibrierwand kann eine feste Wand sein.Said calibration wall can be a solid wall.
Die Vorteile der Erfindung bestehen darin,
- – dass sie die gleichzeitige referenzlose Bestimmung von Schichtdicke aMed und der mittleren Schallgeschwindigkeit cMed in einer zu untersuchenden Schicht bei geschichteten fluiden oder soliden Medien ermöglicht,
- – dass die Erfindung die Bildgebung durch die Kenntnis der tatsächlich auftretenden Schallgeschwindigkeit verbessert, wodurch eine bessere Topographie, genauere Ortsbestimmung der Lage von Einschlüssen und eine genauere Dickenbestimmung möglich sind, und
- – dass die Erfindung die Bestimmung von Materialparametern bei verdeckten, unzugänglichen Strukturen möglich macht.
- That it allows the simultaneous reference-less determination of layer thickness a Med and the mean speed of sound c Med in a layer to be examined in the case of layered fluid or solid media,
- That the invention improves the imaging by the knowledge of the actually occurring speed of sound, whereby a better topography, more accurate location of the location of inclusions and a more accurate thickness determination are possible, and
- - That the invention makes the determination of material parameters in covert, inaccessible structures possible.
Mit der erfindungsgemäßen Anordnung und dem zugehörigen Verfahren können folgende Medien ausgemessen werden:
- – geschichtete Festkörper mit einer Bestimmung der Schichtdicken aMed und Schallgeschwindigkeiten cMed in den einzelnen Schichten, insbesondere Schichtdicken im Innern sowie verdeckte Schichten,
- – geschichtete durchsichtige oder undurchsichtige Flüssigkeiten.
- Layered solids with a determination of the layer thicknesses a Med and sonic velocities c Med in the individual layers, in particular layer thicknesses in the interior, as well as hidden layers,
- - Layered transparent or opaque liquids.
Folgende besondere Anwendungsgebiete können 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).
- A layer thickness determination in hidden structures without knowledge of the speed of sound,
- - a non-destructive determination of material parameters and their local changes in one or more layers,
- - Information about properties of the layer (for tissues: inclusions, tissue type, tumor tissue, observation of degenerative developments in tissues, for solids, material parameters such as density, modulus of elasticity, liquids, density, viscosity) by means of the parameters (speed of sound, layer thickness ).
Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Unteransprüchen angegeben.Further developments and advantageous embodiments of the invention are specified in further subclaims.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen mittels mehrerer Zeichnungen näher erläutert.The invention will be explained in more detail by means of exemplary embodiments by means of several drawings.
Es zeigen:Show it:
zeigen,
demonstrate,
zeigen, und
show, and
zeigen.
demonstrate.
Im Folgenden werden die
In den
- –
einem Sendesignalgenerator 1 , der auf drei Kanälen11 elektrische Sendesignale erzeugt, - –
einem Ultraschallwandler 2 mit drei Elementen 21 ,22 ,23 , der dieSignale vom Sendesignalgenerator 1 erhält und dessen angesteuerte Elemente21 ,22 ,23 Ultraschallwellen indas Medium 3 mit den beidenSchichten 31 ,32 sendet, wobei der Ultraschallwandler2 reflektierte Ultraschallwellen empfängt und in elektrische Empfangssignale wandelt, - – einer
Verstärkungseinheit 5 , die die elektrischen Empfangssignale erhält und verstärkt, - – einer
Aufnahmeeinheit 6 , die die verstärkten Empfangssignale einer Analog-Digital-Wandlung zur Ausbildung digitaler Signale zuführt, sowie - – einer
Auswerteeinheit 8 , die die digitalen Signale aus der Aufnahmeeinheit6 in die Auswertung einbezieht.
- A
transmission signal generator 1 that on threechannels 11 generates electrical transmission signals, - - an
ultrasonic transducer 2 with threeelements 21 .22 .23 receiving the signals from the transmitsignal generator 1 receives and its drivenelements 21 .22 .23 Ultrasonic waves in the medium3 with the twolayers 31 .32 sends, with theultrasonic transducer 2 receives reflected ultrasonic waves and converts them into received electrical signals, - - an
amplification unit 5 that receives and amplifies the received electrical signals, - - a
recording unit 6 , which supplies the amplified received signals to an analog-to-digital conversion to form digital signals, as well as - - an evaluation unit
8th receiving the digital signals from therecording unit 6 included in the evaluation.
Erfindungsgemäß befindet sich im zentralen Bereich des Ultraschallwandlers
wobei eine Kalibriereinheit
wobei die Aufnahmeeinheit
wobei die Auswerteeinheit
wherein a
the receiving
wherein the evaluation unit
Im Ultraschallwandler
Die gleichzeitige Messung von Schallgeschwindigkeit cMed31, cMed32 und Schichtdicke aMed31, cMed32 beruht auf der Bestimmung der Schalllaufzeit t31, t32 und der durch Variation der Fokuspunkte F1, F2, F3 ermittelten Schalldruckamplitudenkurven.The simultaneous measurement of the speed of sound c Med31 , c Med32 and layer thickness a Med31 , c Med32 is based on the determination of the sound propagation time t 31 , t 32 and the sound pressure amplitude curves determined by varying the focus points F 1 , F 2 , F 3 .
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.In a point-shaped reflector according to the prior art results in variation of the focus points F i, a maximum in the reflected signal when the point-shaped reflector is in the focal point, which is given by the sound pressure maximum. It results in the reflection of an extended Interface the maximum in the reflected signal only when the focal point F i is placed at a distance of a few millimeters after the interface.
Diesen Nachteil überwindend, lässt sich der Abstand der reflektierenden Grenzfläche durch Messung mit einem kleinen Empfänger in Form des erfindungsgemäß eingebrachten Zentralempfangselementes
Die in
Die Funktionsweise der Anordnung
In dem Verfahren zur Bestimmung von Schichtdicken aMed und Schallgeschwindigkeiten cMed in dem Medium
In the method for determining layer thicknesses a Med and sound velocities c Med in the medium
A. Schrittweise Fokussierung:A. Gradual focusing:
Ein Sendesignalgenerator
B. Kalibrierung:B. Calibration:
Vor der Auswertung wird entweder durch Simulationsrechnung oder durch Messung des von einer festen Kalibrierwand
C. Aufnahme:C. Recording:
Eine Aufnahmeeinheit
D. Auswertung:D. Evaluation:
Eine Auswerteeinheit
Für einen Einzelelemente-Ultraschallwandler mit dem Zentralempfangselement
Bei einem Medium
Bei der Fokussierung erfolgt die Änderung des Abstandes der Fokuspunkte Fi vom Ultraschallwandler 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
21 ,22 ,23 derart realisiert wird, dass dievon den Einzelwandlerelementen 21 ,22 ,23 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 FiWim Kalibriermedium W 31 erzeugt, oder - b) eine synthetische Fokussierung des Ultraschalls durch Aufnahme des von
jedem einzelnen Element 21 ,22 ,23 auf dem Zentralempfangselement 4 erzeugten Echosignals und anschließender Überlagerung der Echosignale entsprechend dem Zeitverzögerungsregime V1, V2, V3, ... realisiert wird.
- a) an electronic transmission focusing of the ultrasound by a time delay regime V 1 , V 2 , V 3 , ... corresponding time-offset control of the three
individual transducer elements 21 .22 .23 is realized such that the of theindividual transducer elements 21 .22 .23 Outgoing ultrasonic waves in the focus points F 1 , F 2 , F 3 ... constructively overlap, ie, for example, with the time delay regime V 1 , the focus point F 1 in the medium to be examined and the focus point F iW in thecalibration medium W 31 generated, or - b) a synthetic focusing of the ultrasound by picking up the from each
individual element 21 .22 .23 on thecentral receiving element 4 generated echo signal and subsequent superposition of the echo signals according to the time delay regime V 1 , V 2 , V 3 , ... is realized.
In den folgenden Beispielen wird zur gleichzeitigen Bestimmung der Schichtdicke aMed und der Schallgeschwindigkeit cMed ein Ultraschallwandler
Die elektronische Fokussierung wird dabei direkt durch eine zeitverzögerte Ansteuerung der Elemente mit Verzögerungszeiten entsprechend dem jeweiligen Zeitverzögerungsregime durchgeführt.The electronic focusing is performed directly by a time-delayed control of the elements with delay times corresponding to the respective time delay regime.
Bei der synthetischen Fokussierung, wobei alle Sendeelemente
Der Vorgang wird für verschiedene Abstände der Platte
Tabelle 1 zeigt den Zusammenhang zwischen Schichtdicke aW und elektronischem Fokus Fok beim lokalen Maximum in den Schalldruckamplituden-Kurven für das Kalibriermedium Wasser
So ergeben sich die zwei Schalldruckamplituden-Kurven in
Die in
Wenn bei einer Schicht
Das heißt, es wird der zu untersuchenden Schicht
Eine zweite Information wird aus der Schalllaufzeit tMed gemäß Gleichung (II) erhalten wobei tMed die gemessene einfache Schalllaufzeit in der zu untersuchenden Schicht
Mithilfe der Gleichungen (I) und (II) lassen sich die Schichtdicke aMed und die Schallgeschwindigkeit cMed der Schicht
Handelt es sich um ein mehrschichtiges Medium
VL steht für Vorlauf.VL stands for advance.
Wird Gleichung (IV) in Gleichung (III) eingesetzt, so ergibt sich eine Gleichung (V) zur Berechnung der Schallgeschwindigkeit cMed des Mediums in jeweils zu untersuchenden Schicht
Der Schalldruck auf dem Zentralempfangselement
Die in
Die aufgenommene Schalldruckamplituden-Kurve in
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- SendesignalgeneratorTransmission signal generator
- 22
- Ultraschallwandlerultrasound transducer
- 2121
- inneres zentrales Elementinner central element
- 2222
- mittleres Elementmiddle element
- 2323
- äußeres Elementouter element
- 33
- Mediummedium
- 3131
- erstes Mediumfirst medium
- 3131
- W-KalibriermediumW-calibration
- 3232
- zweites Mediumsecond medium
- 44
- Zentralempfangselement im zentralen ElementCentral receiving element in the central element
- 55
- Verstärkungseinheitamplification unit
- 66
- Aufnahmeeinheitrecording unit
- 77
- Kalibriereinheitcalibration
- 7171
- Messeinheitmeasuring unit
- 7272
- Recheneinheitcomputer unit
- 88th
- Auswerteeinheitevaluation
- 99
- KalibrierwandKalibrierwand
- 1010
- erfindungsgemäße Anordnunginventive arrangement
- 1111
- Kanälechannels
- 1212
- Achse des UltraschallwandlersAxis of the ultrasonic transducer
- Fi F i
- Fokuspunktfocus point
- FiW F iW
- Fokuspunkt bei KalibrierungFocus point on calibration
- Fok Fok
- elektronische Fokussierungelectronic focusing
- Vi V i
- ZeitverzögerungsregimeTime Delay regime
- WW
- Kalibriermediumcalibration
- VLVL
- Vorlaufleader
- aW a w
- Schichtdicke bzgl. des KalibriermediumsLayer thickness with respect to the calibration medium
- aMed a med
- Schichtdicke des zu untersuchenden MediumsLayer thickness of the medium to be examined
- dd
- Durchmesser des UltraschallwandlersDiameter of the ultrasonic transducer
- dZ d Z
- Durchmesser des ZentralempfangselementsDiameter of the central receiving element
- cW c W
- Schallgeschwindigkeit des KalibriermediumsSpeed of sound of the calibration medium
- cMed c med
- Schallgeschwindigkeit des zu untersuchenden MediumsSpeed of sound of the medium to be examined
- tt
- ZeitTime
- G1G1
- Grenzflächeinterface
- G2G2
- Grenzflächeinterface
- G3G3
- Grenzflächeinterface
- MM
- lokales Maximumlocal maximum
- MGMG
- lokales Maximum einer Schalldruckamplitudenkurve für eine GewebeschichtLocal maximum of a sound pressure amplitude curve for a tissue layer
- MPMP
- lokales Maximum einer Schalldruckamplitudenkurve für eine Plexiglasschichtlocal maximum of a sound pressure amplitude curve for a Plexiglas layer
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.
Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- US 2002134159 [0006] US 2002134159 [0006]
- DE 50305421 T [0007] DE 50305421 T [0007]
Claims (11)
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE200910025463 DE102009025463A1 (en) | 2009-06-12 | 2009-06-12 | Assembly for determining sonic speeds and distances in e.g. fluid media, using ultrasound of ultrasonic imaging system, has evaluation unit determining variable sonic speed by determining parameters of point reflector at various locations |
DE112010002450.2T DE112010002450B4 (en) | 2009-06-12 | 2010-06-11 | Arrangement and method for the combined determination of sound velocities and distances in media by means of ultrasound |
PCT/DE2010/000701 WO2010142286A1 (en) | 2009-06-12 | 2010-06-11 | Assembly and method for the combined determination of sonic speeds and distances in media using ultrasound |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE200910025463 DE102009025463A1 (en) | 2009-06-12 | 2009-06-12 | Assembly for determining sonic speeds and distances in e.g. fluid media, using ultrasound of ultrasonic imaging system, has evaluation unit determining variable sonic speed by determining parameters of point reflector at various locations |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102009025463A1 true DE102009025463A1 (en) | 2011-03-10 |
Family
ID=43535880
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE200910025463 Withdrawn DE102009025463A1 (en) | 2009-06-12 | 2009-06-12 | Assembly for determining sonic speeds and distances in e.g. fluid media, using ultrasound of ultrasonic imaging system, has evaluation unit determining variable sonic speed by determining parameters of point reflector at various locations |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102009025463A1 (en) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4241611A (en) * | 1979-03-02 | 1980-12-30 | Smith Kline Instruments, Inc. | Ultrasonic diagnostic transducer assembly and system |
US4257271A (en) * | 1979-01-02 | 1981-03-24 | New York Institute Of Technology | Selectable delay system |
US20020134159A1 (en) | 2001-01-23 | 2002-09-26 | Ping He | Method for determining the wall thickness and the speed of sound in a tube from reflected and transmitted ultrasound pulses |
DE102008010582B3 (en) * | 2008-02-16 | 2009-08-27 | Technische Universität Dresden | Arrangement and method for determining the combination of radii of curvature and distances at acoustic interfaces in measuring objects by means of ultrasound |
-
2009
- 2009-06-12 DE DE200910025463 patent/DE102009025463A1/en not_active Withdrawn
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4257271A (en) * | 1979-01-02 | 1981-03-24 | New York Institute Of Technology | Selectable delay system |
US4241611A (en) * | 1979-03-02 | 1980-12-30 | Smith Kline Instruments, Inc. | Ultrasonic diagnostic transducer assembly and system |
US20020134159A1 (en) | 2001-01-23 | 2002-09-26 | Ping He | Method for determining the wall thickness and the speed of sound in a tube from reflected and transmitted ultrasound pulses |
DE102008010582B3 (en) * | 2008-02-16 | 2009-08-27 | Technische Universität Dresden | Arrangement and method for determining the combination of radii of curvature and distances at acoustic interfaces in measuring objects by means of ultrasound |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP1943508B1 (en) | Method for the non-destructive inspection of a test body using ultrasound | |
EP1979739B1 (en) | Method for the non-destructive examination of a test body having at least one acoustically anisotropic material area | |
DE10248979B4 (en) | Multi-element ultrasonic transducer and ultrasonic test method | |
EP2294400B1 (en) | Device and method for the non-destructive testing of objects using ultrasound and the use of matrix phased array probes | |
EP2062040B1 (en) | Method and device for nondestructive test specimen examination by means of ultrasound along a test specimen surface | |
DE102008027228B4 (en) | Method and device for the non-destructive ultrasound examination of a test piece with mutually angled, flat surfaces | |
EP2335064B1 (en) | Pulse-echo method by means of an array-type probe and temperature compensation | |
EP1943509A1 (en) | Method and device for an imaging ultrasonic inspection of a three-dimensional workpiece | |
EP2281189B1 (en) | Method for the non-destructive testing of objects using ultrasound | |
DE102008041831A1 (en) | Impulse echo method with determination of the lead body geometry | |
DE2643126A1 (en) | Ultrasonic diagnostic detector system - has steerable reflector consisting of dish with multiple detectors for target location | |
DE102018208824A1 (en) | Method for the non-destructive examination of a specimen by means of ultrasound | |
DE112010002450B4 (en) | Arrangement and method for the combined determination of sound velocities and distances in media by means of ultrasound | |
DE102019106427A1 (en) | Transducer and transducer arrangement for ultrasonic probe systems, ultrasonic probe systems and test methods | |
DE112009000944T5 (en) | System and method for testing welds | |
EP2090229B1 (en) | Assembly and method for determining the combination of curvature radii and distances to acoustic boundary areas in test objects with ultrasound | |
WO2017174391A1 (en) | Ultrasonic probe and ultrasonic inspection system | |
EP2238443B1 (en) | Device and method for the non-destructive testing of a test object by way of ultrasound TOFD technology | |
WO2009150148A1 (en) | Improved non-destructive ultrasonic testing with coupling check | |
DE102009025463A1 (en) | Assembly for determining sonic speeds and distances in e.g. fluid media, using ultrasound of ultrasonic imaging system, has evaluation unit determining variable sonic speed by determining parameters of point reflector at various locations | |
DE102009025464A1 (en) | Assembly for determining sonic speeds and distances in e.g. fluid media, using ultrasound of ultrasonic imaging system, has evaluation unit determining variable sonic speed by determining parameters of point reflector at various locations | |
DE102012109257B4 (en) | Method and device for generating an ultrasound image | |
DE102018119206A1 (en) | Method for detecting the geometry of an area of an object using ultrasound | |
WO2008040407A1 (en) | Ultrasonic test arrangement | |
DE102009050160A1 (en) | Method for ultrasonic inspection of test object e.g. steel product, involves determining entropy value for phase value, and obtaining weighting of amplitude value, where weighting represents amplitude values determined at spatial points |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
R118 | Application deemed withdrawn due to claim for domestic priority |
Effective date: 20111212 |