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 PDF

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DE102009025463A1
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Elfgard Kühnicke
Michael Lenz
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Technische Universitaet Dresden
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B17/00Measuring arrangements characterised by the use of infrasonic, sonic or ultrasonic vibrations
    • G01B17/02Measuring arrangements characterised by the use of infrasonic, sonic or ultrasonic vibrations for measuring thickness

Abstract

The assembly (10) has a transmission signal generator (1) generating an electrical transmission signal on a channel (14). A transceiver switch (2) provides communication between transmission and receiving signals. Controlled elements (31-33) of an ultrasonic transducer (3) transmit ultrasonic waves into a detected medium (4). An evaluation unit (8) determines an average sonic speed in the medium to a point reflector (5) and distance of the reflector from the transducer, and determines a variable sonic speed by determining reflector's parameters at various locations. An independent claim is also included for a method for determining variable sonic speeds and distances in media using ultrasound.

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 US 2002134159 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 Wellen ohne Vorhandensein des Messobjektes auf dem Übertragungsweg übermittelt wird.A method for determining the layer thickness and the speed of sound in a tube by means of ultrasonic pulses is in the document US 2002134159 described in which the data for calculating the speed of sound and the layer thickness of a series of transmitted and reflected ultrasonic waves are determined, wherein at least one of the waves is transmitted without presence of the measurement object in the transmission path.

Eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kalibrierung und Ultraschallvermessung von zylindrischen Prüfmustern ist in der Druckschrift DE 50 305 421 T beschrieben, wobei mehrere Parameter des Prüfmusters gleichzeitig bestimmt werden. Es erfolgt die Bestimmung mehrerer Schalllaufzeiten für mehrere Abstände in der Kalibrierungseinheit und der aktuellen Schallgeschwindigkeit des Wassers mittels einer optischen oder mechanischen Abstandsbestimmung.A device and a method for calibration and ultrasonic measurement of cylindrical test specimens is in the document DE 50 305 421 T described, wherein a plurality of parameters of the test pattern are determined simultaneously. There is the determination of several sound propagation times for several distances in the calibration unit and the current speed of sound of the water by means of an optical or mechanical distance determination.

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 claims 1 and 8.

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 patent claim 1
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 invention thus includes a measuring principle for the simultaneous determination of layer thickness a Med and speed of sound c Med in at least one medium by means of ultrasound by the detection of two independent measured variables:
  • - 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.
The advantages of the invention are
  • 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.
With the arrangement according to the invention and the associated method, the following media can be measured:
  • 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).
The following special fields of application can be specified:
  • 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:

1 eine erfindungsgemäße Anordnung zur Bestimmung von Schichtdicken und Schallgeschwindigkeiten in Medien mit Hilfe von Ultraschall, wobei 1 an inventive arrangement for determining layer thicknesses and sound velocities in media using ultrasound, wherein

1a eine schematische Darstellung der Anordnung mit einem Zentralempfangselement, 1a a schematic representation of the arrangement with a central receiving element,

1b eine vergrößerte Darstellung der Ultraschallwandler-Medium-Anordnung mit dem Zentralempfangselement nach 1a, 1b an enlarged view of the ultrasonic transducer medium assembly with the central receiving element according to 1a .

1c eine schematische Darstellung der Anordnung mit einem Zentralempfangselement zur Kalibrierung und 1c a schematic representation of the arrangement with a central receiving element for calibration and

1d eine vergrößerte schematische Darstellung der Anordnung mit einem Zentralempfangselement zur Kalibrierung nach 1c
zeigen,
1d an enlarged schematic representation of the arrangement with a central receiving element for calibration after 1c
demonstrate,

2 Schalldruckamplituden als Funktion des elektronischen Fokuspunktes, die Kalibrierungskurven für das Zentralempfangselement darstellen, wobei 2 Sound pressure amplitudes as a function of the electronic focus point, which represent calibration curves for the central receiving element, wherein

2a 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 d = 12 mm, einer Frequenz von 3 MHz und einer Dicke der Wasserschicht mit aW = 13 mm und aW = 10 mm, und 2a the amplitude of the sound reflected from the calibration wall on the central receiving element for the medium of water as a function of electronic focus for a large ultrasonic transducer with a diameter d = 12 mm, a frequency of 3 MHz and a thickness of the water layer with a W = 13 mm and a W = 10 mm, and

2b 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 d = 11 mm, einer Frequenz von 3 MHz und einer Dicke der Wasserschicht mit aW = 10 mm
zeigen, und
2 B the amplitude of the sound reflected from the calibration wall on the central receiving element for the medium of water as a function of electronic focus for a small ultrasonic transducer with a diameter d = 11 mm, a frequency of 3 MHz and a thickness of the water layer with a W = 10 mm
show, and

3 Schalldruckamplituden als Funktion des elektronischen Fokuspunktes für mehrschichtige Medien für einen großen Ultraschallwandler, wobei 3 Sound pressure amplitudes as a function of the electronic focus point for multilayer media for a large ultrasonic transducer, wherein

3a die reflektierte Amplitude von der hinteren Grenzfläche einer Gewebeschicht mit einer Schichtdicke von 5 mm nach einem Wasservorlauf von 5 mm, 3a the reflected amplitude from the back boundary of a fabric layer with a layer thickness of 5 mm after a water feed of 5 mm,

3b die reflektierte Amplitude von der hinteren Grenzfläche einer Gewebeschicht mit einer Schichtdicke von 8 mm nach einem Wasservorlauf von 5 mm und 3b the reflected amplitude from the rear interface of a fabric layer with a layer thickness of 8 mm after a water flow of 5 mm and

3c die reflektierte Amplitude von der hinteren Grenzfläche einer Plexiglasschicht mit einer Schichtdicke von 5 mm nach einem Wasservorlauf von 5 mm
zeigen.
3c the reflected amplitude from the rear interface of a Plexiglas layer with a layer thickness of 5 mm after a water supply of 5 mm
demonstrate.

Im Folgenden werden die 1a, 1b, 1c und 1d gemeinsam betrachtet.The following are the 1a . 1b . 1c and 1d considered together.

In den 1a und 1b ist schematisch eine Anordnung 10 zur Bestimmung von Schichtdicken und Schallgeschwindigkeiten im Medium 3 mit den Schichten 31, 32 mit Hilfe von Ultraschall dargestellt, wobei die Anordnung 10 besteht aus

  • einem Sendesignalgenerator 1, der auf drei Kanälen 11 elektrische Sendesignale erzeugt,
  • einem Ultraschallwandler 2 mit drei Elementen 21, 22, 23, der die Signale vom Sendesignalgenerator 1 erhält und dessen angesteuerte Elemente 21, 22, 23 Ultraschallwellen in das Medium 3 mit den beiden Schichten 31, 32 sendet, wobei der Ultraschallwandler 2 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 Aufnahmeeinheit 6 in die Auswertung einbezieht.
In the 1a and 1b is a schematic arrangement 10 for determining layer thicknesses and sound velocities in the medium 3 with the layers 31 . 32 shown with the help of ultrasound, the arrangement 10 consists
  • A transmission signal generator 1 that on three channels 11 generates electrical transmission signals,
  • - an ultrasonic transducer 2 with three elements 21 . 22 . 23 receiving the signals from the transmit signal generator 1 receives and its driven elements 21 . 22 . 23 Ultrasonic waves in the medium 3 with the two layers 31 . 32 sends, with the ultrasonic 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 the recording unit 6 included in the evaluation.

Erfindungsgemäß befindet sich im zentralen Bereich des Ultraschallwandlers 2 im dort vorhandenen Element 21 ein die reflektierten Ultraschallwellen empfangendes Zentralempfangselement 4, das die in ihm erzeugten elektrischen Empfangssignale an die Verstärkungseinheit 5 weiterleitet und fokussiert der Sendesignalgenerator 1 allein durch eine elektronische Fokussierung oder in Verbindung mit der Aufnahmeeinheit 6 durch eine synthetische Fokussierung den entstehenden Ultraschallfokus schrittweise entlang der Achse 12 des Ultraschallwandlers 2 auf einzelne Fokuspunkte F1, F2, F3,
wobei eine Kalibriereinheit 7 vorhanden ist, die entweder durch Simulationsrechnung oder durch Messung mit Hilfe der Aufnahmeeinheit 6 den reflektierten Schall auf dem Zentralempfangselement 4 für den bei den folgenden Messungen eingesetzten Ultraschallwandler 2 mit vorgegebener Elementeanordnung für ein Kalibriermedium W 31 mit einer festen Kalibrierwand 9 als Reflektor im Abstand aW für die unterschiedlichen elektronischen Fokuspunkte FiW bestimmt, wie in 1c und 1d 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 9 und Wiederholung des Vorgangs Kalibrierkurven für die verschiedenen Schichtdicken des Kalibriermediums W 31 vor der Kalibrierwand 9 liefert, und
wobei die Aufnahmeeinheit 6 für die erste Schicht 31 die Schalllaufzeit t31 zwischen ihrer vorderen Grenzfläche G1 und ihrer hinteren Grenzfläche G2 und/oder für die zweite Schicht 32 die Schalllaufzeit t32 zwischen ihrer vorderen Grenzfläche G2 und ihrer hinteren Grenzfläche G3 misst und bei Verschiebung des elektronischen Fokuspunktes entlang der Achse 12 für den jeweiligen Fokuspunkt F1, F2, F3 das reflektierte Signal auf dem Zentralempfangselement 4 registriert, woraus die Schalldruckamplitude für das Zentralempfangselement 4 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 2a, 2b für das Kalibriermedium W 31 und in den 3a, 3b und 3c 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 31 ermittelt, aus der von der Aufnahmeeinheit 6 gemessenen Schalllaufzeit t31, t32 zwischen der jeweils vorderen Grenzfläche G1, G2 und der jeweils hinteren Grenzfläche G2, G3 in der zu untersuchenden Schicht 31 oder 32 und der ermittelten äquivalenten Schichtdicke aW bezüglich des Kalibriermediums W 31 die Schallgeschwindigkeit cMed31, cMed32 in der zu untersuchenden Schicht 31 oder 32 und deren Schichtdicke aMed31, aMed32 bestimmt werden.
According to the invention is located in the central region of the ultrasonic transducer 2 in the existing element there 21 a central receiving element receiving the reflected ultrasonic waves 4 receiving the electrical reception signals generated in it to the amplification unit 5 the transmit signal generator forwards and focuses 1 solely by electronic focusing or in conjunction with the recording unit 6 through a synthetic focusing the emerging ultrasonic focus gradually along the axis 12 of the ultrasonic transducer 2 to individual focus points F 1 , F 2 , F 3 ,
wherein a calibration unit 7 is present, either by simulation calculation or by measurement using the recording unit 6 the reflected sound on the central receiving element 4 for the ultrasonic transducer used in the following measurements 2 with predetermined element arrangement for a calibration medium W 31 with a fixed calibration wall 9 as reflector at a distance a W for the different electronic focus points F iW determined, as in 1c and 1d is shown, and represents as a function of the electronic focusing, determines the electronic focus adjustment for the maximum and by varying the distance a 1W , a 2W , a 3W , ... the calibration 9 and repetition of the procedure Calibration curves for the different layer thicknesses of the calibration medium W 31 in front of the calibration wall 9 delivers, and
the receiving unit 6 for the first shift 31 the sound transit time t 31 between its front interface G1 and its rear interface G2 and / or for the second layer 32 measures the sound transit time t 32 between its front interface G2 and its rear interface G3, and upon displacement of the electronic focal point along the axis 12 for the respective focal point F 1 , F 2 , F 3, the reflected signal on the central receiving element 4 registers, from which the sound pressure amplitude for the central receiving element 4 determined for each focal point F 1 , F 2 , F 3 and the sound pressure amplitude thus determined is shown as a function of focusing in the form of sound pressure amplitude curves, as in the 2a . 2 B for the calibration medium W 31 and in the 3a . 3b and 3c is shown for other media layers, and
wherein the evaluation unit 8th determine the local maxima and minima from the sound pressure amplitude curve determined by measurement, and from this, with the aid of the calibration curves, determine the equivalent distance a W of the respective reflective interface G2 or G3 with respect to the calibration medium W. 31 determined from the of the recording unit 6 measured sound transit time t 31 , t 32 between the respective front boundary surface G1, G2 and the respective rear boundary surface G2, G3 in the layer to be examined 31 or 32 and the determined equivalent layer thickness a W with respect to the calibration medium W 31 the speed of sound c Med31 , c Med32 in the layer to be examined 31 or 32 and whose layer thickness a Med31 , a Med32 are determined.

Im Ultraschallwandler 2 ist für den Empfang der reflektierten Ultraschallwellen das Zentralempfangselement 4 zur Bestimmung der Schalldruckamplituden-Kurve vorgesehen, wobei die Abmessungen – Durchmesser dZ, Seitenlänge – des Zentralempfangselementes 4 im Bereich einer Ultraschallwellenlänge in Bezug auf das Medium 3 liegen.In the ultrasonic transducer 2 is the central receiving element for receiving the reflected ultrasonic waves 4 provided for determining the sound pressure amplitude curve, wherein the dimensions - diameter d Z , side length - of the central receiving element 4 in the range of an ultrasonic wavelength with respect to the medium 3 lie.

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 4 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 aMed verwendbar sind (2, 3). Die aufgenommenen Schalldruckamplituden-Kurven können dabei auch von der Geometrie und der Frequenz der sendenden Elemente 21, 22, 23 abhängen.Overcoming this disadvantage, the distance of the reflecting interface can be determined by measurement with a small receiver in the form of the central receiving element introduced according to the invention 4 determine. When representing the received sound pressure amplitude as a function of the electronic focus point, local maxima and minima can be determined at focus points in the vicinity of the reflective boundary surface, which maxima and minima can be used to determine the layer thickness a Med ( 2 . 3 ). The recorded sound pressure amplitude curves can also be influenced by the geometry and the frequency of the transmitting elements 21 . 22 . 23 depend.

Die in 1c angegebene Kalibriereinheit 7 kann eine Recheneinheit 71 zur Berechnung der Kalibrierkurven und/oder eine Messeinheit 72 zur Bestimmung der Kalibrierkurven enthalten.In the 1c specified calibration unit 7 can be a computing unit 71 for calculating the calibration curves and / or a measuring unit 72 to determine the calibration curves.

Die Funktionsweise der Anordnung 10 wird durch folgendes Verfahren begleitet:
In dem Verfahren zur Bestimmung von Schichtdicken aMed und Schallgeschwindigkeiten cMed in dem Medium 3 mit den Schichten 31, 32 mit Hilfe von Ultraschall werden unter Einsatz der Anordnung 10 folgende Schritte A, B, C, D realisiert:
The operation of the arrangement 10 is accompanied by the following procedure:
In the method for determining layer thicknesses a Med and sound velocities c Med in the medium 3 with the layers 31 . 32 with the help of ultrasound are using the arrangement 10 the following steps A, B, C, D realized:

A. Schrittweise Fokussierung:A. Gradual focusing:

Ein Sendesignalgenerator 1 fokussiert allein oder in Zusammenarbeit mit einer Aufnahmeeinheit 6 den entstehenden Ultraschall schrittweise entlang der Achse 12 des Ultraschallwandlers 2 auf einzelne Fokuspunkte F1, F2, F3, die wahlweise vor, auf und hinter der hinteren Grenzfläche G2 oder G3 der zu untersuchenden Schicht 31 oder 32 platziert werden, wobei die jeweils vorderen Grenzflächen G1 und G2 sind.A transmission signal generator 1 focused alone or in collaboration with a recording unit 6 the resulting ultrasound stepwise along the axis 12 of the ultrasonic transducer 2 to individual focus points F 1 , F 2 , F 3 , which optionally before, on and behind the rear interface G2 or G3 of the layer to be examined 31 or 32 are placed, with the respective front boundary surfaces G1 and G2.

B. Kalibrierung:B. Calibration:

Vor der Auswertung wird entweder durch Simulationsrechnung oder durch Messung des von einer festen Kalibrierwand 9 reflektierten Schalls gemäß 1c und 1d, der von dem für die folgenden Messungen eingesetzten Ultraschallwandler 2 erzeugt wird, auf dem Zentralempfangselement 4 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 9 und durch Wiederholung des Vorganges Kalibrierkurven für die verschiedenen Schichtdicken aW des Kalibriermediums W 31 vor der Kalibrierwand 9 erstellt werden.Before the evaluation is either by simulation calculation or by measuring the of a fixed calibration wall 9 reflected sound according to 1c and 1d , that of the ultrasonic transducer used for the following measurements 2 is generated on the central receiving element 4 determined for different focus points F 1W , F 2W , F 3W and shown as a function of electronic focusing and determines the electronic focus adjustment for the maximum, wherein by varying the distance a 1W , a 2W , a 3W of the calibration 9 and by repeating the process calibration curves for the different layer thicknesses a W of the calibration medium W 31 in front of the calibration wall 9 to be created.

C. Aufnahme:C. Recording:

Eine Aufnahmeeinheit 6 misst z. B. im Fall einer zu untersuchenden Schicht 31 die Schalllaufzeit t31 zwischen vorderer Grenzfläche G1 und hinterer Grenzfläche G2 der Schicht 31 mit zu bestimmender Schichtdicke aMed und mit zu bestimmender Schallgeschwindigkeit cMed, wobei durch die schrittweise Verschiebung des Fokuspunkts F1, F2, F3 entlang der Achse 12 für den jeweiligen Fokuspunkt F1, F2, F3 das reflektierte Signal auf dem Zentralempfangselement 4 registriert wird, wobei daraus die Schalldruckamplitude für das Zentralempfangselement 4 für jeden Fokuspunkt F1, F2, F3 ermittelt und die so ermittelte Schalldruckamplituden für das Zentralempfangselement 4 als Funktion der elektronischen Fokussierung dargestellt werden, wie in den 3 gezeigt ist.A recording unit 6 measures z. B. in the case of a layer to be examined 31 the sound transit time t 31 between the front interface G1 and the rear interface G2 of the layer 31 with the layer thickness a Med to be determined and with the speed of sound c Med to be determined, wherein the stepwise displacement of the focal point F 1 , F 2 , F 3 along the axis 12 for the respective focal point F 1 , F 2 , F 3, the reflected signal on the central receiving element 4 is registered, from which the sound pressure amplitude for the central receiving element 4 for each focal point F 1 , F 2 , F 3 determined and the thus determined sound pressure amplitudes for the central receiving element 4 be presented as a function of electronic focusing, as in the 3 is shown.

D. Auswertung:D. Evaluation:

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 9 bezüglich des Kalibriermediums W 31 und wobei aus der gemessenen Schalllaufzeit t zwischen vorderer Grenzfläche G1 und hinterer Grenzfläche G2 der zu untersuchenden Schicht 31 und der ermittelten äquivalenten Schichtdicke aW bezüglich des Kalibriermediums W 31 die Schallgeschwindigkeit cMed31 in der zu untersuchenden Schicht 31 und deren Schichtdicke aMed31 bestimmt werden.An evaluation unit 8th establishes the local maxima and minima in the determined sound pressure amplitude curve and, using the calibration curves, determines therefrom the equivalent distance a W of the reflecting interface 9 with respect to the calibration medium W 31 and wherein from the measured sound transit time t between the front boundary surface G1 and the rear boundary surface G2 of the layer to be examined 31 and the determined equivalent layer thickness a W with respect to the calibration medium W 31 the speed of sound c Med31 in the layer to be examined 31 and whose layer thickness a Med31 are determined.

Für einen Einzelelemente-Ultraschallwandler mit dem Zentralempfangselement 4 oder für einen unfokussierten oder vorfokussierten Mehrelemente-Ultraschallwandler mit dem Zentralempfangselement 4 kann die Veränderung des Abstandes der Fokuspunkte Fi vom Ultraschallwandler allein oder zusätzlich durch mechanische Verschiebung des Ultraschallwandlers 2 in Richtung seiner Achse 12 erfolgen, wobei der Ultraschallwandler 2 mit einer Verschiebeeinrichtung (nicht eingezeichnet) in Verbindung stehen kann, die den Ultraschallwandler 2 längs der Achse 12 verschiebt, um den Fokuspunkt zu verschieben.For a single element ultrasonic transducer with the central receiving element 4 or for an unfocused or prefocused multi-element ultrasonic transducer having the central receiving element 4 may be the change of the distance of the focus points F i from the ultrasonic transducer alone or additionally by mechanical displacement of the ultrasonic transducer 2 in the direction of its axis 12 take place, wherein the ultrasound transducer 2 with a displacement device (not shown) may be in communication, the ultrasonic transducer 2 along the axis 12 moves to move the focus point.

Bei einem Medium 3 mit zwei zu untersuchenden Schichten 31, 32 erfolgt die Bestimmung der Schallgeschwindigkeit cMed31, cMed32 und der Schichtdicke aMed31, aMed32 in den einzelnen Schichten 31, 32 sukzessiv von der dem Ultraschallwandler 2 am nächsten liegenden Schicht 31 an sich entfernend, wobei zur Berechnung der Schallgeschwindigkeit cMed und der Schichtdicke aMed in beiden Fällen die Gleichungen (III) und (IV) gelten

Figure 00140001
wobei aW der aus der Fokussierung ermittelte äquivalente Schichtdickenabstand bezüglich des Kalibriermediums W 31, cW die Schallgeschwindigkeit im Kalibriermedium W, VL die Schichtdicke des Vorlaufs bezogen auf das Kalibriermedium W 31 und t = t31 die einfache Schalllaufzeit zwischen vorderer Grenzfläche G1 und hinterer Grenzfläche G2 der zu ersten Schicht 31 und t = t32 die einfache Schalllaufzeit zwischen vorderer Grenzfläche G2 und hinterer Grenzfläche G3 der zweiten Schicht 32 sind.For a medium 3 with two layers to be examined 31 . 32 the determination of the speed of sound c Med31 , c Med32 and the layer thickness a Med31 , a Med32 in the individual layers takes place 31 . 32 successively from the ultrasonic transducer 2 nearest layer 31 in itself, whereby the equations (III) and (IV) apply to the calculation of the speed of sound c Med and the layer thickness a Med in both cases
Figure 00140001
where a W is the determined from the focusing equivalent layer thickness distance with respect to the calibration medium W 31 , c W the speed of sound in the calibration medium W, VL the layer thickness of the flow relative to the calibration medium W 31 and t = t 31 the simple sound transit time between the front interface G1 and the rear interface G2 of the first layer 31 and t = t 32 the simple sound transit time between front interface G2 and rear interface G3 of the second layer 32 are.

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 die von 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 FiW im 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.
When focusing, the change of the distance of the focus points F i from the ultrasonic transducer by one of the following steps, wherein
  • 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 the individual 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 the calibration medium W 31 generated, or
  • b) a synthetic focusing of the ultrasound by picking up the from each individual element 21 . 22 . 23 on the central 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 2 mit einer Ringelementeanordnung verwendet. Dafür werden zuerst Kalibrierungskurven, wie in 2 gezeigt, berechnet. Bei der Berechnung wird angenommen, dass sich in einem Wasserbad in einem definierten Abstand parallel zu den Sendeelementen 21, 22, 23 eine dicke Platte 9 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 Achsen 12 vor, auf und hinter der vorderen reflektierenden Fläche der Platte 9 platziert und eine Schalldruckamplituden-Kurve bezüglich des Zentralempfangselements 4 – eines kleinen zentralen Empfängers im Bereich der Achse 12 – bestimmt.In the following examples, the simultaneous determination of the layer thickness a Med and the speed of sound c Med becomes an ultrasonic transducer 2 used with a ring element arrangement. For this, first calibration curves, as in 2 shown, calculated. In the calculation, it is assumed that in a water bath at a defined distance parallel to the transmitting elements 21 . 22 . 23 a thick plate 9 is located as a calibration wall, in which no reflection from the plate back wall arrives at the receiving elements during the observation period. By electronic focusing or by synthetic focusing, the focal point F 1 , F 2 , F 3 along the axes 12 in front, on and behind the front reflective surface of the plate 9 placed and a sound pressure amplitude curve with respect to the central receiving element 4 - a small central receiver in the area of the axis 12 - certainly.

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 21, 22, 23 einzeln nacheinander senden, werden die einzelnen reflektierten Signale von dem Zentralempfangselement 4 registriert und die einzelnen Signale für die einzelnen Sendeelemente 21, 22, 23 phasenverschoben entsprechend dem jeweiligen Zeitverzögerungsregime überlagert.In synthetic focusing, with all transmitting elements 21 . 22 . 23 one at a time, the individual reflected signals from the central receiving element 4 registered and the individual signals for the individual transmission elements 21 . 22 . 23 out of phase according to the respective time delay regime superimposed.

Der Vorgang wird für verschiedene Abstände der Platte 9 von den Sendeelementen 21, 22, 23 wiederholt.The process is for different distances of the plate 9 from the transmitting elements 21 . 22 . 23 repeated.

Tabelle 1 zeigt den Zusammenhang zwischen Schichtdicke aW und elektronischem Fokus Fok beim lokalen Maximum in den Schalldruckamplituden-Kurven für das Kalibriermedium Wasser 31. Tabelle 1 Abstand aW der Platte 9 in Wasser Elektronische Fokussierung Fok bei lokalem Maximum 10 mm 10,5 mm = M10 13 mm 12 mm = M13 Table 1 shows the relationship between layer thickness a W and electronic focus Fok at the local maximum in the sound pressure amplitude curves for the calibration medium water 31 , Table 1 Distance a W of the plate 9 in water Electronic focusing Fok at local maximum 10 mm 10.5 mm = M10 13 mm 12 mm = M13

So ergeben sich die zwei Schalldruckamplituden-Kurven in 2 für einen Wandabstand aW von 10 mm und 13 mm, wobei der Wandabstand aW gleich der Schichtdicke des Kalibriermediums W 31 darstellt, wenn sich an den Ultraschallwandler 2 unmittelbar die Schicht des Kalibriermediums W 31 anschließt. Der Vergleich von 2a und 2b zeigt die Abhängigkeit des Kurvenverlaufs von der Geometrie der Sendeelemente 21 (inneres zentrales Element), 22 (mittleres Element), 23 (äußeres Element) des Ultraschallwandlers 2.This results in the two sound pressure amplitude curves in 2 for a wall distance a W of 10 mm and 13 mm, wherein the wall distance a W equal to the layer thickness of the calibration medium W 31 represents when applied to the ultrasonic transducer 2 immediately the layer of the calibration medium W 31 followed. The comparison of 2a and 2 B shows the dependence of the curve on the geometry of the transmitting elements 21 (inner central element), 22 (middle element), 23 (outer element) of the ultrasonic transducer 2 ,

Die in 2a und 2b aufgenommenen Kalibrierkurven zeigen vor und hinter der reflektierenden Wand 9 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 9 von den Sendeelementen 21, 22, 23 vorgegeben ist, lässt sich der elektronische Fokus Fok beim Maximum einer Wasserschichtdicke aW (= Abstand der Wand 9 vom Ultraschallwandler 2 für Medium Wasser W 31) zuordnen. Bei einem Durchmesser d = 12 mm des Ultraschallwandlers 2 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 2a gezeigt ist. In 2b beträgt der Durchmesser d = 11 mm des Ultraschallwandlers 2 und das lokale Maximum M10 liegt bei Fok = 9 mm.In the 2a and 2 B Recorded calibration curves show in front of and behind the reflective wall 9 a local minimum. The local maximum does not agree exactly with the focal point that was read, but because the distance a W of the plate is in the calibration calculations or measurements 9 from the transmitting elements 21 . 22 . 23 is predetermined, the electronic focus Fok at the maximum of a water layer thickness a W (= distance of the wall 9 from the ultrasonic transducer 2 for medium water W 31 ) assign. With a diameter d = 12 mm of the ultrasonic transducer 2 and at a distance a W = 13 mm, the maximum M13 at an electronic focus Fok = 12 mm and at a distance a W = 10 mm, the maximum M10 at Fok = 10.5 mm, as in 2a is shown. In 2 B the diameter d = 11 mm of the ultrasonic transducer 2 and the local maximum M10 is at Fok = 9 mm.

Wenn bei einer Schicht 32 eines anderen Mediums mit zu bestimmender Schichtdicke aMed32 und zu bestimmender Schallgeschwindigkeit cMed32 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.If at a shift 32 of a different medium with layer thickness a Med32 to be determined and sound velocity c Med32 to be determined is focused stepwise and a sound pressure amplitude curve is recorded as a function of the electronic focusing, a similar sound pressure amplitude curve results as in water. Again, local maxima and minima occur. When the focus is read at the local maximum and compared to the calibration curves for water, the calibration curve for water can be selected at which a local maximum occurs at the same focusing and same time delay regime in water.

Das heißt, es wird der zu untersuchenden Schicht 32 eine äquivalente Wasserschichtdicke aW zugeordnet. Diese hängt mit der zu bestimmenden Schichtdicke aMed32 der Schicht 32 über die Gleichung (I) zusammen:

Figure 00170001
wobei a für den Abstand bzw. die Schichtdicke, c für die Schallgeschwindigkeit und der Index W für das Kalibriermedium Wasser 31 und Med für das zu untersuchende Medium in der Schicht 32 stehen.That is, it becomes the layer to be examined 32 an equivalent water layer thickness assigned a W. This depends on the layer thickness a Med32 of the layer to be determined 32 via the equation (I) together:
Figure 00170001
where a is the distance or the layer thickness, c for the speed of sound and the index W for the calibration medium water 31 and Med for the medium to be examined in the layer 32 stand.

Eine zweite Information wird aus der Schalllaufzeit tMed gemäß Gleichung (II) erhalten

Figure 00170002
wobei tMed die gemessene einfache Schalllaufzeit in der zu untersuchenden Schicht 32 ist.A second information is obtained from the sound transit time t Med according to equation (II)
Figure 00170002
where t Med is the measured simple sound propagation time in the layer to be examined 32 is.

Mithilfe der Gleichungen (I) und (II) lassen sich die Schichtdicke aMed und die Schallgeschwindigkeit cMed der Schicht 32 bestimmen.Equations (I) and (II) allow the layer thickness a Med and the speed of sound c Med of the layer to be determined 32 determine.

Handelt es sich um ein mehrschichtiges Medium 3, z. B. um ein zweischichtiges mit den unbekannten Schichten 31 und 32, wie in den 1a und 1b gezeigt, so werden in Richtung vom Ultraschallwandler 2 ausgehend die Schichtdicken aMed31, aMed32 und die Schallgeschwindigkeiten cMed31, cMed32 bestimmt. Die Gleichungen (I) und (II) gehen für ein zweischichtiges System 31, 32 in die Gleichungen (III) und (IV) über

Figure 00180001
Is it a multi-layered medium? 3 , z. B. a two-layered with the unknown layers 31 and 32 as in the 1a and 1b shown, so are in the direction of the ultrasonic transducer 2 the layer thicknesses a Med31 , a Med32 and the velocities c Med31 , c Med32 are determined. The equations (I) and (II) go for a two-layered system 31 . 32 into equations (III) and (IV)
Figure 00180001

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 31 und 32

Figure 00180002
If equation (IV) is used in equation (III), an equation (V) results for calculating the speed of sound c Med of the medium in each slice to be examined 31 and 32
Figure 00180002

3a zeigt die aufgenommene Schalldruckamplituden-Kurve von einer zu untersuchenden Gewebeschicht (tatsächliche Werte: Schallgeschwindigkeit cMed von c = 1620 m/s und eine Schichtdicke aMed von 5 mm) nach einem Wasservorlauf VL von 5 mm. Es wird davon ausgegangen, dass die Schichtdicke aMed 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 32 ermittelt t = 3,09·10–6 s und die Schalldruckamplitudenkurve durch schrittweise Fokussierung aufgenommen. 3a shows the recorded sound pressure amplitude curve of a tissue layer to be examined (actual values: sound velocity c Med of c = 1620 m / s and a layer thickness a Med of 5 mm) after a water flow VL of 5 mm. It is assumed that the layer thickness a Med and the speed of sound c Med are not predetermined. In the measurement, the sound transit time t for the simple running path between the front interface G2 and the rear interface G3 of the layer to be examined 32 determines t = 3.09 · 10 -6 s and records the sound pressure amplitude curve by stepwise focusing.

Der Schalldruck auf dem Zentralempfangselement 4 als Funktion der elektronischen Fokussierung ist in 3a dargestellt. Es wird die Lage des lokalen Maximums MG5 für Fok = 10,9 mm entnommen. Damit ergibt sich durch Interpolation der Werte in Tabelle 1 eine Schichtdicke bzgl. Wasser von aW = 10,8 mm. Entsprechend Gleichung (V) ergeben sich damit eine Geschwindigkeit cMed von 1649 m/s und eine Schichtdicke aMed von 5,1 mm.The sound pressure on the central receiving element 4 as a function of electronic focusing is in 3a shown. The position of the local maximum MG5 for Fok = 10.9 mm is taken. This results in a layer thickness with respect to water of a W = 10.8 mm by interpolation of the values in Table 1. According to equation (V), this results in a speed c Med of 1649 m / s and a layer thickness a Med of 5.1 mm.

Die in 3b aufgenommene Schalldruckamplituden-Kurve für eine Gewebeschicht (8 mm Dicke, c = 1620 m/s) bei einem Wasservorlauf 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 cMed von 8,17 mm.In the 3b recorded sound pressure amplitude curve for a fabric layer (8 mm thickness, c = 1620 m / s) with a water flow of 5 mm has a local maximum MG8 at Fok = 12.5 mm. For the speed of sound c Med is 1653 m / s and a layer thickness c Med of 8.17 mm.

Die aufgenommene Schalldruckamplituden-Kurve in 3c für eine Plexiglasschicht (5 mm Dicke, c = 2730 m/s) bei einem Wasservorlauf 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 aMed von 5,11 mm.The recorded sound pressure amplitude curve in 3c for a plexiglass layer (5 mm thickness, c = 2730 m / s) with a water flow VL of 5 mm, the local maximum MP5 at Fok = 12.7 mm. For the speed of sound c Med , c = 2775 m / s and a layer thickness a Med of 5.11 mm.

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

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • DE 50305421 T [0007] DE 50305421 T [0007]

Claims (11)

Anordnung (10) zur Bestimmung von Schichtdicken und Schallgeschwindigkeiten in Medien (3; 31, 32) mit Hilfe von Ultraschall, bestehend aus – einem Sendesignalgenerator (1), der auf n ≥ 1 Kanälen (11) elektrische Sendesignale erzeugt, – einem Ultraschallwandler (2) mit m ≥ 1 Elementen (21, 22, 23), der die Sendesignale vom Sendesignalgenerator (1) erhält und dessen angesteuerte Elemente (21, 22, 23) die Ultraschallwellen in das Medium (3) mit einer Schicht oder mehreren Schichten (31, 32) sendet, wobei der Ultraschallwandler (2) die reflektierten Ultraschallwellen empfängt und in elektrische Empfangssignale wandelt, und – 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 Aufnahmeeinheit (6) in die Auswertung einbezieht, dadurch gekennzeichnet, dass sich im zentralen Bereich des Ultraschallwandlers (2) im dort vorhandenen Element (21) ein die reflektierten Ultraschallwellen empfangendes Zentralempfangselement (4) befindet, das die in ihm erzeugten elektrischen Empfangssignale an die Verstärkungseinheit 5 weiterleitet, dass der Sendesignalgenerator (1) allein durch eine elektronische Fokussierung oder in Zusammenarbeit mit der Aufnahmeeinheit (6) durch eine synthetische Fokussierung den entstehenden Ultraschallfokus schrittweise entlang der Achse (12) des Ultraschallwandlers (2) auf einzelne Fokuspunkte (Fi) fokussiert, dass eine Kalibriereinheit (7, 71, 72) vorhanden ist, die entweder durch Simulationsrechnung oder durch Messung mit Hilfe der Aufnahmeeinheit (6) den reflektierten Ultraschall auf dem Zentralempfangselement (4) für den bei den bei den folgenden Messungen eingesetzten Ultraschallwandler (2) mit vorgegebener Elementeanordnung für ein Kalibriermedium W (31) mit einer festen Kalibrierwand (9) 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 (9) und Wiederholung des Vorgangs Kalibrierkurven für die verschiedenen Schichtdicken des Kalibriermediums W (31) vor der Kalibrierwand (9) liefert, und dass die Aufnahmeeinheit (6) die Schalllaufzeit (t) zwischen vorderer Grenzfläche (G1, G2) und hinterer Grenzfläche (G2, G3) der zu untersuchenden Schicht (31, 32) misst und bei Verschiebung des Fokuspunktes (Fi) entlang der Achse (12) für den jeweiligen Fokuspunkt (Fi) das reflektierte Signal auf dem Zentralempfangselement (4) registriert, woraus die Schalldruckamplitude für das Zentralempfangselement (4) 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 der reflektierenden Grenzfläche bezüglich des Kalibriermediums W (31) ermittelt, aus der von der Aufnahmeeinheit (6) gemessenen Schalllaufzeit (t31, t32) zwischen der vorderen Grenzfläche (G1, G2) und der hinteren Grenzfläche (G2, G3) der zu untersuchenden Schicht (31, 32) und der ermittelten äquivalenten Schichtdicke bezüglich des Kalibriermediums W (31) die Schallgeschwindigkeit (cMed31, cMed32) in der zu untersuchenden Schicht (31, 32) und deren Schichtdicke (aMed31, aMed32) bestimmt werden.Arrangement ( 10 ) for determining layer thicknesses and sound velocities in media ( 3 ; 31 . 32 ) with the aid of ultrasound, consisting of - a transmission signal generator ( 1 ), on n ≥ 1 channels ( 11 ) generates electrical transmission signals, - an ultrasonic transducer ( 2 ) with m ≥ 1 elements ( 21 . 22 . 23 ), which transmits the transmission signals from the transmission signal generator ( 1 ) and whose driven elements ( 21 . 22 . 23 ) the ultrasonic waves into the medium ( 3 ) with one or more layers ( 31 . 32 ), wherein the ultrasonic transducer ( 2 ) receives the reflected ultrasonic waves and converts them into received electrical signals, and - an amplification unit ( 5 ) receiving and amplifying the received electrical signals, - a recording unit ( 6 ), which supplies the amplified received signals to an analog-digital conversion for the purpose of forming digital signals, and - an evaluation unit ( 8th ), which receives the digital signals from the recording unit ( 6 ) in the evaluation, characterized in that in the central region of the ultrasonic transducer ( 2 ) in the element ( 21 ) a received the reflected ultrasonic waves central receiving element ( 4 ), which receives the electrical received signals generated in it to the amplification unit 5 forwards the transmit signal generator ( 1 ) by electronic focusing alone or in collaboration with the recording unit ( 6 ) by means of a synthetic focusing the resulting ultrasonic focus stepwise along the axis ( 12 ) of the ultrasonic transducer ( 2 ) focuses on individual focus points (F i ) that a calibration unit ( 7 . 71 . 72 ), either by simulation calculation or by measurement using the recording unit ( 6 ) the reflected ultrasound on the central receiving element ( 4 ) for the ultrasonic transducer used in the following measurements ( 2 ) with a predetermined element arrangement for a calibration medium W ( 31 ) with a fixed calibration wall ( 9 ) is determined as a reflector at a distance (a W ) for the different focus points (F iW ) and represents a function of the focusing, the electronic focus setting for the maximum is determined and by varying the distance (a iW ) of the calibration wall ( 9 ) and repetition of the procedure Calibration curves for the different layer thicknesses of the calibration medium W ( 31 ) in front of the calibration wall ( 9 ) and that the recording unit ( 6 ) the sound transit time (t) between the front interface (G1, G2) and the rear interface (G2, G3) of the layer to be examined ( 31 . 32 ) and with displacement of the focal point (F i ) along the axis ( 12 ) for the respective focal point (F i ) the reflected signal on the central receiving element ( 4 ), from which the sound pressure amplitude for the central receiving element ( 4 ) is determined for each focal point (F i ) and the sound pressure amplitude thus determined is represented as a function of the focusing in the form of a sound pressure amplitude curve, and in that the evaluation unit ( 8th ) determines the local maxima and minima from the sound pressure amplitude curve determined by measurement, from which, with the aid of the calibration curves, the equivalent distance of the reflective boundary surface with respect to the calibration medium W (see FIG. 31 ) from which the recording unit ( 6 ) measured sound transit time (t 31 , t 32 ) between the front interface (G1, G2) and the rear interface (G2, G3) of the layer to be examined ( 31 . 32 ) and the determined equivalent layer thickness with respect to the calibration medium W ( 31 ) the speed of sound (c Med31 , c Med32 ) in the layer to be examined ( 31 . 32 ) and their layer thickness (a Med31 , a Med32 ) are determined. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zentralempfangselement (4) zur Bestimmung von Schalldruckamplituden-Kurven vorgesehen ist, wobei die Abmessungen – Durchmesser dZ, Seitenlänge – des Zentralempfangselementes (4) im Bereich einer Ultraschallwellenlänge in Bezug auf das Medium (3) liegen.Arrangement according to claim 1, characterized in that the central receiving element ( 4 ) is provided for the determination of sound pressure amplitude curves, wherein the dimensions - diameter d Z , side length - of the central receiving element ( 4 ) in the range of an ultrasonic wavelength with respect to the medium ( 3 ) lie. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallwandler (2) als Ringelementeanordnung oder als Matrixanordnung oder als Linearanordnung ausgeführt ist, so dass eine elektronische Fokussierung oder eine synthetische Fokussierung möglich ist.Arrangement according to claim 1, characterized in that the ultrasonic transducer ( 2 ) is designed as a ring element arrangement or as a matrix arrangement or as a linear arrangement, so that an electronic focusing or a synthetic focusing is possible. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einkopplung des Ultraschalls in das Medium (3) wahlweise ein Flüssigkeitsvorlauf (FVL) eingesetzt ist.Arrangement according to claim 1, characterized in that for coupling the ultrasound into the medium ( 3 ) optionally a liquid flow (FVL) is used. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass für einen Einzelelemente-Ultraschallwandler mit dem Zentralempfangselement (4) oder für einen unfokussierten oder vorfokussierten Mehrelemente-Ultraschallwandler mit dem Zentralempfangselement (4) die Veränderung der Fokuspunkte (Fi) allein oder zusätzlich durch mechanische Verschiebung des Ultraschallwandlers (2) in Richtung der Achse (12) erfolgt, wobei der Ultraschallwandler (2) mit einer Verschiebeeinrichtung in Verbindung steht, die den Ultraschallwandler (2) längs der Achse (12) verschiebt, um den die Fokuspunkte zu fokussieren.Arrangement according to claim 3, characterized in that for a single element ultrasonic transducer with the central receiving element ( 4 ) or for an unfocused or prefocused multi-element ultrasound transducer with the central receiving element ( 4 ) the change of the focus points (F i ) alone or in addition by mechanical displacement of the ultrasonic transducer ( 2 ) in the direction of the axis ( 12 ), wherein the ultrasonic transducer ( 2 ) is in communication with a displacement device, the ultrasonic transducer ( 2 ) along the axis ( 12 ) to focus on the focus points. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierungseinheit (7, 71, 72) entweder durch Simulationsrechnungen für den eingesetzten Ultraschallwandler (2) oder durch Messungen das reflektierte Signal auf dem Zentralempfangselement 4 für das Kalibriermedium W (31) mit einer festen Kalibrierwand (9) 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 (9) und Wiederholung des Vorganges Kalibrierkurven für die verschiedenen Schichtdicken (aW,) des Kalibriermediums W (31) vor der Kalibrierwand (9) liefert. Arrangement according to claim 1, characterized in that the calibration unit ( 7 . 71 . 72 ) either by simulation calculations for the ultrasonic transducer used ( 2 ) or by measurements the reflected signal on the central receiving element 4 for the calibration medium W ( 31 ) with a fixed calibration wall ( 9 ) is determined as a reflector at a distance (a 1W ) for different foci with the focus points (F 1 , F 2 , F 3 , ...), as a function of focusing, determines the electronic focus setting or the synthetic focus setting for the local maximum and by varying the distance (a 1W , a 2W , a 3W ) of the calibration wall ( 9 ) and repetition of the procedure Calibration curves for the different layer thicknesses (a W, ) of the calibration medium W ( 31 ) in front of the calibration wall ( 9 ). Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallwandler (2) in Form einer Ringelementeanordnung, bei der mindestens ein ringförmiges Element zusätzlich in Sektoren unterteilt ist, oder durch zusätzlich angebrachte für den Empfang bestimmte Ultraschallwandler Empfang ist, um eine Schräglage des Ultraschallwandlers (2) in Bezug auf die Grenzfläche (G1, G2, G3) zu erkennen und damit zu justieren.Arrangement according to claim 3, characterized in that the ultrasonic transducer ( 2 ) in the form of a ring element arrangement, in which at least one annular element is additionally subdivided into sectors, or is additionally received by means of additional ultrasound transducers intended for reception in order to detect an inclined position of the ultrasound transducer ( 2 ) with respect to the interface (G1, G2, G3) and thus to adjust. Verfahren zur Bestimmung von Schichtdicken und Schallgeschwindigkeiten in Medien (3; 31, 32) mit Hilfe von Ultraschall, unter Einsatz einer Anordnung (10) nach dem Anspruch 1, mit folgenden Schritten: A. Schrittweise Fokussierung: Ein Sendesignalgenerator (1) fokussiert allein oder in Zusammenarbeit mit einer Aufnahmeeinheit (6) schrittweise entlang der Achse (12) des Ultraschallwandlers (2) auf einzelne Fokuspunkte (Fi), die wahlweise vor, auf und hinter der hinteren Grenzfläche (G2, G3) der zu untersuchenden Schicht (31, 32) platziert sind, wobei (G1) und (G2) jeweils die vorderen Grenzflächen der Schichten (31, 32) sind. B. Kalibrierung: Vor der Auswertung wird entweder durch Simulationsrechnung oder durch Messung des von einer festen Kalibrierwand (9) reflektierten Schalls, der von dem für die folgenden Messungen eingesetzten Ultraschallwandler (3) erzeugt wird, auf einem Zentralempfangselement (4) 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 (9) und durch Wiederholung des Vorgangs Kalibrierkurven für die verschiedenen Schichtdicken (aW) des Kalibriermediums W (31) vor der Kalibrierwand (9) erstellt werden. C. Aufnahme: Eine Aufnahmeeinheit (6) misst die Schalllaufzeit (t31, t32) zwischen vorderer Grenzfläche (G1, G2) und hinterer Grenzfläche (G2, G3) der zu untersuchenden Schicht (31, 32) mit zu bestimmender Schichtdicke (aMed) und mit zu bestimmender Schallgeschwindigkeit (cMed), wobei durch eine schrittweise Verschiebung des Fokuspunktes (Fi) entlang der Achse (12) für den jeweiligen Fokuspunkt (Fi) das reflektierte Signal auf dem Zentralempfangselement (4) registriert wird, wobei daraus die Schalldruckamplitude für das Zentralempfangselement (4) für jeden Fokuspunkt (Fi) ermittelt und die so ermittelte Schalldruckamplitude für das Zentralempfangselement (4) 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 (31) und wobei aus der gemessenen Schalllaufzeit (t31, t32) zwischen vorderer Grenzfläche (G1, G2) und hinterer Grenzfläche (G2, G3) der zu untersuchenden Schicht (31, 32) und der ermittelten äquivalenten Schichtdicke (aW) bezüglich des Kalibriermediums W (31) die Schallgeschwindigkeit (cMed31, cMed32) in der zu untersuchenden Schicht (31, 32) und deren Schichtdicke (aMed31, aMed32) bestimmt werden.Method for determining layer thicknesses and sound velocities in media ( 3 ; 31 . 32 ) using ultrasound, using an array ( 10 ) according to claim 1, comprising the following steps: A. Stepwise focusing: a transmission signal generator ( 1 ) focuses alone or in collaboration with a recording unit ( 6 ) stepwise along the axis ( 12 ) of the ultrasonic transducer ( 2 ) to individual focus points (F i ), which optionally before, on and behind the rear interface (G2, G3) of the layer to be examined ( 31 . 32 ), where (G1) and (G2) respectively the front boundary surfaces of the layers ( 31 . 32 ) are. B. Calibration: Before the evaluation is carried out either by simulation calculation or by measurement of the by a fixed calibration wall ( 9 ) reflected sound from the ultrasonic transducer used for the following measurements ( 3 ) is generated on a central receiving element ( 4 ) is determined for different focus points (F i ) and represented as a function of the electronic focusing and determines the electronic focus adjustment for the maximum, wherein by varying the distance of the calibration wall ( 9 ) and by repeating the process calibration curves for the different layer thicknesses (a W ) of the calibration medium W ( 31 ) in front of the calibration wall ( 9 ) to be created. C. Recording: A recording unit ( 6 ) measures the sound transit time (t 31 , t 32 ) between the front boundary surface (G1, G2) and the rear boundary surface (G2, G3) of the layer to be investigated ( 31 . 32 ) with the layer thickness to be determined (a Med ) and with the speed of sound to be determined (c Med ), wherein a stepwise displacement of the focal point (F i ) along the axis ( 12 ) for the respective focal point (F i ) the reflected signal on the central receiving element ( 4 ), from which the sound pressure amplitude for the central receiving element ( 4 ) is determined for each focal point (F i ) and the sound pressure amplitude thus determined for the central receiving element ( 4 ) as a function of focusing. D. Evaluation: An evaluation unit ( 8th ) determines the local maxima and minima in the determined sound pressure amplitude curve and determines therefrom, with the aid of the calibration curves, the equivalent distance of the reflecting interface with respect to the calibration medium W (FIG. 31 ) and wherein from the measured sound transit time (t 31 , t 32 ) between the front boundary surface (G1, G2) and the rear boundary surface (G2, G3) of the layer to be investigated ( 31 . 32 ) and the determined equivalent layer thickness (a W ) with respect to the calibration medium W ( 31 ) the speed of sound (c Med31 , c Med32 ) in the layer to be examined ( 31 . 32 ) and their layer thickness (a Med31 , a Med32 ) are determined. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem mehrschichtigen Medium (31, 32) die Bestimmung der Schallgeschwindigkeit (cMed31, cMed32) und der Schichtdicke (aMed31, aMed32) in den einzelnen Schichten (31, 32) sukzessiv von der dem Ultraschallwandler (2) am nächsten liegenden Schicht an sich entfernend erfolgt, wobei zur Berechnung der Schallgeschwindigkeit (cMed) und der Schichtdicke (aMed) die Gleichungen (III) und (IV) gelten
Figure 00260001
Figure 00270001
wobei aw der aus der Fokussierung ermittelte äquivalente Schichtdickenabstand bezüglich des Kalibriermediums W (31), cW die Schallgeschwindigkeit im Kalibriermedium W (31), VL die Schichtdicke des Vorlaufs bezogen auf das Kalibriermedium W (31) und t die einfache Schalllaufzeit zwischen vorderer Grenzfläche (G1, G2) und hinterer Grenzfläche (G2, G3) der zu untersuchenden Schicht (31, 32) sind.
A method according to claim 8, characterized in that in a multilayer medium ( 31 . 32 ) the determination of the speed of sound (c Med31 , c Med32 ) and the layer thickness (a Med31 , a Med32 ) in the individual layers ( 31 . 32 ) successively from the ultrasonic transducer ( 2 ) takes place next to the next layer, whereby the equations (III) and (IV) apply to the calculation of the speed of sound (c Med ) and the layer thickness (a Med )
Figure 00260001
Figure 00270001
where a w is the equivalent layer thickness distance determined from the focusing with respect to the calibration medium W (FIG. 31 ), c W is the speed of sound in the calibration medium W ( 31 ), VL the layer thickness of the flow relative to the calibration medium W ( 31 ) and t is the simple sound transit time between the front interface (G1, G2) and the rear interface (G2, G3) of the layer to be examined ( 31 . 32 ) are.
Verfahren nach Anspruch 8, 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 (21, 22, 23) derart, dass die von den Einzelwandlerelementen (21, 22, 23) 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 (21, 22, 23) auf dem Zentralempfangselement (4) erzeugten Echosignals und anschließender Überlagerung der Echosignale entsprechend dem Zeitverzögerungsregime (V1, V2, V3) realisiert werden.A method according to claim 8, characterized in that during the focusing, the change of the focus points (F i ) by one of the following steps a) by an electronic transmission focusing of the ultrasound by a time delay regime (V 1 , V 2 , V 3 ) corresponding time-delayed control m individual transducer elements ( 21 . 22 . 23 ) such that the of the individual transducer elements ( 21 . 22 . 23 ) outgoing ultrasonic waves superimpose constructively in the focal points (F 1 , F 2 , F 3 ), or b) by a synthetic focusing of the ultrasound by recording the signal from each individual transducer element ( 21 . 22 . 23 ) on the central receiving element ( 4 ) generated echo signal and subsequent superposition of the echo signals in accordance with the time delay regime (V 1 , V 2 , V 3 ) can be realized. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Genauigkeit nach grober Bestimmung der Schallgeschwindigkeit (cMed) durch Einsatz des Kalibriermediums W (31) mit einer Schallgeschwindigkeit (cW) ähnlich der grob bestimmten Schallgeschwindigkeit (cMed) erhöht wird.A method according to claim 8, characterized in that the accuracy after rough determination of the speed of sound (c med ) by using the calibration medium W ( 31 ) is increased at a speed of sound (c W ) similar to the roughly determined speed of sound (c Med ).
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