DE102009025464A1 - 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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DE102009025464A1
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Elfgard Kühnicke
Michael Lenz
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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 kombinierten Bestimmung von Schallgeschwindigkeiten und Abständen in flüssigen und festen Medien mittels Ultraschall, bestehend aus

  • – einem Sendesignalgenerator, der auf m ≥ 1 Kanälen elektrische Sendesignale erzeugt,
  • – einer Sende-Empfangs-Weiche,
  • – einem Ultraschallwandler mit n ≥ 1 Elementen, der die elektrischen Sendesignale vom Sendesignalgenerator über die Sende-Empfangs-Weiche erhält, wobei die angesteuerten Elemente des Ultraschallwandlers eine Ultraschallwelle in das zu untersuchende Medium mit konstanter oder ortsveränderlicher Schallgeschwindigkeit senden und wobei nach Umschaltung der Sende-Empfangs-Weiche die reflektierte Ultraschallwelle mit den Elementen des Ultraschallwandlers empfangen wird, und
  • – einer Verstärkungseinheit, die die elektrischen Empfangssignale von den einzelnen Elementen des Ultraschallwandlers über die Sende-Empfangs-Weiche erhält und verstärkt, und
  • – einer Aufnahmeeinheit, in der eine Analog-Digital-Wandlung der Empfangssignale in digitale Signale erfolgt und
  • – einer Auswerteeinheit, die die aus der Aufnahmeeinheit weitergeleiteten digitalen Signale zur Auswertung erhält.
The invention relates to an arrangement and a method for the combined determination of sound velocities and distances in liquid and solid media by means of ultrasound, consisting of
  • A transmission signal generator which generates electrical transmission signals on m ≥ 1 channels,
  • A transmitting-receiving switch,
  • An ultrasonic transducer with n ≥ 1 elements, which receives the electrical transmission signals from the transmission signal generator via the transceiver, wherein the controlled elements of the ultrasonic transducer transmit an ultrasonic wave into the medium to be examined at a constant or spatially variable speed of sound and wherein after switching the transmission Reception switch the reflected ultrasonic wave is received with the elements of the ultrasonic transducer, and
  • - An amplification unit, which receives and amplifies the received electrical signals from the individual elements of the ultrasonic transducer via the transceiver, and
  • - A recording unit in which an analog-to-digital conversion of the received signals into digital signals takes place and
  • - An evaluation, which receives the forwarded from the recording unit digital signals for evaluation.

Messungen in Festkörpern mittels Ultraschall werden durchgeführt, um Fehler in Materialien zu detektieren, Schichtdicken zu messen oder Strukturen in technischen Bereichen oder in der Medizin, wie Gewebestrukturen und Organgrenzen sichtbar zu machen. Dabei ist die Kenntnis der Schallgeschwindigkeit eine notwendige Voraussetzung, um Größen und Entfernungen zu messen.measurements in solids are carried out by ultrasound, to detect defects in materials, to measure layer thicknesses or structures in technical fields or in medicine, such as Visualize tissue structures and organ boundaries. It is the knowledge of the speed of sound is a necessary condition to measure sizes and distances.

Andererseits ist die Schallgeschwindigkeit bzw. das Schallgeschwindigkeitsprofil von besonderem Interesse, weil dies wichtige Parameter für den festen oder flüssigen Stoff oder ein Stoffgemisch sind. So ist beispielsweise bei vielen flüssigen Lösungen oder Mischungen die Schallgeschwindigkeit stark von der Konzentration abhängig und kann daher vorteilhaft zur Konzentrationsmessung eingesetzt werden. Die Schallgeschwindigkeit ist aber auch Materialparameter und kann zur Festkörpercharakterisierung verwendet werden. Wird die Schallgeschwindigkeit mittels des Ultraschall-Echo-Prinzips gemessen, um daraus Materialparameter oder Konzentrationen zu ermitteln, so wird üblicherweise ein Vergleichsreflektor an einer vorgegebenen Position zur Bestimmung des Schallweges genutzt.on the other hand is the speed of sound or the speed of sound profile Of particular interest because this is important parameter for the solid or liquid substance or a mixture of substances. This is the case with many liquid solutions, for example or mix the speed of sound strongly from the concentration dependent and therefore advantageous for concentration measurement be used. The speed of sound is also material parameter and can be used for solid state characterization. Becomes the speed of sound by means of the ultrasonic echo principle measured to determine material parameters or concentrations, so is usually a comparison reflector on a predetermined position used to determine the sound path.

Herkömmliche technische Messverfahren benötigen zur Schallgeschwindigkeitsmessung die Kenntnis der Länge des Schallausbreitungsweges. Dazu ist entweder ein externer Referenzreflektor oder ein Empfangswandler an einer vorgegebenen Position zu platzieren. In der Praxis ist dies jedoch nicht immer möglich, insbesondere, wenn Platzmangel für den Messaufbau besteht, chemisch aggressive Flüssigkeiten vorliegen oder die Zerstörung des Messobjekts beim Festkörper droht.conventional technical measuring methods need for sound velocity measurement the knowledge of the length of the sound propagation path. To is either an external reference reflector or a receiving transducer to place at a predetermined position. In practice is However, this is not always possible, especially if lack of space for the measurement setup, chemically aggressive fluids exist present or the destruction of the test object in the solid state threatening.

Eine Bestimmung von Schallgeschwindigkeitsprofilen ist derzeit praktisch nicht oder nur mit sehr großem Aufwand möglich. Mechanisch ist die ortsaufgelöste Bestimmung der Schallgeschwindigkeit nur bei an allen Stellen zugänglichen Medien und mit optischen Verfahren nur bei durchsichtigen Medien möglich.A Determining sound velocity profiles is currently practical not possible or only with great effort. Mechanical is the spatially resolved determination of the speed of sound only in media accessible at all points and with optical Procedure only possible with transparent media.

Tomographische Verfahren zur ortsaufgelösten Bestimmung der Schallgeschwindigkeit sind in der Druckschrift M. Barth et al.: Akustische Tomographie zur zeitgleichen Erfassung von Temperatur- und Strömungsfeldern, 14. GALA-Fachtagung: Lasermethoden in der Strömungsmesstechnik, 05.–07. September 2006 , Physikalisch-Technische Bundesanstalt Braunschweig beschrieben, wobei die Messung der Schallgeschwindigkeit als Schall-Laufzeitmessungen zwischen vielen Paaren aus Sender und Empfänger in Luft durchgeführt werden. Das Verfahren kann prinzipiell auch in Flüssigkeiten und allseitig zugänglichen Festkörpern eingesetzt werden. In Flüssigkeiten wird der Einfluss der Strömung dadurch kompensiert, dass die Schallgeschwindigkeit in beide Richtungen gemessen wird.Tomographic methods for the spatially resolved determination of the speed of sound are in the document M. Barth et al .: Acoustic tomography for the simultaneous detection of temperature and flow fields, 14th GALA Symposium: Laser Methods in Flow Measurement, 05.-07. September 2006 , Physikalisch-Technische Bundesanstalt Braunschweig, where the measurement of the speed of sound is carried out as sound transit time measurements between many pairs of transmitter and receiver in air. The process can in principle also be used in liquids and solids accessible on all sides. In liquids, the influence of the flow is compensated by measuring the speed of sound in both directions.

Ein Verfahren zur Bestimmung der Schichtdicke und der Schallgeschwindigkeit in einem Rohr mithilfe von Ultraschallimpulsen ist in der Druckschrift US2002134159 beschrieben, bei dem die Daten zur Berechnung der Schallgeschwindigkeit und der Schichtdicke aus einer Serie von gesendeten und reflektierten Ultraschallwellen ermittelt werden, wobei wenigstens eine der Messungen ohne Vorhandensein des Messobjektes auf dem Übertragungsweg übermittelt wird.A method for determining the layer thickness and the speed of sound in a tube by means of ultrasonic pulses is in the document US2002134159 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 measurements is transmitted without the 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 Laufzeiten für mehrere Abstände in der Kalibrierungseinheit und der aktuellen Schallgeschwindigkeit des Wassers mittels einer optischen oder mechanischen Abstandbestimmung.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 multiple maturities for several distances in the Ka libration 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 kombinierten Bestimmung von Schallgeschwindigkeiten und Abständen in flüssigen und festen Medien mittels Ultraschall anzugeben, die derart geeignet ausgebildet sind, dass die Kenntnis einer der beiden Größen nicht vorausgesetzt werden muss, um die andere Größe zu ermitteln, so dass sich der Aufwand zur Ermittlung von Schallgeschwindigkeiten und von Abständen in flüssigen und festen Medien mittels Ultraschall wesentlich verringert.Of the Invention is based on the object, an arrangement and a method for the combined determination of sound velocities and distances indicate in liquid and solid media by means of ultrasound, which are designed so that the knowledge of one of both sizes need not be assumed to determine the other size, so that the effort to determine sound velocities and distances in liquid and solid media by means of ultrasound essential reduced.

Die Aufgabe wird von den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 15 gelöst. Die Anordnung zur kombinierten Bestimmung von Schallgeschwindigkeiten und von Abständen in flüssigen und festen Medien mittels Ultraschall besteht aus

  • – einem Sendesignalgenerator, der auf m ≥ 1 Kanälen elektrische Sendesignale erzeugt,
  • – einer Sende-Empfangs-Weiche,
  • – einem Ultraschallwandler mit n ≥ 1 Elementen, der die elektrischen Sendesignale vom Sendesignalgenerator über die Sende-Empfangs-Weiche erhält, wobei die angesteuerten Elemente des Ultraschallwandlers eine Ultraschallwelle in das zu untersuchende Medium mit fester oder ortsveränderlicher Schallgeschwindigkeit senden und die Elemente des Ultraschallwandlers nach Umschaltung der Sende-Empfangs-Weiche die reflektierte Ultraschallwelle, und
  • – einer Verstärkungseinheit, die die elektrischen Empfangssignale von den einzelnen Elementen des Ultraschallwandlers über die Sende-Empfangs-Weiche erhält und verstärkt, und
  • – einer Aufnahmeeinheit, in der eine Analog-Digital-Wandlung der Empfangssignale in digitale Signale erfolgt, und
  • – einer Auswerteeinheit, die die aus der Aufnahmeeinheit weitergeleiteten digitalen Signale zur Auswertung erhält,
wobei gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 1 der Sendesignalgenerator allein in Form von elektronischer Fokussierung oder in Zusammenarbeit mit der Aufnahmeeinheit in Form von synthetischer Fokussierung den erzeugten Ultraschallfokus schrittweise entlang der Achse des Ultraschallwandlers auf einzelne Fokuspunkte Fi im Abstand vom Ultraschallwandler fokussiert,
wobei eine Kalibriereinheit vorgesehen ist, die beim Erstellen der Kalibrierdaten entweder durch Simulationsrechnung oder durch Messung mit Hilfe der Aufnahmeeinheit für einen in einem Kalibriermedium W befindlichen Punktreflektor den Zusammenhang zwischen dem verwendeten Fokussierungsregime Vmax(aWj), bei dem die Amplitude des reflektierten Ultraschalls maximal wird, und dem jeweils gewählten Abstand aWj des Punktreflektors vom Ultraschallwandler in einem Kalibriermedium liefert und als Tabelle T zusammenstellt,
wobei die Aufnahmeeinheit die Schalllaufzeit vom Ultraschallwandler zum Punktreflektor in dem Medium im Abstand aMj misst und durch schrittweise Fokussierung dasjenige Fokussierungsregime Vmax(aMj), bestimmt, bei dem die Amplitude des reflektierten Schalls für diesen Punktreflektor maximal wird, und
wobei die Auswerteeinheit für einen im Medium befindlichen Punktreflektor das Fokussierungsregime Vmax(aMj), bei dem die Amplitude des reflektierten Ultraschalls maximal wird, von der Aufnahmeeinheit erhält, und mit der von der Kalibriereinheit bereitgestellten Tabelle T den Abstand des Punktreflektors bezüglich des Kalibriermediums ermittelt, aus der von der Aufnahmeeinheit im Medium gemessenen Schalllaufzeit und dem ermittelten Reflektorabstand bezüglich des Kalibriermediums die mittlere Schallgeschwindigkeit im Medium bis zum Punktreflektor und den Abstand des Punktreflektors vom Ultraschallwandler ermittelt und durch Bestimmung dieser Parameter für Punktreflektoren an unterschiedlichen Orten die ortsveränderliche Schallgeschwindigkeit bestimmt.The object is solved by the features of claims 1 and 15. The arrangement for the combined determination of sound velocities and distances in liquid and solid media by means of ultrasound consists of
  • A transmission signal generator which generates electrical transmission signals on m ≥ 1 channels,
  • A transmitting-receiving switch,
  • - An ultrasonic transducer with n ≥ 1 elements, which receives the electrical transmission signals from the transmission signal generator via the transmitting-receiving switch, the driven elements of the ultrasonic transducer to send an ultrasonic wave in the medium to be examined with fixed or spatially variable speed of sound and the elements of the ultrasonic transducer after switching the transmit-receive switch the reflected ultrasonic wave, and
  • - An amplification unit, which receives and amplifies the received electrical signals from the individual elements of the ultrasonic transducer via the transceiver, and
  • A recording unit in which an analog-to-digital conversion of the received signals into digital signals takes place, and
  • An evaluation unit which receives the digital signals forwarded from the recording unit for evaluation,
wherein according to the characterizing part of patent claim 1, the transmission signal generator focused solely in the form of electronic focusing or in cooperation with the recording unit in the form of synthetic focusing the generated ultrasonic focus stepwise along the axis of the ultrasonic transducer to individual focus points F i at a distance from the ultrasonic transducer,
wherein a calibration unit is provided which, when creating the calibration data either by simulation calculation or by measurement using the recording unit for a point in a calibration W spot reflector the relationship between the used focusing regime V max (a Wj ), in which the amplitude of the reflected ultrasound maximum is, and supplies the selected distance a Wj of the point reflector from the ultrasonic transducer in a calibration medium and composes table T,
wherein the recording unit measures the sound propagation time from the ultrasound transducer to the point reflector in the medium at a distance a Mj and determines by stepwise focusing that focusing regime V max (a Mj ), at which the amplitude of the reflected sound for this point reflector becomes maximum, and
wherein the evaluation unit for a point reflector located in the medium determines the focusing regime V max (a Mj ) at which the amplitude of the reflected ultrasound becomes maximum, and with the table T provided by the calibration unit determines the distance of the point reflector with respect to the calibration medium , Determines the average sound velocity in the medium to the point reflector and the distance of the point reflector from the ultrasound transducer from the measured from the recording unit in the medium sound propagation time and the determined reflector distance with respect to the calibration and determined by determining these parameters for point reflectors at different locations, the spatially variable sound velocity.

Der Empfang des Schalls kann auf dem zentralen Element des Ultraschallwandlers allein, auf einem der übrigen anderen Elemente oder auf einer Kombination mehrerer Elemente mittels elektronischer Fokussierung oder mittels synthetischer Fokussierung in Form einer zeitverzögerten Überlagerung der auf den einzelnen Elementen sich ergebenden Echosignale erfolgen.Of the Reception of the sound can be on the central element of the ultrasonic transducer alone, on one of the remaining other elements or on a combination of several elements by means of electronic focusing or by means of synthetic focusing in the form of a time-delayed overlay the result on the individual elements echo signals.

Das Medium kann aus einer oder mehreren Schichten bestehen, wobei das geschichtete Medium Punktreflektoren enthält, wobei die Bestimmung der Schallgeschwindigkeit vor dem jeweiligen Punktreflektor mit der Kalibriereinheit, der Aufnahmeeinheit und der Auswerteeinheit erfolgt, und eine Wiederholung des Vorgangs für weiter entfernt liegende Punktreflektoren und damit Feststellung der mittleren Schallgeschwindigkeit zwischen Ultraschallwandler und Punktreflektorort für jeden Punktreflektorort erfolgt, wobei sich bei genügend dichter Verteilung von Punktreflektoren in den Schichten sich so ein Schallgeschwindigkeitsprofil erstellen lässt und sich damit die Schallgeschwindigkeit in den einzelnen Schichten erstellen lässt, wobei sich aus den ermittelten Schallgeschwindigkeiten in den einzelnen Schichten und den Schalllaufzeiten zwischen den einzelnen Grenzflächen der jeweiligen Schicht die Schichtdicke berechnen lässt.The medium may consist of one or more layers, the layered medium containing point reflectors, wherein the speed of sound is determined in front of the respective point reflector with the calibration unit, the acquisition unit and the evaluation unit, and a repetition of the process for more distant point reflectors and thus detection The average sound velocity between the ultrasonic transducer and Punktreflektorort for each Punktreflektorort done, which can be created with sufficient dense distribution of point reflectors in the layers so a sound velocity profile and thus the speed of sound can be created in the individual layers, resulting from the determined sound velocities in the individual Layers and the sound propagation times between the individual Interfaces of the respective layer can calculate the layer thickness.

Das Medium kann ein Flüssigkeitsgemisch sein, das mit unterscheidbaren Punktreflektoren versehen ist, wobei Schallgeschwindigkeitsunterschiede auftreten können, wobei eine Bestimmung des Abstandes vom Ultraschallwandler und der mittleren Schallgeschwindigkeit vor dem sich am dichtesten vor dem Ultraschallwandler befindlichen Punktreflektor mit der Kalibriereinheit, der Aufnahmeeinheit und der Auswerteeinheit erfolgt, und eine Wiederholung des Vorgangs für weiter entfernt liegende Punktreflektoren und damit Feststellung der mittleren Schallgeschwindigkeit zwischen Ultraschallwandler und Punktreflektorort für jeden Punktreflektorort erfolgt, wobei sich bei genügend dichter Verteilung von Punktreflektoren in dem Flüssigkeitsgemisch sich so ein Schallgeschwindigkeitsprofil erstellen lässt.The Medium may be a liquid mixture that is distinguishable with Point reflectors is provided, with sound velocity differences may occur, with a determination of the distance from the ultrasonic transducer and the average sound velocity before the closest located in front of the ultrasonic transducer point reflector with the calibration unit, the receiving unit and the evaluation takes place, and a repetition the process for farther point reflectors and thus determination of the mean sound velocity between Ultrasonic transducer and spot reflector location for each spot reflector location takes place, with enough dense distribution of Point reflectors in the liquid mixture so a Sound velocity profile can be created.

Das Medium kann ein Flüssigkeitsgemisch mit statistisch verteilten Streuteilchen, die strömen oder diffundieren, sein, wobei Dichteschwankungen und Schallgeschwindigkeitsunterschiede auftreten können, wobei eine Bestimmung des Abstandes vom Ultraschallwandler und der mittleren Schallgeschwindigkeit zwischen dem Ultraschallwandler und dem Fokuspunkt, d. h. dem Bereich des maximalen Schalldrucks im Medium, mit der Kalibriereinheit, der Aufnahmeeinheit und der Auswerteeinheit erfolgt, und eine Wiederholung des Vorgangs für weiter entfernt liegende Fokuspunkte und damit Feststellung der mittleren Schallgeschwindigkeit zwischen Ultraschallwandler und Fokuspunkt erfolgt, wobei sich so ein Schallgeschwindigkeitsprofil mit Stützstellen an den Fokuspunkten erstellen lässt.The Medium can be a liquid mixture with random distribution Scattering particles which flow or diffuse, being Density variations and sound velocity differences occur can, with a determination of the distance from the ultrasonic transducer and the average sound velocity between the ultrasonic transducer and the focal point, d. H. the range of maximum sound pressure in the medium, with the calibration unit, the recording unit and the Evaluation unit takes place, and a repetition of the process for farther away focus points and thus finding the average sound velocity between ultrasonic transducer and Focus point takes place, with such a sound velocity profile can be created with support points at the focus points.

Dabei senden die angesteuerten Elemente des Ultraschallwandlers Ultraschallwellen in ein Medium mit ortsveränderlicher oder konstanter Ultraschallgeschwindigkeit. Die Grenzflächen und die Punktreflektoren des Mediums reflektieren Ultraschallwellen, die vom Ultraschallwandler empfangen werden. Schließlich werden die empfangenen Ultraschallsignale in elektrische Signale umgewandelt und nach Verstärkung der Aufnahme- und Auswerteeinheit zugeführt.there send the driven elements of the ultrasonic transducer ultrasonic waves into a medium with a variable or constant ultrasonic speed. The interfaces and the point reflectors of the medium reflect Ultrasonic waves received by the ultrasonic transducer. Finally, the received ultrasonic signals in converted electrical signals and after amplification of Receiving and evaluation unit supplied.

Die Erfindung beinhaltet somit ein Messprinzip zur gleichzeitigen Bestimmung der Entfernung zwischen mindestens einem Punktreflektor bzw. Fokuspunkt im zu untersuchenden Medium und dem Ultraschallwandler und der mittleren Schallgeschwindigkeit vor dem Punktreflektor bzw. Fokuspunkt mittels Ultraschall durch die Erfassung von zwei unabhängigen Größen:

  • – der Laufzeit des Ultraschalls und
  • – der durch das Fokussierungsregime vorgegebenen Fokuspunktlage.
The invention thus includes a measuring principle for the simultaneous determination of the distance between at least one point reflector or focal point in the medium to be examined and the ultrasonic transducer and the average speed of sound before the point reflector or focal point by means of ultrasound by the detection of two independent variables:
  • - the duration of ultrasound and
  • - The focus point position given by the focusing regime.

Durch Ausnutzung der genauen Kenntnis der Laufzeit und des Ultraschallfeldes können so Informationen über das Medium gewonnen werden, die bislang nur durch Einbringen von Referenzkörpern an einer vorgegebenen Position ermittelt werden können.By Exploitation of the exact knowledge of the transit time and the ultrasonic field This way, information about the medium can be gained So far, only by introducing reference bodies can be determined at a predetermined position.

In dem Verfahren zur kombinierten Bestimmung von Schallgeschwindigkeiten und Abständen in flüssigen und festen Medien mittels Ultraschall unter Einsatz der vordem beschriebenen Anordnung werden gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 15 folgende Schritte absolviert:In the method for the combined determination of sound velocities and distances in liquid and solid media by means of Ultrasound using the previously described arrangement according to the characterizing part of the patent claim 15 completed the following steps:

A. Schrittweise Fokussierung:A. Gradual focusing:

Der Sendesignalgenerator fokussiert alleine durch elektronische Fokussierung oder in Zusammenarbeit mit der Aufnahmeeinheit und der Auswerteeinheit durch synthetische Fokussierung den Ultraschall schrittweise entlang der Achse des Ultraschallwandlers auf einzelne Fokuspunkte.Of the Transmit signal generator focused solely by electronic focusing or in cooperation with the recording unit and the evaluation unit by synthetic focusing the ultrasound gradually along the axis of the ultrasonic transducer to individual focus points.

B. Kalibrierung:B. Calibration:

Beim Erstellen der Kalibrierdaten wird entweder durch Simulationsrechnung oder durch Messung mit Hilfe der Aufnahmeeinheit die für einen in einem Kalibriermedium W befindlichen Punktreflektor der Zusammenhang zwischen dem verwendeten Fokussierungsregime, bei dem die Amplitude des reflektierten Ultraschalls maximal wird, und dem jeweils gewählten Abstand des Punktreflektors vom Ultraschallwandler im Kalibriermedium geliefert und als Tabelle zusammenstellt.At the Creating the calibration data is done either by simulation calculation or by measuring with the help of the recording unit for a point located in a calibration medium W point reflector the Relationship between the focusing regime used, in which the amplitude of the reflected ultrasound becomes maximum, and the each selected distance of the point reflector from the ultrasonic transducer supplied in the calibration medium and compiled as a table.

C. Aufnahme:C. Recording:

Eine Aufnahmeeinheit erfasst die Schalllaufzeit vom Ultraschallwandler zu einem Punktreflektor oder einem Fokuspunkt (bei „Flüssigkeitsgemisch mit statistisch verteilten Streuteilchen, die strömen oder diffundieren”) in einem Medium, wobei durch die schrittweise Fokussierung dasjenige Fokussierungsregime bestimmt wird, bei dem die Amplitude des reflektierten Ultraschalls für diesen Punktreflektor oder Fokuspunkt maximal wird.A recording unit detects the sound propagation time from the ultrasound transducer to a point reflector or focal point (in the case of "liquid mixture with randomly distributed scattering particles that flow or diffuse") in a medium, whereby the focusing regime determines the focusing regime by the stepwise focusing where the amplitude of the reflected ultrasound becomes maximum for that point reflector or focus point.

D. Auswertung:D. Evaluation:

In einer Auswerteeinheit erfolgt für einen im zu untersuchenden Medium befindlichen Punktreflektor aus dem ermittelten Fokussierungsregime Vmax(aMj), und aus dem von der Kalibriereinheit bereitgestellten tabellarischem Zusammenhang T zwischen dem Fokussierungsregime und dem Abstand des Punktreflektors bzw. Fokuspunktes vom Ultraschallwandler in einem Kalibriermedium die Ermittlung des Abstandes des Punktreflektors oder des Fokuspunktes bezüglich des Kalibriermediums.In an evaluation unit for a point to be examined in the medium to be examined reflector from the determined focusing regime V max (a Mj ), and provided by the calibration unit tabular relationship T between the focusing regime and the distance of the point reflector or focal point of the ultrasound transducer in a calibration medium Determining the distance of the point reflector or the focal point with respect to the calibration medium.

Weiterhin erfolgt in der Auswerteeinheit aus der ermittelten Schalllaufzeit und aus dem ermittelten Punktreflektorabstand oder dem Fokuspunktabstand bezüglich des Kalibriermediums die Berechnung der mittleren Schallgeschwindigkeit im zu untersuchenden Medium bis zum jeweiligen Punktreflektorort oder Fokuspunkt sowie des Abstandes des Punktreflektorortes oder des Fokuspunktes vom Ultraschallwandler im zu untersuchenden Medium.Farther takes place in the evaluation unit from the determined sound propagation time and from the determined point reflector distance or the focal point distance with regard to the calibration medium, the calculation of the mean Speed of sound in the medium to be examined up to the respective Point reflector location or focal point as well as the distance of the spot reflector location or the focal point of the ultrasonic transducer in the examined Medium.

Anschließend kann durch die Bestimmung dieser Parameter für mehrere oder alle Punktreflektoren oder Fokuspunkte an unterschiedlichen Orten die ortsveränderliche Schallgeschwindigkeit in Form eines Schallgeschwindigkeitsprofils durchgeführt werden.Subsequently can by determining these parameters for several or all point reflectors or focus points at different Locate the mobile sound velocity in shape a sound velocity profile are performed.

Die Vorteile der Erfindung bestehen darin,

  • – dass sie die gleichzeitige Bestimmung des Abstandes der Punktreflektoren im zu untersuchenden Medium und der mittleren Schallgeschwindigkeit zwischen Ultraschallwandler und Punktreflektoren ermöglicht,
  • – dass die nichtinvasive referenzlose Bestimmung der Schallgeschwindigkeit in Flüssigkeiten und Festkörpern, die Punktreflektoren oder Streuteilchen enthalten, mittels Ultraschall zur Erstellung eines Schallgeschwindigkeitsprofils zur Darstellung der ortsveränderlichen Schallgeschwindigkeit durchgeführt werden kann sowie
  • – dass eine bessere Ortsbestimmung durch die Kenntnis der gleichzeitig gemessenen Schallgeschwindigkeit erreicht werden kann.
The advantages of the invention are
  • - That it allows the simultaneous determination of the distance of the point reflectors in the medium to be examined and the average speed of sound between ultrasonic transducers and point reflectors,
  • - that the non-invasive, non-referential determination of the speed of sound in liquids and solids containing point reflectors or scattering particles can be carried out by means of ultrasound to establish a sound velocity profile to represent the velocity of the satellite, and
  • - That a better position determination can be achieved by the knowledge of the simultaneously measured speed of sound.

Mit der erfindungsgemäßen Anordnung und dem zugehörigen erfindungsgemäßen Verfahren können folgende Medien ausgemessen werden:

  • – Flüssigkeiten oder Flüssigkeitsgemische mit Streuteilchen, die strömen oder diffundieren,
  • – Flüssigkeitsgemische mit unterscheidbaren Punktreflektoren: Schallgeschwindigkeit vor dem Punktreflektor, Punktreflektorabstand, mittlere Schallgeschwindigkeit, Schallgeschwindigkeitsprofil,
  • – geschichtete Medien mit Punktreflektoren: aus der Bestimmung der Schallgeschwindigkeit vor dem Punktreflektor und gleichzeitiger Bestimmung des Abstandes zwischen dem Ultraschallwandler und dem Punktreflektor erfolgt die Bestimmung der Schallgeschwindigkeit und die Bestimmung der Entfernungen der Punktreflektoren. Die Berechnung der Schichtdicke erfolgt durch die Messung der Schallgeschwindigkeit in dem Medium und der Schallaufzeit zwischen der vorderen Grenzfläche und hinteren Grenzfläche der jeweiligen Schicht.
With the arrangement according to the invention and the associated method according to the invention, the following media can be measured:
  • - liquids or mixtures of liquids with scattering particles which flow or diffuse,
  • - liquid mixtures with distinguishable point reflectors: speed of sound in front of the point reflector, point reflector distance, average speed of sound, speed of sound profile,
  • - Layered media with point reflectors: from the determination of the speed of sound in front of the point reflector and simultaneous determination of the distance between the ultrasonic transducer and the point reflector, the determination of the speed of sound and the determination of the distances of the point reflectors. The calculation of the layer thickness is effected by the measurement of the speed of sound in the medium and the sound transit time between the front boundary surface and the rear boundary surface of the respective layer.

Folgende besondere Anwendungsgebiete können angegeben werden:

  • – Prozessmesstechnik und Materialwissenschaften,
  • – Konzentrationsbestimmung in Mischungen mit zwei oder mehr Komponenten, beispielsweise der Sättigungsgrad in Zuckerlösungen,
  • – Bestimmung des Verschmutzungsgrades in Flüssigkeiten – Motoröl, Rohöl, Abwasser –,
  • – Bestimmung von Materialparametern – Ölsorten –,
  • – Ausmessen eines Schallgeschwindigkeitsprofils in strömenden Flüssigkeiten und Festkörpern, die Punktreflektoren enthalten, z. B. Bestimmung von Temperatur- und Dichtegradienten,
  • – Bestimmung der Schallgeschwindigkeit als Funktion des Abstandes vom Ultraschallwandler ohne Eingriff in das Messmedium,
  • – Eigenkalibrierung von Puls-Echo-Geräten bezüglich der Schallgeschwindigkeit z. B. bei Puls-Doppler-Messgeräten.
The following special fields of application can be specified:
  • - process measurement and materials science,
  • Concentration determination in mixtures with two or more components, for example the degree of saturation in sugar solutions,
  • - determination of the degree of pollution in liquids - motor oil, crude oil, sewage -,
  • - determination of material parameters - types of oil -,
  • - Measuring a sound velocity profile in flowing liquids and solids containing point reflectors, z. B. determination of temperature and density gradients,
  • Determination of the speed of sound as a function of the distance from the ultrasonic transducer without interfering with the measuring medium,
  • - Self-calibration of pulse-echo devices with respect to the speed of sound z. B. in pulse Doppler measuring devices.

Weiterbildungen und vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind in weiteren Unteransprüchen angegeben.further developments and advantageous embodiments of the invention are set forth in further subclaims specified.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen mittels mehrerer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail by means of exemplary embodiments by means of several drawings. Show it:

1 eine erfindungsgemäße Anordnung zur Bestimmung von Schallgeschwindigkeiten und von Abständen in flüssigen und festen Medien mittels Ultraschall, wobei 1 an inventive arrangement for the determination of sound velocities and distances in liquid and solid media by means of ultrasound, wherein

1a eine schematische Darstellung der gesamten Anordnung bei einem einschichtigen Medium, 1a a schematic representation of the entire arrangement in a single-layered medium,

1b eine vergrößerte Medium-Ultraschallwandler-Anordnung nach 1a, 1b an enlarged medium-ultrasound transducer assembly according to 1a .

1c eine schematische Darstellung der Anordnung zur Kalibrierung im Kalibriermedium W und 1c a schematic representation of the arrangement for calibration in the calibration medium W and

1d eine schematische Darstellung der Anordnung nach 1a bei Vorhandensein mehrerer Schichten 41 und 42
zeigen,
1d a schematic representation of the arrangement according to 1a in the presence of several layers 41 and 42
demonstrate,

2 ein Schallfeld für einen unfokussierten Schallkopf (f = 20 MHz, d = 4.8 mm) in einem Festkörper nach 20 mm Wasservorlauf, wobei das (x, y, z)-Koordinatensystem an der letzten vom Ultraschall passierten Grenzfläche angeheftet ist, so dass die Koordinate z in diesem Fall den Normalenabstand zur Festkörperoberfläche angibt, und wobei 2 a sound field for an unfocused transducer (f = 20 MHz, d = 4.8 mm) in a solid after 20 mm water flow, where the (x, y, z) coordinate system is attached to the last interface passed by the ultrasound, so that the coordinate z in this case indicates the normal distance to the solid surface, and wherein

2a einen Längsschnitt, 2a a longitudinal section,

2b einen Querschnitt des Schallfeldes im Fokus bei z = 17 mm und 2 B a cross section of the sound field in focus at z = 17 mm and

2c ein Sende-Empfangsfeld (SE-Feld) für die gleiche Anordnung im Fokus bei z = 17 mm,
zeigen,
2c a transmit-receive field (SE field) for the same arrangement in focus at z = 17 mm,
demonstrate,

3 Längsschnitte der Schallfelder in Wasser und in Plexiglas jeweils bei gleichem Ultraschallwandler für die vorgegebene Ringelementeanordnung oben in Wasser, unten in Plexiglas zum Vergleich, wobei das normierte Maximum p für das Schallfeld einschließlich seiner Lage in (x, y, z)-Koordinaten angegeben ist, wobei Fok den berechneten Abstand bezüglich Wasser angibt, bei dem der Fokuspunkt entsprechend den verwendeten Ansteuerzeiten liegt, wobei die durch Simulationsrechnung ermittelte Differenz der Fokuspunktlagen in Wasser und Plexiglas durch V gekennzeichnet wird, wobei in den 3 Longitudinal sections of the sound fields in water and in Plexiglas, each with the same ultrasonic transducer for the given ring element arrangement above in water, below in Plexiglas for comparison, the normalized maximum p for the sound field including its location in (x, y, z) coordinates is given, wherein Fok indicates the calculated distance with respect to water at which the focal point is in accordance with the driving times used, wherein the difference of the focal point positions in water and Plexiglas determined by simulation calculation is denoted by V, wherein

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

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

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

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

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

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

4 ein Schallfeldprofil entsprechend 2 und durch Simulationsrechnungen ermittelte Amplitudenhöhe für verschiedene Punktreflektorgrößen mit berechneter Schalldruckamplitude auf dem Empfänger für einen kugelförmigen Punktreflektor mit einem Radius r = 0.4 mm ≈ λ und einen kugelförmigen Punktreflektor mit einem Radius r = 1.2 mm ≈ 3λ bei unterschiedlichen Entfernungen von der Achse, wobei der kugelförmige Punktreflektor oder der Schallkopf entlang einer Linie radial nach außen bewegt wird, 4 a sound field profile accordingly 2 and amplitude calculated by simulation calculations for different point reflector sizes with calculated sound pressure amplitude on the receiver for a spherical point reflector with a radius r = 0.4 mm ≈ λ and a spherical point reflector with a radius r = 1.2 mm ≈ 3λ at different distances from the axis, the spherical one Point reflector or the transducer is moved radially outward along a line,

5 eine Kalibrierkurve für einen kugelförmigen Punktreflektor r = 0.05 mm in Wasser im Abstand a = 10 mm mit der gegebenen Ringelementeanordnung des Ultraschallwandlers, gewonnen aus dem Schallfeld auf den empfangenden Elementen, 5 a calibration curve for a spherical point reflector r = 0.05 mm in water at a distance a = 10 mm with the given ring element arrangement of the ultrasonic transducer, obtained from the sound field on the receiving elements,

6 Amplitudenkurven für je einen kugelförmigen Punktreflektor mit einem Radius von r = 0.05 mm in der zweiten Schicht von einem zweischichtigen Medium, wobei die erste Schicht eine 5 mm dicke Wasserschicht mit der Schallgeschwindigkeit c = 1500 m/s ist und das zweite Medium eine Schallgeschwindigkeit von c = 1620 m/s besitzt, und wobei der erste Punktreflektor sich im Abstand von 5 mm nach der Wasserschicht und der zweite Punktreflektor im Abstand von 8 mm nach der Wasserschicht im zweiten Medium befinden. 6 Amplitude curves for each spherical point reflector with a radius of r = 0.05 mm in the second layer of a two-layer medium, wherein the first layer is a 5 mm thick water layer with the speed of sound c = 1500 m / s and the second medium a sound velocity of c = 1620 m / s, and wherein the first point reflector is at a distance of 5 mm after the water layer and the second point reflector at a distance of 8 mm from the water layer in the second medium.

7 7a Verlauf der über 500 Sekunden gemittelten normierten Amplitude des Echosignals in Abhängigkeit von der über die Schallaufzeit ermittelten Messtiefe z eines im Puls-Echo-Verfahren betriebenen fokussierenden Ultraschallwandlers, wobei als Ausbreitungsmedium des Ultraschalls ein mit Punktreflektoren versehenes flüssiges Metall (eutektisches InGaSn) mit der Schallgeschwindigkeit c = 2740 m/s verwendet wird, 7 7a Course of the normalized amplitude of the echo signal averaged over 500 seconds as a function of the measuring depth z of a pulse-echo method operating focussing ultrasonic transducer, wherein the propagation medium of the ultrasound provided with a point reflectors liquid metal (eutectic InGaSn) with the speed of sound c = 2740 m / s is used,

7b Berechnete Schalldruckamplitude des verwendeten Ultraschallwandlers für die verwendete Anordnung. 7b Calculated sound pressure amplitude of the ultrasonic transducer used for the arrangement used.

7c Form der für die Fokussierung verwendeten Ultraschallinse. 7c Shape of the ultrasonic lens used for the focusing.

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

In 1a ist in einer schematischen Darstellung eine Anordnung 10 zur Bestimmung von Schallgeschwindigkeiten und von Abständen in einem einschichtigen Medium 4 mittels Ultraschall gezeigt, wobei die Anordnung 10 besteht aus

  • einem Sendesignalgenerator 1, der auf drei Kanälen 14 elektrische Sendesignale erzeugt,
  • – einer Sende-Empfangs-Weiche 2,
  • einem Ultraschallwandler 3 mit drei Elementen 31, 32, 33, der die elektrischen Sendesignale vom Sendesignalgenerator 1 über die Sende-Empfangs-Weiche 2 erhält, wobei die angesteuerten Elemente 31, 32, 33 des Ultraschallwandlers 3 eine Ultraschallwelle in das zu untersuchende Medium 4 senden und nach Umschaltung der Sende-Empfangs-Weiche 2 die von den im Medium 4 enthaltenen Punktreflektoren 5 reflektierte Ultraschallwelle mit den Elementen 31, 32, 33 des Ultraschallwandlers 3 empfangen, und
  • – einer Verstärkungseinheit 6, die die elektrischen Empfangssignale von den einzelnen Elementen 31, 32, 33 des Ultraschallwandlers 3 über die Sende-Empfangs-Weiche 2 erhält und verstärkt, und
  • – einer Aufnahmeeinheit 7, in der eine Analog-Digital-Wandlung die Empfangssignale in digitale Signale erfolgt, und
  • – einer Auswerteeinheit 8, die die aus der Aufnahmeeinheit 7 weitergeleiteten digitalen Signale zur Auswertung erhält.
In 1a is a schematic representation of an arrangement 10 for the determination of sound velocities and distances in a single-layer medium 4 shown by ultrasound, the arrangement 10 consists
  • A transmission signal generator 1 that on three channels fourteen generates electrical transmission signals,
  • - A transmit-receive switch 2 .
  • - an ultrasonic transducer 3 with three elements 31 . 32 . 33 receiving the electrical transmission signals from the transmission signal generator 1 via the send-receive switch 2 receives, with the driven elements 31 . 32 . 33 of the ultrasonic transducer 3 an ultrasonic wave in the medium to be examined 4 send and after switching the send-receive switch 2 those of the in the medium 4 contained point reflectors 5 reflected ultrasonic wave with the elements 31 . 32 . 33 of the ultrasonic transducer 3 receive, and
  • - an amplification unit 6 that receive the electrical signals received from each element 31 . 32 . 33 of the ultrasonic transducer 3 via the send-receive switch 2 receives and reinforces, and
  • - a recording unit 7 in which an analog-to-digital conversion of the received signals into digital signals takes place, and
  • - an evaluation unit 8th taking out the recording unit 7 forwarded digital signals for evaluation receives.

Erfindungsgemäß fokussiert der Sendesignalgenerator 1 in Form von elektronischer Fokussierung oder in Zusammenarbeit mit der Aufnahmeeinheit 7 und der Auswerteeinheit 9 in Form von synthetischer Fokussierung den erzeugten Ultraschall schrittweise entlang der Achse 12 des Ultraschallwandlers 3 auf einzelne Fokuspunkte F1, F2, F3,
erfolgt die Aufnahme des Empfangssignals entweder durch das mittlere Element 31 alleine, jedes beliebige andere Element 32, 33 alleine oder durch Kombination mehrerer Elemente 31, 32, 33 mittels von synthetischer Fokussierung in Form einer zeitverzögerten Überlagerung der auf den einzelnen Elementen 31, 32, 33 sich ergebenden Echosignale,
ist eine Kalibriereinheit 9 vorgesehen, die beim Erstellen der Kalibrierdaten entweder durch Simulationsrechnung oder durch Messung mit Hilfe der Aufnahmeeinheit 7 für einen in einem Kalibriermedium W (1c) befindlichen Punktreflektor 5 den Zusammenhang zwischen dem verwendeten Fokussierungsregime Vmax(aWj), bei dem die Amplitude des reflektierten Ultraschalls maximal wird, und dem jeweils gewählten Abstand aWj des Punktreflektors 5 vom Ultraschallwandler 3 im Kalibriermedium W liefert und als Tabelle T zusammenstellt,
ist eine Aufnahmeeinheit 7 vorgesehen, die die Schalllaufzeit vom Ultraschallwandler 3 zu einem beliebigen Punktreflektor 5 in dem Medium 4 im Abstand aMj misst und durch schrittweise Fokussierung dasjenige Fokussierungsregime Vmax(aMj) bestimmt, bei dem die Amplitude des reflektierten Ultraschalls für diesen Punktreflektor 5 maximal wird,
wobei die Auswerteeinheit 8 für einen im Medium 4 befindlichen Punktreflektor 5 das Fokussierungsregime Vmax(aMj), bei dem die Amplitude des reflektierten Schalls maximal wird, ermittelt, und die aus der von der Kalibriereinheit bereitgestellten Tabelle T den Abstand des Punktreflektors 5 bezüglich des Kalibriermediums W ermittelt, aus der ermittelten Schalllaufzeit und dem ermittelten Reflektorabstand bezüglich des Kalibriermediums W die mittlere Schallgeschwindigkeit im Medium 4 bis zum Punktreflektor 5 und den Abstand des Punktreflektors 5 vom Ultraschallwandler 3 ermittelt und durch Bestimmung dieser Parameter für Punktreflektoren 5 an unterschiedlichen Orten die ortsveränderliche Schallgeschwindigkeit CMed bestimmt,
wobei die Zeitverzögerungsregime vorgegebene n-Tupel Δt1, Δt2, ..., Δtn aus Zeiten sind, um die die einzelnen Elemente 31, 32, 33 des Ultraschallwandlers 3 im Vergleich zum mittleren Element 31 verzögert angesteuert werden, und
wobei ein Punktreflektor 5 eine Inhomogenität im Medium 4 ist, die eine Ausdehnung im Größenordnungsbereich einer Ultraschallwellenlänge λ aufweist und an der der Ultraschall gestreut wird.
According to the invention, the transmit signal generator focuses 1 in the form of electronic focusing or in cooperation with the recording unit 7 and the evaluation unit 9 in the form of synthetic focusing the generated ultrasound stepwise along the axis 12 of the ultrasonic transducer 3 to individual focus points F 1 , F 2 , F 3 ,
the reception of the received signal takes place either through the middle element 31 alone, any other element 32 . 33 alone or by combining several elements 31 . 32 . 33 by means of synthetic focusing in the form of a time-delayed superposition of the on the individual elements 31 . 32 . 33 resulting echo signals,
is a calibration unit 9 provided when creating the calibration data either by simulation calculation or by measurement using the recording unit 7 for one in a calibration medium W ( 1c ) located point reflector 5 the relationship between the focusing regime used V max (a Wj ), in which the amplitude of the reflected ultrasound is maximum, and the selected distance a Wj of the point reflector 5 from the ultrasonic transducer 3 in the calibration medium W and compiles as table T,
is a recording unit 7 provided that the sound propagation time of the ultrasonic transducer 3 to any point reflector 5 in the medium 4 measures at a distance a Mj and, by stepwise focusing, determines the focusing regime V max (a Mj ) at which the amplitude of the reflected ultrasound for this point reflector 5 becomes maximum,
wherein the evaluation unit 8th for one in the medium 4 located point reflector 5 the focusing regime V max (a Mj), in which the amplitude of the reflected sound becomes maximum is determined, and from the description provided by the calibration table T the distance of the point reflector 5 determined with respect to the calibration medium W, from the determined sound propagation time and the determined reflector distance with respect to the calibration medium W, the average speed of sound in the medium 4 to the point reflector 5 and the distance of the spot reflector 5 from the ultrasonic transducer 3 determined and by determining these parameters for point reflectors 5 determines the mobile velocity of sound C Med at different locations,
where the time delay regimes are given n-tuples Δt 1 , Δt 2 , ..., Δt n of times around which the individual elements 31 . 32 . 33 of the ultrasonic transducer 3 compared to the middle element 31 delayed, and
being a point reflector 5 an inhomogeneity in the medium 4 which is an extent in magnitude has an ultrasonic wavelength λ and at which the ultrasound is scattered.

Bei einer elektronischen Fokussierung auf Fokuspunkte F wird ein solches Fokussierungsregime gewählt, bei dem der Ultraschall in Kalibriermedium W in der Entfernung des jeweiligen Fokuspunktes F auf der akustischen Achse 12 vom Ultraschallwandler 3 fokussiert wird. Bei gleicher elektronischer Fokussierung differieren die tatsächlichen Fokuspunktorte in Abhängigkeit von der Schallausbreitungsgeschwindigkeit in den Medien.In the case of an electronic focusing on focal points F, such a focusing regime is selected in which the ultrasound in calibration medium W is at the distance of the respective focal point F on the acoustic axis 12 from the ultrasonic transducer 3 is focused. With the same electronic focus, the actual focus point locations differ depending on the sound propagation speed in the media.

Die gleichzeitige Bestimmung von Schallgeschwindigkeit und Abstand des kugelförmigen Punktreflektors 5 von den sendenden Elementen/empfangenden Elementen 31, 32, 33 des Ultraschallwandlers 3 beruht auf der Messung der Schalllaufzeit t und der Entfernung des jeweiligen Fokuspunktes F vom Ultraschallwandler 3.The simultaneous determination of the speed of sound and the distance of the spherical point reflector 5 from the sending elements / receiving elements 31 . 32 . 33 of the ultrasonic transducer 3 is based on the measurement of the sound propagation time t and the distance of the respective focal point F from the ultrasound transducer 3 ,

2a zeigt den Längsschnitt des Schallfeldes für einen unfokussierten Ultraschallwandler 3 in einem Festkörper nach einem Wasservorlauf VL. Das Schallfeld besitzt am Ende des Nahfeldes bei z = 17 mm ein Maximum, das auch als natürlicher Fokus bezeichnet wird. Der Fokus ist nicht punktförmig, sondern es bildet sich eine ausgedehnte empfindliche Zone (z. B. 6-dB-Zone), die im Längsschnitt in 2a und im Querschnitt bei z = 17 mm in 2b zu sehen ist. 2a shows the longitudinal section of the sound field for an unfocused ultrasonic transducer 3 in a solid after a water supply VL. The sound field has a maximum at the end of the near field at z = 17 mm, which is also called a natural focus. The focus is not punctiform, but it forms an extended sensitive zone (eg 6-dB zone), which in longitudinal section in 2a and in cross section at z = 17 mm in 2 B you can see.

Der Abstand z des natürlichen Fokuspunktes hängt von der Elementgröße des Ultraschallwandlers 3, der Ultraschallfrequenz und dem Medium 4 ab und kann für einen scheibenförmigen ebenen Ultraschallwandler 3 entsprechend der Gleichung (I) für die Nahfeldlänge N

Figure 00150001
berechnet werden, wobei d der Element-Durchmesser, λ – die Wellenlänge in dem Medium 4, c – die Schallgeschwindigkeit und f – die Mittenfrequenz des Ultraschallwandlers 3 sind. Mithilfe der Gleichung (I) lässt sich der Fokusabstand z in verschiedenen Medien ineinander gemäß Gleichung (II) umrechnen
Figure 00160001
The distance z of the natural focus point depends on the element size of the ultrasonic transducer 3 , the ultrasound frequency and the medium 4 and can for a disc-shaped planar ultrasonic transducer 3 according to the equation (I) for the near field length N
Figure 00150001
where d is the element diameter, λ - the wavelength in the medium 4 , c - the speed of sound and f - the center frequency of the ultrasonic transducer 3 are. Using equation (I), the focal distance z in different media can be converted into one another according to equation (II)
Figure 00160001

Durch zusätzliche Fokussierung mit Hilfe einer Linse oder bei Ultraschallwandlern mit mehreren einzelnen Elementen durch elektronische Fokussierung lässt sich der Fokuspunkt dichter an den Ultraschallwandler 3 ziehen und die Fläche der empfindlichen Zone wesentlich verkleinern. Die Lage des Schallfeldmaximums oder des Fokuspunktes ergibt sich aus der Lage des natürlichen Fokuspunktes und der Krümmung der Linse bzw. der elektronisch eingestellten Fokussierung. Die genaue Lage und die Ausdehnung der empfindlichen Zone für den resultierenden Fokuspunkt lassen sich mit Hilfe von Simulationsrechnungen ermitteln.By additional focusing by means of a lens or with ultrasonic transducers with several individual elements by electronic focusing, the focal point can be closer to the ultrasonic transducer 3 and significantly reduce the area of the sensitive zone. The position of the sound field maximum or the focal point results from the position of the natural focal point and the curvature of the lens or the electronically adjusted focusing. The exact position and extent of the sensitive zone for the resulting focus point can be determined by means of simulation calculations.

In 3 werden die Schallfelder in den Medien Wasser und Plexiglas jeweils bei gleichem Ultraschallwandler 3 und bei der gleichen elektronischen Fokussierung verglichen. In der 3 ist das normierte Maximum p für das Schallfeld einschließlich seiner Lage in (x, y, z)-Koordinaten angegeben. Das (x, y, z)-Koordinatensystem ist am Ultraschallwandler 3 angeheftet, so dass in der Koordinate z der Fokuspunktabstand, in diesem Fall der Abstand des Fokuspunktes zum Ultraschallwandler 3, angegeben wird. 3 macht deutlich, dass sich die Lage des Maximums in Abhängigkeit der Materialparameter des Mediums 4, insbesondere der Schallgeschwindigkeit, stark ändert und dass die Auswertung des Fokuspunktabstandes eine zusätzliche Information zur Laufzeit bringt.In 3 The sound fields in the media are water and plexiglass, each with the same ultrasonic transducer 3 and compared at the same electronic focusing. In the 3 the normalized maximum p for the sound field including its position in (x, y, z) coordinates is given. The (x, y, z) coordinate system is on the ultrasonic transducer 3 attached, so that in the coordinate z of the focal point distance, in this case, the distance of the focal point to the ultrasonic transducer 3 , is specified. 3 makes it clear that the position of the maximum depends on the material parameters of the medium 4 , in particular the speed of sound, changes greatly and that the evaluation of the focal point distance brings additional information at runtime.

4 zeigt die berechnete Schalldruckamplitude auf den empfangenden Elementen für einen kugelförmigen Punktreflektor 51 mit einem Radius r = 0.4 mm ≈ λ und einen kugelförmigen Punktreflektor mit einem Radius r = 1.2 mm ≈ 3λ bei unterschiedlichen Entfernungen von der Achse 12. Der kugelförmige Punktreflektor 51 oder der Ultraschallwandler 3 wird entlang einer Linie 13 radial zur Achse 12 nach außen bewegt. 4 shows the calculated sound pressure amplitude on the receiving elements for a spherical point reflector 51 with a radius r = 0.4 mm ≈ λ and a spherical point reflector with a radius r = 1.2 mm ≈ 3λ at different distances from the axis 12 , The spherical point reflector 51 or the ultrasonic transducer 3 will be along a line 13 radial to the axis 12 moved outward.

Die Kurven für die Amplitudenhöhe des empfangenen reflektierten Ultraschallsignals für Punktreflektoren 51 bis zu einer Größe r = 0.4 mm, entspricht etwa einer Wellenlänge λ, sind deckungsgleich miteinander und deckungsgleich mit der Profillinie für das SE-Feld von 2c. Das heißt, in einem flüssigen Medium 4 lässt sich das Schallfeld mit Hilfe eines kugelförmigen Punktreflektors 51 vermessen, und die Höhe des reflektierten Signals von einem Punktreflektor 51 bei einem Linienscan oder bei einer Verschiebung des kugelförmigen Punktreflektors 51 liefert das Schallfeld im zu untersuchenden Medium 4.The curves for the amplitude level of the received reflected ultrasound signal for point reflectors 51 up to a size r = 0.4 mm, corresponds to approximately one wavelength λ, are congruent with each other and congruent with the profile line for the SE field of 2c , That is, in a liquid medium 4 can be the sound field with the help of a spherical point reflector 51 measure, and the height of the reflected signal from a point reflector 51 with a line scan or with a shift of the spherical point reflector 51 delivers the sound field in the medium to be examined 4 ,

Somit ergibt sich für einen kugelförmigen Punktreflektor 51 das Maximum im reflektierten Signal, wenn sich der Punktreflektor 51 im Fokuspunkt F2, wie in 1b gezeigt ist, befindet. Diese Tatsache lässt sich umgekehrt ausnutzen, um den Punktreflektorort F2 durch eine Verschiebung des Fokuspunktes F zu bestimmen.This results in a spherical point reflector 51 the maximum in the reflected signal when the point reflector 51 in focus point F 2 , as in 1b is shown is located. This fact can be reversed exploited to determine the point reflector location F 2 by a shift of the focus point F.

Bei einem Einschwinger-Schallkopf des Ultraschallwandlers 3 lassen sich die Fokuspunktorte nur durch Änderung der Position des Ultraschallwandlers 3 in Bezug auf das zu untersuchende Medium 4, z. B. mit einem Wasservorlauf, bei dem Array-Schallkopf auch durch systematische Änderung des Fokussierungsregimes mittels einer zeitverzögerten Ansteuerung der Elemente oder einer zeitverzögerten Überlagerung der Echosignale festlegen.In a transient transducer of the ultrasonic transducer 3 The focal point locations can only be adjusted by changing the position of the ultrasonic transducer 3 in relation to the medium to be examined 4 , z. B. with a water supply, set in the array transducer also by systematic change of the focusing regime by means of a time-delayed control of the elements or a time-delayed superposition of the echo signals.

In einem Kalibriermedium W mit bekannter Schallgeschwindigkeit, vorzugsweise wird zur Kalibrierung Wasser mit einer Schallgeschwindigkeit c = 1500 m/s einbezogen, wird der Punktreflektor 51 auf der Schallkopfachse 12 in verschiedenen Abständen aWj positioniert, und es wird die elektronische Fokussierung bestimmt, bei der das reflektierte Signal ein Maximum besitzt.In a calibration medium W with a known sound velocity, preferably for calibration water with a speed of sound c = 1500 m / s is included, the point reflector 51 on the Schallkopfachse 12 positioned at different distances a Wj , and the electronic focusing is determined at which the reflected signal has a maximum.

Damit wird ein Zusammenhang zwischen der verwendeten elektronischen Fokussierung und dem Abstand des Punktreflektors 51 bzgl. des Kalibriermediums W erhalten.This is a relationship between the electronic focus used and the distance of the point reflector 51 with respect to the calibration medium W obtained.

Bei den folgenden Beispielen A und B wird zum einen bei Beispiel A von einem Punktreflektor 5 in einem einschichtigen Medium 4 unbekannter Schallgeschwindigkeit (1a) und zum anderen bei Beispiel B von einem zweischichtigen Medium 41, 42 ausgegangen, bei dem sich ein Punktreflektor 5 in der zweiten Schicht 42 befindet (1d).In the following Examples A and B, on the one hand, Example A is a point reflector 5 in a single-layered medium 4 unknown speed of sound ( 1a ) and on the other hand in example B of a two-layered medium 41 . 42 gone out, in which a point reflector 5 in the second layer 42 located ( 1d ),

Gemäß Beispiel B ist die erste Schicht 41 Wasser. Für die zweite Schicht 42 sollen die Schallgeschwindigkeit und der Abstand des Punktreflektors 5 von einer Grenzfläche 11 bestimmt werden. Zur gleichzeitigen Bestimmung des Abstandes aM1 eines Punktreflektors 5 und der Schallgeschwindigkeit vor dem Punktreflektor 5 wird ein Ultraschallwandler 3 mit ringförmigen Elementen 31, 32, 33 eingesetzt, wie auch in 1b gezeigt ist.According to Example B, the first layer 41 Water. For the second layer 42 should be the speed of sound and the distance of the point reflector 5 from an interface 11 be determined. For the simultaneous determination of the distance a M1 of a point reflector 5 and the speed of sound in front of the point reflector 5 becomes an ultrasonic transducer 3 with annular elements 31 . 32 . 33 used, as well as in 1b is shown.

Mit der Ringelementeanordnung 31, 32, 33 werden zuerst Kalibrierungskurven entsprechend 5 aufgenommen, indem in einem Wasserbad W entsprechend 1c ein Punktreflektor 5 in einem definierten Abstand aW zur Ringelementeanordnung platziert wird. Durch eine zeitverzögerte Ansteuerung der einzelnen sendenden Elemente 31, 32, 33 wird der Fokuspunkt F entlang der Achse 12 vor (F1), auf (F2) und hinter (F3) dem Punktreflektor 5 platziert und eine Kurve für die Amplitude als Funktion des Fokussierungsregimes bestimmt. Die Fokussierung kann dabei direkt durch eine zeitverzögerte Ansteuerung der sendenden Elemente mit Verzögerungszeiten entsprechend dem jeweiligen Fokussierungsregime erfolgen oder, indem alle sendenden Elemente 31, 32, 33 einzeln nacheinander senden, die einzelnen Signale von den empfangenden Elementen 31, 32, 33 registriert werden und die Signale für die einzelnen sendenden Elemente 31, 32, 33 phasenverschoben entsprechend dem jeweiligen Fokussierungsregime überlagert werden. Der Vorgang wird für verschiedene Abstände, hier in Abstandsvariationen von minimal 0,1 mm des Punktreflektors 5 von der Ringelementeanordnung 31, 32, 33 wiederholt. Dabei wird bestimmt, bei welcher elektronischen Fokussierung das Maximum an den empfangenden Elementen 31, 32, 33 registriert wird. Da Fokussierungsschritte von minimal 0,1 mm gemacht werden, wird ein Punktreflektor 5 mit einem Radius von r = 0.05 mm, d. h. der insbesondere auch kleiner als die Wellenlänge λ ist, verwendet.With the ring element arrangement 31 . 32 . 33 first, calibration curves will be appropriate 5 absorbed by adding water in a water bath 1c a point reflector 5 is placed at a defined distance a W to the ring element arrangement. By a time-delayed control of the individual sending elements 31 . 32 . 33 becomes the focal point F along the axis 12 before (F 1 ), on (F 2 ) and behind (F 3 ) the point reflector 5 and determines a curve for the amplitude as a function of the focusing regime. The focusing can be done directly by a time-delayed control of the transmitting elements with delay times corresponding to the respective focusing regime or by all transmitting elements 31 . 32 . 33 send one by one, the individual signals from the receiving elements 31 . 32 . 33 be registered and the signals for each sending elements 31 . 32 . 33 out of phase are superimposed according to the respective focusing regime. The process is for different distances, here in distance variations of a minimum of 0.1 mm of the point reflector 5 from the ring element arrangement 31 . 32 . 33 repeated. It is determined at which electronic focusing the maximum at the receiving elements 31 . 32 . 33 is registered. As focussing steps are made of a minimum of 0.1 mm, a spot reflector becomes 5 with a radius of r = 0.05 mm, that is in particular also smaller than the wavelength λ is used.

Tab. 1 zeigt die aus den Kalibrierkurven, eine davon ist dargestellt in 5, ermittelten Maximumlagen im Kalibriermedium W – Wasser – für verschiedene Punktreflektorabstände innerhalb des Wassers (c = 1500 m/s). Tab. 1: Kalibrierung: Zusammenhang zwischen geometrischem Fokus (elektronische Fokussierung) und Lage des Maximums für Kalibriermedium W – Wasser – c = 1500 m/s (ermittelt aus Kalibrierkurven entsprechend Fig. 5 mit einem Punktreflektor r = 0,05 mm) Punktreflektorlage aW 7,5 10,5 11,5 12,5 13,5 Fok. für Max 7,4 10,5 11,5 12,5 13,4 Tab. 1 shows the calibration curves, one of which is shown in 5 , determined maximum positions in the calibration medium W - water - for different point reflector distances within the water (c = 1500 m / s). Tab. 1: Calibration: correlation between geometric focus (electronic focusing) and position of the maximum for calibration medium W - water - c = 1500 m / s (determined from calibration curves according to FIG. 5 with a point reflector r = 0.05 mm) Point reflector position a W 7.5 10.5 11.5 12.5 13.5 Fok. for Max 7.4 10.5 11.5 12.5 13.4

Beispiel AExample A

Im Beispiel A liegt folgende Messsituation gemäß Zeile 1, Tabelle 2 für ein einschichtiges Medium vor.in the Example A is the following measurement situation according to line 1, Table 2 for a single-layered medium.

Beispiel BExample B

In dem Beispiel B liegt folgende Messsituation gemäß der 2. und 3. Zeile von Tab. 2 und 1b vor: Ein kugelartiger Punktreflektor 5 mit einem Radius r = 0.05 mm befindet sich in der zweiten Schicht 42, z. B. Gewebe mit einer Schallgeschwindigkeit von c = 1620 m/s, eines zweischichtigen Mediums 41, 42. Die erste Schicht 41 ist eine 5 mm dicke Wasserschicht mit einer Schallgeschwindigkeit von c = 1500 m/s. Die Dicke der ersten Schicht 41 – der Wasservorlauf VL = 5 mm – ist vorgegeben oder vorher entsprechend dem beschriebenen Verfahrens ermittelt worden. Der kugelartige Punktreflektor 5 befindet sich im zweiten Medium 42, zunächst im Abstand von aM1 = 10 mm (5 mm Wasserschicht + 5 mm Abstand von Grenzfläche 11 vom Wasser zum zweiten Medium 42) und anschließend im Abstand von aM1 = 13 mm (5 mm Wasserschicht + 8 mm Abstand von Grenzfläche 11 vom Wasser zum zweiten Medium 42) auf der Achse 12 des Ultraschallwandlers 3.In example B, the following measurement situation is in accordance with the second and third lines of Tab. 2 and 1b before: A spherical point reflector 5 with a radius r = 0.05 mm is in the second layer 42 , z. B. tissue with a speed of sound of c = 1620 m / s, a two-layered medium 41 . 42 , The first shift 41 is a 5 mm thick water layer with a speed of sound of c = 1500 m / s. The thickness of the first layer 41 - The water flow VL = 5 mm - is given or previously determined according to the method described. The spherical point reflector 5 is in the second medium 42 , first at a distance of a M1 = 10 mm (5 mm water layer + 5 mm distance from the interface 11 from the water to the second medium 42 ) and then at a distance of a M1 = 13 mm (5 mm water layer + 8 mm distance from the interface 11 from the water to the second medium 42 ) on the axis 12 of the ultrasonic transducer 3 ,

Aus der elektronischen Fokussierung und der Messung der Echosignal-Laufzeit werden die Schallgeschwindigkeit in der zweiten Schicht 42 und der Abstand aM1 des kugelartigen Punktreflektors 5 vom Ultraschallwandler 3 bestimmt. Dazu wird zunächst die Signallaufzeit tj, die den Abstand aM1 des Punktreflektors 5 charakterisiert, gemessen, wie in Tab. 2, Spalte 2 angegeben ist. Durch elektronische Fokussierung wird anschließend der Fokuspunkt entlang der Achse 12 systematisch verschoben und die Amplitude für jeden elektronischen Fokuspunkt gemessen. 6 zeigt die ermittelten Amplitudenkurven für den Ultraschallwandler 3 für die oben beschriebene Messsituation, wobei auch die Auswertung des inneren empfangenden Elementes 31 mit entsprechender Kalibrierung möglich ist. Aus den Messkurven in 6 wird der elektronische Fokuspunkt ermittelt, bei dem das reflektierte Signal ein Maximum aufweist, wie in Tab. 2, Spalte 3 angegeben ist.From the electronic focusing and the measurement of the echo signal transit time, the speed of sound in the second layer 42 and the distance a M1 of the spherical-type point reflector 5 from the ultrasonic transducer 3 certainly. For this purpose, first the signal propagation time t j , which is the distance a M1 of the point reflector 5 characterized, measured, as indicated in Tab. 2, Column 2. By electronic focusing then the focal point along the axis 12 systematically shifted and the amplitude measured for each electronic focus point. 6 shows the determined amplitude curves for the ultrasonic transducer 3 for the measurement situation described above, including the evaluation of the inner receiving element 31 with appropriate calibration is possible. From the measured curves in 6 the electronic focus point is determined at which the reflected signal has a maximum, as indicated in Tab. 2, Column 3.

Tab. 2 zeigt für verschiedene Punktreflektororte, charakterisiert durch verschiedene Laufzeiten tj in Spalte 2, die ermittelte elektronische Fokussierung, bei der das Maximum in Spalte 3 auftritt, und den durch Interpolation der Werte in Tab. 1 ermittelten Wert für den Punktreflektorabstand aW bezogen auf Wasser in Spalte 4. Mithilfe der Gleichung (III)

Figure 00200001
wird die Schallgeschwindigkeit im zweiten Medium 42 berechnet gemäß Spalte 5, wobei t in diesem Fall die einfache Schallaufzeit im Medium 42 bis zum betrachteten Punktreflektor ist. Für das Beispiel B ist die Schichtdicke VL für das erste Medium 41 und VL = 5 mm, und die Schallgeschwindigkeit für das erste Medium 41 ist gleich der Schallgeschwindigkeit cW des Kalibriermediums W – Wasser –, Mithilfe von Gleichung (IV)
Figure 00200002
wird anschließend der Abstand aMed des kugelartigen Punktreflektors 5 gemäß Spalte 6 bestimmt. Zum Vergleich der Abweichung vom tatsächlichen Wert sind in Spalte 1 der verwendete Abstand des kugelartigen Punktreflektors 5 von der Grenzfläche 11 und die tatsächliche Schallgeschwindigkeit angegeben.Tab. 2 shows for different point reflector locations, characterized by different transit times t j in column 2, the determined electronic focusing, in which the maximum occurs in column 3, and the value determined by interpolation of the values in Tab. 1 for the point reflector distance a W on water in column 4. Using equation (III)
Figure 00200001
is the speed of sound in the second medium 42 calculated according to column 5, where t in this case the simple sound transit time in the medium 42 is up to the considered point reflector. For Example B, the layer thickness VL is for the first medium 41 and VL = 5 mm, and the sound velocity for the first medium 41 is equal to the speed of sound c W of the calibration medium W - water -, using equation (IV)
Figure 00200002
is then the distance a Med of the spherical-type point reflector 5 determined in accordance with column 6. For comparison of the deviation from the actual value, the distance used in column 1 of the spherical-type point reflector 5 from the interface 11 and the actual speed of sound indicated.

Tab. 2: Bestimmung der Schallgeschwindigkeit CMed im Medium 42 und der Entfernung aMed des Punktreflektors 5 von der Grenzfläche 11 aus dem Schallfeld auf den empfangenden Elementen (tj – gemessene, einfache Signallaufzeit von Grenzfläche 11 zum Punktreflektor 5) Mess-Situation tj/10–6 s (gemessen) Elektronische Fokussierung für Maximum aW/mm (ermittelt aus Tab. 1) Berechnet mit Gleichung (III), (IV) Korrigierte Werte mit Tab. 4 CMed/ms–1 cMed/ms–1 aMed/mm 1-Schichtsystem; Fluid, c = 1620 m/s Punktreflektorabstand von sendenden Elementen 9 mm 5,5556 Fok = 9,8 9,8 1627 2-Schichtsystem 5 mm Wasservorlauf, 2. Schicht c = 1620 m/s Punktreflektorabstand von sendenden Elementen 10 mm 3,086 Fok = 10,4 10,4 1620 2-Schichtsystem 5 mm Wasservorlauf, 2. Schicht c = 1620 m/s Punktreflektorabstand von sendenden Elementen 13 mm 4,938 Fok = 13,6/13,7 13,6 1616 1626 1-Schichtsystem c = 2730 m/s Punktreflektorabstand von sendenden Elementen 6 mm 2,198 Fok = 12,4 12,4 2909 6,39 2752 2732 Tab. 2: Determination of the speed of sound C Med in the medium 42 and the distance a med of the point reflector 5 from the interface 11 from the sound field on the receiving elements (t j - measured, simple signal transit time of interface 11 to the point reflector 5 ) Measurement situation t j / 10 -6 s (measured) Electronic focusing for maximum a W / mm (determined from Tab. 1) Calculated with equation (III), (IV) Corrected values with Tab. 4 C Med / ms -1 c med / ms -1 a med / mm 1-layer system; Fluid, c = 1620 m / s Point reflector spacing of transmitting elements 9 mm 5.5556 Fok = 9.8 9.8 1627 2-layer system 5 mm water supply, 2nd layer c = 1620 m / s Point reflector spacing of transmitting elements 10 mm 3,086 Fok = 10.4 10.4 1620 2-layer system 5 mm water supply, 2nd layer c = 1620 m / s Point reflector spacing of transmitting elements 13 mm 4,938 Fok = 13.6 / 13.7 13.6 1616 1626 1-layer system c = 2730 m / s Point reflector spacing of transmitting elements 6 mm 2.198 Fok = 12.4 12.4 2909 6.39 2752 2732

Die drei ersten Zeilen in Tab. 2 zeigen, dass für Gewebe – mit einer nur geringen Abweichung der Schallgeschwindigkeit von der Schallgeschwindigkeit des Kalibriermediums W – deren Schallgeschwindigkeit und der Abstand des Punktreflektors 5 mit großer Genauigkeit bestimmt werden können. Bei Plexiglas 42 – mit fast der doppelten Schallgeschwindigkeit wie im Kalibriermedium W – tritt ein relativer Fehler von 7% auf. Die Ursache dafür und die Erhöhung der Genauigkeit werden im Folgenden diskutiert.The first three lines in Table 2 show that for tissue - with only a slight deviation of the speed of sound from the speed of sound of the calibration medium W - its speed of sound and the distance of the point reflector 5 can be determined with great accuracy. At Plexiglas 42 - At almost twice the speed of sound as in the calibration medium W - occurs a relative error of 7%. The cause and the increase in accuracy are discussed below.

Die Gleichung (I)

Figure 00230001
liefert den Wert für die Lage des Maximums für einen kreisförmigen ebenen Ultraschallwandler 3. Bei der Fokussierung durch zeitverzögerte Ansteuerung mit dem Ultraschallwandler 3 treten zwischen dem berechneten Maximum mit der Gleichung (II)
Figure 00230002
wie in Tab. 3 – Spalte 4 angegeben, und den mit Schallfeldberechnungen, wie in Tab. 3 – Spalte 3 angegeben, ermittelten Werten Unterschiede auf. Das sind bei dem Gewebe 42, dessen Schallgeschwindigkeit nur wenig von dem Kalibriermedium W Wasser abweicht, nur 0.1 bis 0.2 mm, bei Plexiglas im Fokussierungsbereich jedoch immerhin ca. 0,75 mm. Deshalb ist es zweckmäßig, dass, wenn möglich, Kalibriermedien W mit nicht zu stark abweichenden Schallgeschwindigkeiten eingesetzt werden.The equation (I)
Figure 00230001
provides the value for the location of the maximum for a circular planar ultrasonic transducer 3 , When focusing by time-delayed control with the ultrasonic transducer 3 occur between the calculated maximum with the equation (II)
Figure 00230002
as shown in Table 3 - Column 4, and the values determined with sound field calculations, as indicated in Table 3 - Column 3, differences. That's the tissue 42 , whose sound velocity differs only slightly from the calibration medium W water, only 0.1 to 0.2 mm, with Plexiglas in the focusing area, however, after all, about 0.75 mm. Therefore, it is expedient that, if possible, calibration media W are used with not too different sound velocities.

Im Allgemeinen kann die Kalibrierung für Flüssigkeiten mit Hilfe von Punktreflektormessungen erfolgen. Eine für alle Medien anwendbare Möglichkeit ist die Berechnung des Schallfeld-Längsschnittes für den eingesetzten Ultraschallwandler 3 bei den entsprechenden Fokussierungen in der Nähe der ermittelten Schallgeschwindigkeit (Tab. 4). Tab. 3 Abweichung dv zwischen den ermittelten Fokuslagen aus Schallfeldberechnung und mit Hilfe der Näherungsformel – Unterschied um 0.1 mm = Fehler bei Fokussierung

Figure 00240001
Figure 00250001
Tab. 4 Aus dem Schaltfeld (Längsschnitt) ermittelte Fokuspunktlagen und zugehörige Schalllaufzeiten Elektronische Fok. Wasser c = 1500 m/s aK Maximum für c = 1600 m/s Maximum für c = 1700 m/s Maximum für c = 2700 m/s c = 2800 m/s 1 Fok = 7 mm 7.4 6,8 6,3 3,1 3,0 2 Fok = 8 mm 8,3 7,7 7,1 3,7 3,5 3 Fok = 9 mm 9,3 8,6 (t = 5,375 μs) 8,0 (t = 4,706 μs) 4,3 4,0 gemittelte Werte für Fok = 9,8 mm, c = 5,5556 m/s (t = 5,825 μs) (t = 5,082 μs) 4 Fok = 10 mm 10.2 9,5 (t = 5,938 μs) 8,8 (t = 5,17 μs) 4,8 4,6 5 Fok = 11 mm 11,1 10,4 9,7 5,4 5,1 6 Fok = 12 mm 12,1 11,2 10,5 6 (t = 2,222 μs) 5,7 (t = 2,036 μs) 7 gemittelte Werte für Fok = 12,4 mm, t = 2,198 μs (t = 2,296 μs) (t = 2,107 μs) 8 Fok = 13 mm 13,0 12,1 11,3 6,5 (t = 2,407 μs) 6,2 (t = 2,214 μs) 9 Fok = 14 mm 12,9 12,1 7,1 6,7 10 Fok = 15 mm 13,8 12,9 7,6 7,3 11 Fok = 16 mm 14,6 13,7 8,1 7,8 In general, calibration for liquids can be done by means of spot reflector measurements. A possibility applicable for all media is the calculation of the sound field longitudinal section for the ultrasonic transducer used 3 at the corresponding focussing near the determined speed of sound (Table 4). Tab. 3 Deviation dv between the determined focal positions from sound field calculation and with the help of the approximation formula - Difference of 0.1 mm = error in focusing
Figure 00240001
Figure 00250001
Tab. 4 Focus point positions determined from the control panel (longitudinal section) and associated sound propagation times Electronic Fok. Water c = 1500 m / sa K Maximum for c = 1600 m / s Maximum for c = 1700 m / s Maximum for c = 2700 m / s c = 2800 m / s 1 Foc = 7 mm 7.4 6.8 6.3 3.1 3.0 2 Foc = 8 mm 8.3 7.7 7.1 3.7 3.5 3 Foc = 9 mm 9.3 8.6 (t = 5.375 μs) 8.0 (t = 4.706 μs) 4.3 4.0 averaged values for Fok = 9.8 mm, c = 5.5556 m / s (t = 5.825 μs) (t = 5.082 μs) 4 Foc = 10 mm 10.2 9.5 (t = 5.938 μs) 8.8 (t = 5.17 μs) 4.8 4.6 5 Foc = 11 mm 11.1 10.4 9.7 5.4 5.1 6 Foc = 12 mm 12.1 11.2 10.5 6 (t = 2.222 μs) 5.7 (t = 2.036 μs) 7 averaged values for Fok = 12.4 mm, t = 2.198 μs (t = 2.296 μs) (t = 2.107 μs) 8th Foc = 13 mm 13.0 12.1 11.3 6.5 (t = 2.407 μs) 6.2 (t = 2.214 μs) 9 Foc = 14 mm 12.9 12.1 7.1 6.7 10 Foc = 15 mm 13.8 12.9 7.6 7.3 11 Foc = 16 mm 14.6 13.7 8.1 7.8

In Tab. 4 sind ermittelte Fokuspunktabstände für verschiedene Medien mit unterschiedlichen Schallgeschwindigkeiten in Abhängigkeit von der elektronischen Fokussierung mit Schallfeldberechnungen angegeben. Wenn davon ausgegangen wird, dass durch Verschieben eines Punktreflektors das Maximum gefunden wird und die zugehörige Schalllaufzeit ermittelt werden kann, kann aus der Fokuslage, also der Maximumlage, für die jeweilige Schallgeschwindigkeit die Laufzeit ermittelt werden, wie der zweite Wert in den Spalten von Tab. 4 darstellt. Werden für ein zu untersuchendes Medium mit grob bestimmter Schallgeschwindigkeit die Fokussierung und die Schalllaufzeit bestimmt, wie in Zeile 7 von Tab. 4 angegeben ist, so lässt sich aus der Fokussierung durch Interpolation die Schalllaufzeit bis zum Maximum für die zwei benachbarten Schallgeschwindigkeiten ermitteln. Daraus ergibt sich durch Interpolation die Schallgeschwindigkeit des zu untersuchenden Mediums.Tab. 4 shows the determined focal point distances for different media with different speeds of sound as a function of the electronic focusing with sound field calculations. If it is assumed that by shifting a point reflector, the maximum is found and the associated sound propagation time can be determined, from the focal position, ie the maximum position, for the respective speed of sound the transit time are determined, as the second value in the columns of Tab. 4 represents. If the focusing and the sound propagation time are determined for a medium to be examined with a roughly determined speed of sound, as indicated in line 7 of Table 4, the sound transit time up to the maximum for the two adjacent sound velocities can be determined from the focusing by interpolation. This results in interpolation the speed of sound of the medium to be examined.

Für Plexiglas, das das letztes Beispiel in Tab. 2 ist, ergibt sich mit diesem Verfahren gemäß Zeile 7 von Tab. 4 eine Schallgeschwindigkeit von c = 2752 m/s.For Plexiglas, which is the last example in Tab. 2, is given by This method according to line 7 of Tab. 4 a Sound velocity of c = 2752 m / s.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass als Kalibriermedium W ein Material mit näherungsweise der bereits bestimmten Schallgeschwindigkeit eingesetzt wird. Dann lassen sich die Schallgeschwindigkeit CMed und der Abstand aMed des Punktreflektors 52 von der Grenzfläche auch mit den Gleichungen (III) und (IV)

Figure 00270001
bestimmen, wobei der zur Fokussierung zugehörige Abstand im Kalibriermedium W aus Tab. 4 entnommen wird. Für Plexiglas 42 wird z. B. das Kalibriermedium W mit der Schallgeschwindigkeit von c = 2700 m/s verwendet. Dafür ergibt sich mit der Gleichung (III) eine korrigierte Schallgeschwindigkeit von c = 2736 m/s.Another possibility is that a material with approximately the already determined speed of sound is used as the calibration medium W. Then the speed of sound C Med and the distance a Med of the point reflector can be determined 52 from the interface also with the equations (III) and (IV)
Figure 00270001
determine the distance associated with the focusing in the calibration medium W from Tab. 4. For Plexiglas 42 is z. B. the calibration medium W with the speed of sound of c = 2700 m / s used. This results in the equation (III) a corrected sound velocity of c = 2736 m / s.

Für ein Flüssigkeitsgemisch, z. B. mit einer ortsveränderlichen Massendichte, kann analog ein Schallgeschwindigkeitsprofil bestimmt werden, indem der Wasservorlauf VL = 0 gesetzt wird und für Punktreflektoren 51, 52 an verschiedenen Orten der Abstand vom Ultraschallwandler 3 und die mittlere Schallgeschwindigkeit zwischen Punktreflektor 51, 52 und Ultraschallwandler 3 bestimmt werden. Der Vergleich der bestimmten Schallgeschwindigkeiten für zwei hintereinander liegende Punktreflektoren 51, 52 liefert zusammen mit der zugehörigen Schallaufzeit die Änderung der mittlere Schallgeschwindigkeit zwischen den Punktreflektoren 51, 52.For a liquid mixture, for. B. with a variable mass density, analogous to a sound velocity profile can be determined by the water flow VL = 0 is set and for point reflectors 51 . 52 at different locations the distance from the ultrasonic transducer 3 and the mean speed of sound between point reflector 51 . 52 and ultrasonic transducers 3 be determined. The comparison of the determined sound velocities for two consecutive point reflectors 51 . 52 provides, along with the associated sonic delay, the change in average sound velocity between the point reflectors 51 . 52 ,

Ist eine Strömung in der Flüssigkeit vorhanden, so ergibt sich das Intensitätsmaximum durch zeitliche Mittelung der Echosignale, wobei die Bestimmung des Abstandes und der Schallgeschwindigkeit des sich am dichtesten vor dem Ultraschallwandler 3 befindlichen Fokuspunktes F mit den Gleichungen (III) und (IV)

Figure 00270002
Figure 00280001
erfolgt, und eine Wiederholung des Vorgangs für weiter entfernt liegende Fokuspunkte F und damit Feststellung der mittleren Schallgeschwindigkeit zwischen Ultraschallwandler 3 und Fokuspunkt F für jeden Fokuspunkt F erfolgt, wobei die gemessene Schallaufzeit zwischen beiden Fokuspunkten und die bekannte Änderung des Fokussierungsregimes die mittlere Schallgeschwindigkeit zwischen den zwei Fokuspunkten liefert, wobei bei genügend dichter Verteilung von Punktreflektoren in der Flüssigkeit sich so ein Schallgeschwindigkeitsprofil erstellen lässt, wobei die Schallgeschwindigkeit des sich am dichtesten am Ultraschallwandler 3 befindlichen Punktreflektors 5 als Bezugs-Schallgeschwindigkeit dient.If there is a flow in the liquid, then the intensity maximum results by temporal averaging of the echo signals, wherein the determination of the distance and the sound velocity of the closest to the ultrasonic transducer 3 located focal point F with the equations (III) and (IV)
Figure 00270002
Figure 00280001
takes place, and a repetition of the process for farther away focus points F and thus determining the average speed of sound between ultrasonic transducer 3 and focal point F for each focal point F takes place, wherein the measured sound transit time between both focus points and the known change of the focusing regime provides the average velocity of sound between the two focus points, with sufficient dense distribution of point reflectors in the liquid can thus create a sound velocity profile, the Sound velocity of the closest to the ultrasonic transducer 3 located point reflector 5 serves as a reference sound velocity.

Als Kalibriermedium W kann auch eine andere Flüssigkeit als Wasser eingesetzt werden.When Calibration medium W can also be a different liquid than Water are used.

7 zeigt anhand von Messwerten, dass sich der Ort des Schalldruckmaximums in strömenden oder diffundierenden Flüssigkeiten durch Mittelung der Echosignalamplituden ermitteln lässt. Dabei zeigt 7a den über eine Zeit von 500 Sekunden gemittelten Verlauf der Echosignalamplitude, wobei als Ausbreitungsmedium des Ultraschalls eine mit Punktreflektoren ausgestattete bei Raumtemperatur flüssige eutektische Metalllegierung aus InGaSn mit der Schallgeschwindigkeit c = 2740 m/s verwendet wurde und wobei sich das Maximum MaxInGaSn der Echosignalamplitude für eine Entfernung z = 33,55 mm vom Ultraschallwandler 3 ergibt. 7b zeigt zum Vergleich die sich für diese Anordnung durch Simulationsrechnungen ergebende Schalldruckamplitudenverteilung im Ausbreitungsmedium InGaSn, wobei sich die Anwendbarkeit des Verfahrens dadurch zeigt, dass die sich in der Messung ergebende Entfernung z = 33,55 mm des Maximums MaxInGaSn mit dem Bereich des Schalldruckmaximums entsprechend 7b übereinstimmt. 7c zeigt eine Prinzipskizze der bei dem Ultraschallwandler eingesetzten fokussierenden Ultraschallinse. 7 shows on the basis of measured values that the location of the sound pressure maximum in flowing or diffusing liquids can be determined by averaging the echo signal amplitudes. It shows 7a the course of the echo signal amplitude, averaged over a period of 500 seconds, using as the propagation medium of the ultrasound a eutectic metal alloy made of InGaSn with room reflectors at room speed c = 2740 m / s and the maximum Max InGaSn of the echo signal amplitude for one Distance z = 33.55 mm from the ultrasonic transducer 3 results. 7b shows for comparison, the resulting for this arrangement by simulations SPL distribution in the propagation medium InGaSn, where the applicability of the method da shows that the distance resulting in the measurement z = 33.55 mm of the maximum Max InGaSn corresponding to the range of the sound pressure maximum 7b matches. 7c shows a schematic diagram of the focusing ultrasonic ultrasound lens used in the ultrasonic transducer.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
SendesignalgeneratorTransmission signal generator
22
Sende-Empfangs-WeicheTransmit-receive switch
33
Ultraschallwandlerultrasound transducer
3131
erstes Elementfirst element
3232
zweites Elementsecond element
3333
drittes Elementthird element
44
Mediummedium
4141
erstes Mediumfirst medium
4242
zweites Mediumsecond medium
WW
Kalibriermediumcalibration
55
Punktreflektorenpoint reflectors
5151
erster Punktreflektorfirst point reflector
5252
zweiter Punktreflektorsecond point reflector
66
Verstärkungseinheitamplification unit
77
Aufnahmeeinheitrecording unit
88th
Auswerteeinheitevaluation
99
Kalibriereinheitcalibration
1010
erfindungsgemäße Anordnunginvention arrangement
1111
Grenzflächeinterface
1212
Achse des Ultraschallwandlersaxis of the ultrasonic transducer
1313
Linieline
1414
Kanälechannels
xx
Koordinatecoordinate
yy
Koordinatecoordinate
zz
Koordinate/FokusabstandCoordinate / focus distance
rr
Radius eines Punktreflektorsradius a point reflector
vv
FokuspunktabstandFocus point distance
pp
normiertes Maximumnormalized maximum
FiFi
Fokuspunktfocus point
FokFok
elektronischer Fokuspunktelectronic focus point
VLVL
Auf das Kalibriermedium bezogene Wegstrecke vom Ultraschallwandler bis zu der dem Punktreflektor vorgelagerten GrenzflächeOn the calibration medium related distance from the ultrasonic transducer to to the interface upstream of the point reflector
dd
Durchmesser des Zentralelementsdiameter of the central element
cWCd
Schallgeschwindigkeit des Kalibriermediumsspeed of sound of the calibration medium
CMedCMed
Schallgeschwindigkeit des zu untersuchenden Mediumsspeed of sound of the medium to be examined
λλ
Wellenlänge des Ultraschallswavelength of the ultrasound
ff
Mittenfrequenz des Ultraschallscenter frequency of the ultrasound
tt
ZeitTime
mm
Anzahl der erzeugten Sendesignalenumber the generated transmission signals
nn
Anzahl der Elemente des Ultraschallwandlersnumber the elements of the ultrasonic transducer
WW
Kalibriermediumcalibration
CMedCMed
Schallgeschwindigkeit im zu untersuchenden Mediumspeed of sound in the medium to be examined
cMedCMed
Entfernung im Mediumdistance in the medium
cWCd
Schallgeschwindigkeit im Kalibriermediumspeed of sound in the calibration medium
aWaW
Abstand im Kalibriermedium/Abstand umgerechnet auf das Kalibriermediumdistance in the calibration medium / distance converted to the calibration medium
aWjAWJ
Abstand des Punktreflektors vom Ultraschallwandler beim Kalibrieren, Abstand des Punktreflektors vom Ultraschallwandler umgerechnet auf das Kalibriermediumdistance of the point reflector of the ultrasonic transducer during calibration, distance of the point reflector of the ultrasonic transducer converted to the calibration medium
Vmax(aMj)Vmax (A min)
Fokussierungsregime, bei dem das Maximum des vom Punktreflektor reflektierten Ultraschalls im unbekannten Medium auftrittFocusing regime, where the maximum of the reflected by the point reflector ultrasound occurs in the unknown medium
Vmax(aWj)Vmax (AWJ)
Fokussierungsregime, bei dem das Maximum des vom Punktreflektor reflektierten Ultraschalls im Kalibriermedium auftrittFocusing regime, where the maximum of the reflected by the point reflector ultrasound occurs in the calibration medium
TT
tabellarischer Zusammenhang zwischen dem Abstand des Punktreflektors im Kalibriermedium und dem Fokussierungsregimetabular Relationship between the distance of the point reflector in the calibration medium and the focusing regime
FokFok
berechneter Abstand bzgl. des Kalibriermediums, bei dem der Fokuspunkt entsprechend den verwendeten Ansteuerzeiten liegtcalculated Distance with respect to the calibration medium, where the focus point is corresponding the drive times used is
VV
Differenz der Fokuspunktlagen in Wasser und Plexiglasdifference the focal point positions in water and Plexiglas

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - US 2002134159 [0007] US 2002134159 [0007]
  • - DE 50305421 [0008] - DE 50305421 [0008]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • - M. Barth et al.: Akustische Tomographie zur zeitgleichen Erfassung von Temperatur- und Strömungsfeldern, 14. GALA-Fachtagung: Lasermethoden in der Strömungsmesstechnik, 05.–07. September 2006 [0006] - M. Barth et al .: Acoustic tomography for the simultaneous detection of temperature and flow fields, 14th GALA Symposium: Laser Methods in Flow Measurement, 05.-07. September 2006 [0006]

Claims (20)

Anordnung (10) zur kombinierten Bestimmung von Schallgeschwindigkeiten und Abständen in flüssigen und festen Medien (4, 41, 42, W) mittels Ultraschall, bestehend aus – einem Sendesignalgenerator (1), der auf m ≥ 1 Kanälen (14) elektrische Sendesignale erzeugt, – einer Sende-Empfangs-Weiche (2), – einem Ultraschallwandler (3) mit n ≥ 1 Elementen (31, 32, 33), der die elektrischen Sendesignale vom Sendesignalgenerator (1) über die Sende-Empfangs-Weiche (2) erhält, wobei die angesteuerten Elemente (31, 32, 33) des Ultraschallwandlers (3) eine Ultraschallwelle in das zu untersuchende Medium (4, 41, 42, W) mit fester oder ortveränderlicher Schallgeschwindigkeit senden und nach Umschaltung der Sende-Empfangs-Weiche (2) die reflektierte Ultraschallwelle empfangen, und – einer Verstärkungseinheit (6), die die elektrischen Empfangssignale von den einzelnen Elementen (31, 32, 33) des Ultraschallwandlers (3) über die Sende-Empfangs-Weiche (2) erhält und verstärkt, und – einer Aufnahmeeinheit (7), in der eine Analog-Digital-Wandlung der Empfangssignale in digitalen Signale erfolgt, und – einer Auswerteeinheit (8), die die aus der Aufnahmeeinheit (7) weitergeleiteten digitalen Signale zur Auswertung erhält, dadurch gekennzeichnet, dass der Sendesignalgenerator (1) allein in Form von elektronischer Fokussierung oder in Zusammenarbeit mit der Aufnahmeeinheit (7) in Form von synthetischer Fokussierung den erzeugten Ultraschallfokus schrittweise entlang der Achse (12) des Ultraschallwandlers (3) auf einzelne Fokuspunkte (Fi) im Abstand vom Ultraschallwandler (3) fokussiert, dass eine Kalibriereinheit (9) vorgesehen ist, die beim Erstellen der Kalibrierdaten entweder durch Simulationsrechnung oder durch Messung mit Hilfe der Aufnahmeeinheit (7) die für einen in einem Kalibriermedium (W) befindlichen Punktreflektor (5) den Zusammenhang zwischen dem verwendeten Fokussierungsregime (Vmax(aWj)), bei dem die Amplitude des reflektierten Ultraschalls maximal wird, und dem jeweils gewählten Abstand (aWj) des Punktreflektors (5) vom Ultraschallwandler (3) im Kalibriermedium (W) liefert und als Tabelle (T) zusammenstellt, dass die Aufnahmeeinheit (7) die Schalllaufzeit vom Ultraschallwandler (3) zum Punktreflektor (5) in dem Medium (4) im Abstand (aMj) misst und durch schrittweise Fokussierung für jedes Fokussierungsregime (Vi) die Amplitude des reflektierten Schalls bestimmt, und dass die Auswerteeinheit (8) für einen im Untersuchungsmedium befindlichen Punktreflektor (5) von der Aufnahmeeinheit (7) das Fokussierungsregime Vmax(aMj)) erhält, bei dem die Amplitude des reflektierten Ultraschalls maximal wird, und aus der von der Kalibriereinheit bereitgestellten Tabelle (T) den Abstand des Punktreflektors (5) bezüglich des Kalibriermediums (W) ermittelt, aus der von der Aufnahmeeinheit (7) im Medium (4) gemessenen Schalllaufzeit (tj) und dem ermittelten Punktreflektorabstand (aWj) bezüglich des Kalibriermediums (W) die mittlere Schallgeschwindigkeit (cMed) im Medium (4) bis zum Punktreflektor (5) und den Abstand (aMj) des Punktreflektors (5) vom Ultraschallwandler (3) ermittelt und durch Bestimmung dieser Parameter für Punktreflektoren (5) an unterschiedlichen Orten die ortsveränderliche Schallgeschwindigkeit bestimmt, wobei die Fokussierungsregime n-Tupel (Δt1, Δt2, ..., Δtn) aus Zeiten sind, um die die einzelnen Elemente (31, 32, 33) des Ultraschallwandlers (3) im Vergleich zum mittleren Element (31) verzögert angesteuert oder überlagert werden, und wobei ein Punktreflektor (5) eine Inhomogenität im Medium (4, 41, 42, W) ist, die eine Ausdehnung im Bereich einer Ultraschallwellenlänge (λ) aufweist und an der der Ultraschall gestreut wird.Arrangement ( 10 ) for the combined determination of sound velocities and distances in liquid and solid media ( 4 . 41 . 42 , W) by means of ultrasound, consisting of - a transmission signal generator ( 1 ) on m ≥ 1 channels ( fourteen ) generates electrical transmission signals, - a transmit-receive switch ( 2 ), - an ultrasonic transducer ( 3 ) with n ≥ 1 elements ( 31 . 32 . 33 ), the electrical transmission signals from the transmission signal generator ( 1 ) via the transmit-receive switch ( 2 ), whereby the controlled elements ( 31 . 32 . 33 ) of the ultrasonic transducer ( 3 ) an ultrasonic wave into the medium to be examined ( 4 . 41 . 42 , W) with a fixed or spatially variable speed of sound and after switching the transceiver ( 2 ) receive the reflected ultrasonic wave, and - an amplification unit ( 6 ), which receive the received electrical signals from the individual elements ( 31 . 32 . 33 ) of the ultrasonic transducer ( 3 ) via the transmit-receive switch ( 2 ), and - a recording unit ( 7 ), in which an analog-to-digital conversion of the received signals takes place in digital signals, and - an evaluation unit ( 8th ) from the receiving unit ( 7 ) forwarded digital signals for evaluation, characterized in that the transmit signal generator ( 1 ) solely in the form of electronic focusing or in cooperation with the recording unit ( 7 ) in the form of synthetic focusing the generated ultrasonic focus stepwise along the axis ( 12 ) of the ultrasonic transducer ( 3 ) to individual focus points (F i ) at a distance from the ultrasonic transducer ( 3 ) that a calibration unit ( 9 ) is provided when creating the calibration data either by simulation calculation or by measurement using the recording unit ( 7 ) for a point reflector in a calibration medium (W) ( 5 ) the relationship between the focusing regime used (V max (a Wj )), at which the amplitude of the reflected ultrasound becomes maximum, and the selected distance (a Wj ) of the point reflector ( 5 ) from the ultrasonic transducer ( 3 ) in the calibration medium (W) and compiles as a table (T) that the recording unit ( 7 ) the sound propagation time from the ultrasonic transducer ( 3 ) to the point reflector ( 5 ) in the medium ( 4 ) measures at a distance (a Mj ) and determines the amplitude of the reflected sound by stepwise focusing for each focusing regime (V i ), and that the evaluation unit ( 8th ) for a point located in the examination medium point reflector (5) of the receiving unit ( 7 ) receives the focusing regime V max (a Mj )) at which the amplitude of the reflected ultrasound becomes maximum, and from the table (T) provided by the calibration unit the distance of the point reflector (FIG. 5 ) with respect to the calibration medium (W), from which the recording unit ( 7 ) in the medium ( 4 ) measured sound propagation time (t j ) and the determined point reflector distance (a Wj ) with respect to the calibration medium (W) the average sound velocity (c Med ) in the medium ( 4 ) to the point reflector ( 5 ) And the distance (a Mj) of the spot reflector ( 5 ) from the ultrasonic transducer ( 3 ) and by determining these parameters for point reflectors ( 5 ) determines the variable velocity of sound at different locations, wherein the focusing regimes are n-tuples (Δt 1 , Δt 2 ,..., Δt n ) of times by which the individual elements ( 31 . 32 . 33 ) of the ultrasonic transducer ( 3 ) compared to the middle element ( 31 ) are delayed or superimposed, and wherein a point reflector ( 5 ) an inhomogeneity in the medium ( 4 . 41 . 42 , W), which has an extension in the range of an ultrasonic wavelength (λ) and at which the ultrasound is scattered. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zu untersuchende Medium (4) aus einer oder mehreren Schichten (41, 42) mit unterschiedlichen Schallgeschwindigkeiten besteht und das Medium (4) mit Punktreflektoren (5, 51, 52) zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit vor dem Punktreflektor (5) ausgebildet ist, wobei die Schallgeschwindigkeit (cMed) des Mediums (4) entsprechend Gleichung (III)
Figure 00330001
ermittelt wird, wobei aW der Abstand des jeweiligen Punktreflektors (5, 51, 52) vom Ultraschallwandler (3) bezüglich des Kalibriermediums (W) ist, und wobei der Abstand (aW) aus dem Fokussierungsregime (Vmax(aW)) ermittelt wird, und wobei der Vorlauf (VL) die Wegstrecke bis zu der dem Punktreflektor (5) vorgelagerten Grenzfläche (11) bezogen auf das Kalibriermedium (W) ist, und wobei t die einfache Schalllaufzeit von der dem Punktreflektor (5) vorgelagerten Grenzfläche (11) bis zum Punktreflektor (5) ist, und wobei cW die Schallgeschwindigkeit des Kalibriermediums (W) ist.
Arrangement according to claim 1, characterized in that the medium to be examined ( 4 ) of one or more layers ( 41 . 42 ) with different speeds of sound and the medium ( 4 ) with point reflectors ( 5 . 51 . 52 ) for determining the speed of sound in front of the point reflector ( 5 ), the speed of sound (c Med ) of the medium ( 4 ) according to equation (III)
Figure 00330001
is determined, a W (the distance of the respective point of the reflector 5 . 51 . 52 ) from the ultrasonic transducer ( 3 ) with respect to the calibration medium (W), and wherein the distance (a W ) from the focusing regime (V max (a W )) is determined, and wherein the lead (VL) the distance to the the point reflector ( 5 ) upstream interface ( 11 ) relative to the calibration medium (W), and where t is the simple sound propagation time of the point reflector ( 5 ) upstream interface ( 11 ) to the point reflector ( 5 ), and where c W is the velocity of sound of the calibration medium (W).
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zu untersuchende Medium (4) ein Flüssigkeitsgemisch ist, das mit unterscheidbaren Punktreflektoren (5, 51. 52) versehen ist, wobei Schallgeschwindigkeitsunterschiede auftreten, wobei eine Bestimmung des Abstandes des sich auf der Achse am dichtesten vor dem Ultraschallwandler (3) befindlichen Punktreflektors (51) von Ultraschallwandler (3) und der mittleren Schallgeschwindigkeit (cMed) zwischen Punktreflektor (5) und Ultraschallwandler (3) mit den Gleichungen (V) und (VI)
Figure 00330002
erfolgt, wobei aW der Abstand des Punktreflektors (5) vom Ultraschallwandler (3) bezüglich des Kalibriermediums (W) ist, und wobei der Abstand (aW) durch das Fokussierungsregime (Vmax(aW)) ermittelt wird, und wobei t die einfache Schalllaufzeit zwischen Ultraschallwandler (3) und dem jeweiligen Punktreflektor (5) ist, und wobei cW die Schallgeschwindigkeit des Kalibriermediums (W) ist, und eine Wiederholung des Vorgangs für weiter entfernt liegende Punktreflektoren (5) und damit eine Feststellung der mittleren Schallgeschwindigkeit zwischen Ultraschallwandler (3) und Punktreflektorort für jedem Punktreflektorort erfolgt, wobei sich die mittlere Schallgeschwindigkeit (cj,j+1) zwischen zwei auf der akustischen Achse (12) liegenden (j, j + 1)-Punktreflektoren (51, 52) über die Gleichung (VII)
Figure 00340001
berechnen lässt, und wobei tj+1 – tj die einfache Schallaufzeit zwischen den zwei Punktreflektoren (51, 52) ist, und wobei aW(j+1) – aW(j) der Abstand zwischen den beiden Punktreflektoren (51, 52) bezogen auf das Kalibriermedium (W) ist, wobei bei genügend dichter Verteilung von Punktreflektoren (5) in dem Flüssigkeitsgemisch ein Schallgeschwindigkeitsprofil erstellbar ist.
Arrangement according to claim 1, characterized in that the medium to be examined ( 4 ) is a liquid mixture that is compatible with distinguishable point reflectors ( 5 . 51 , 52 ), wherein sound velocity differences occur, whereby a determination of the distance of the on the axis closest to the ultrasonic transducer ( 3 ) point reflector ( 51 ) of ultrasonic transducers ( 3 ) and the mean velocity of sound (c med ) between point reflector ( 5 ) and ultrasonic transducers ( 3 ) with the equations (V) and (VI)
Figure 00330002
where a W is the distance of the point reflector ( 5 ) from the ultrasonic transducer ( 3 ) with respect to the calibration medium (W), and wherein the distance (a W ) is determined by the focusing regime (V max (a W )), and where t is the simple sound transit time between ultrasonic transducers ( 3 ) and the respective point reflector ( 5 ), and where c W is the speed of sound of the calibration medium (W), and a repetition of the process for farther point reflectors (FIG. 5 ) and thus a determination of the average sound velocity between ultrasonic transducers ( 3 ) and point reflector location for each point reflector location, where the mean velocity of sound (c j, j + 1 ) between two on the acoustic axis ( 12 ) (j, j + 1) point reflectors ( 51 . 52 ) via the equation (VII)
Figure 00340001
where t j + 1 -t j is the simple sound transit time between the two point reflectors ( 51 . 52 ) and where a W (j + 1) -a W (j) is the distance between the two point reflectors ( 51 . 52 ) with respect to the calibration medium (W), and with sufficiently dense distribution of point reflectors ( 5 ) in the liquid mixture a sound velocity profile can be created.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zu untersuchende Medium (4) ein Flüssigkeitsgemisch ist, das mit statistisch verteilten Streuteilchen, die strömen oder diffundieren, versehen ist, wobei somit im zeitlichen Mittel an allen Orten im Medium (4) ausreichend viele Streuteilchen vorhanden sind, wobei die über verschiedene Sendepulse gemittelte Echosignalamplitude der im Fokuspunkt im Mittel befindlichen Streuteilchen für das gewählte Fokussierungsregime die laufzeitproportional zur Anzeige gebrachte Lage des jeweiligen und damit die Schallaufzeit vom Ultraschallwandler (3) zum Fokuspunkt (F) im Medium (4) liefern, und wobei eine Bestimmung der mittleren Schallgeschwindigkeit (cMed) bis zum Fokuspunkt (F) und des Abstandes (cMed) zwischen dem Ultraschallwandler (3) und dem Fokuspunkt (F) mit den Gleichungen (V) und (VI)
Figure 00340002
Figure 00350001
erfolgt, wobei der Abstand (aW) durch das Fokussierungsregime (Vmax(aW)) festgelegt wird, und wobei t die einfache Schalllaufzeit zwischen Ultraschallwandler (3) und dem jeweiligen Fokuspunkt (F) ist, und wobei cW die Schallgeschwindigkeit des Kalibriermediums (W) ist, und eine Wiederholung des Vorgangs für weiter entfernt liegende Fokuspunkte (F1, F2, F3) und damit eine Feststellung der mittleren Schallgeschwindigkeit zwischen Ultraschallwandler (3) und dem jeweiligen Fokuspunkt (F) und eine Feststellung des Abstandes des jeweiligen Fokuspunktes (F) vom Ultraschallwandler (3) für jedem Fokuspunkt (F) erfolgt, wobei sich die mittlere Schallgeschwindigkeit (cj,j+1) zwischen zwei (j, j + 1)- Fokuspunkten (F) über die Formel
Figure 00350002
berechnen lässt, wobei tj+1 – tj die einfache Schallaufzeit zwischen den zwei Fokuspunkten (F) ist, und wobei aWj+1 – aWj der Abstand zwischen den beiden Fokuspunkten (F) bezogen auf das Kalibriermedium (W) ist, wobei ein Schallgeschwindigkeitsprofil erstellbar ist.
Arrangement according to claim 1, characterized in that the medium to be examined ( 4 ) is a liquid mixture which is provided with randomly distributed scattering particles which flow or diffuse, and thus, on averaged over time, at all locations in the medium ( 4 ) are sufficiently scattered particles are present, wherein the averaged over different transmission pulses echo signal amplitude of the focus point in the middle scattering particles for the selected focusing regime the propagation time proportional to the display position of the respective and thus the sound transit time from the ultrasonic transducer ( 3 ) to the focal point (F) in the medium ( 4 ) and wherein a determination of the average sound velocity (c Med ) to the focal point (F) and the distance (c Med ) between the ultrasonic transducer ( 3 ) and the focal point (F) with the equations (V) and (VI)
Figure 00340002
Figure 00350001
where the distance (a W ) is determined by the focusing regime (V max (a W )), and where t is the simple sound transit time between ultrasonic transducers ( 3 ) and the respective focal point (F), and wherein c W is the speed of sound of the calibration medium (W), and a repetition of the process for farther away focus points (F1, F2, F3) and thus a determination of the average sound velocity between ultrasonic transducers ( 3 ) and the respective focal point (F) and a determination of the distance of the respective focal point (F) from the ultrasonic transducer ( 3 ) for each focal point (F), wherein the mean velocity of sound (c j, j + 1 ) between two (j, j + 1) focus points (F) is given by the formula
Figure 00350002
where t j + 1 -t j is the simple sound transit time between the two focus points (F), and where a Wj + 1 -a Wj is the distance between the two focus points (F) with respect to the calibration medium (W), wherein a sound velocity profile can be created.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibriereinheit (9) ausgangsseitig mit der Auswerteeinheit (8) und wahlweise eingangsseitig mit der Aufnahmeeinheit (7) in Verbindung steht, wobei die Kalibriereinheit (9) beim Erstellen der Kalibrierdaten entweder durch Simulationsrechnung oder durch Messung mit Hilfe der Aufnahmeeinheit (7) für einen in einem Kalibriermedium (W) befindlichen Punktreflektor (5) den Zusammenhang zwischen dem verwendeten Fokussierungsregime (Vmax(aWj)), bei dem die Amplitude des reflektierten Ultraschalls maximal wird, und dem jeweils gewählten Abstand (aWj) des Punktreflektors (5) vom Ultraschallwandler (3) im Kalibriermedium (W) liefert und als Tabelle (T) zusammenstellt.Arrangement according to claim 1, characterized in that the calibration unit ( 9 ) on the output side with the evaluation unit ( 8th ) and optionally on the input side with the recording unit ( 7 ), the calibration unit ( 9 ) when creating the calibration data either by simulation calculation or by measurement using the recording unit ( 7 ) for a point reflector in a calibration medium (W) ( 5 ) the relationship between the focusing regime used (V max (a Wj )), at which the amplitude of the reflected ultrasound becomes maximum, and the selected distance (a Wj ) of the point reflector ( 5 ) from the ultrasonic transducer ( 3 ) in the calibration medium (W) and composes as a table (T). Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibriereinheit (9) durch Berechnung oder Messung für einen ruhenden Punktreflektor (5) in dem Kalibriermedium (W) im Abstand (aWj) bei definierter Schallgeschwindigkeit durch schrittweise Verschiebung des elektronischen Fokuspunktes (F1, F2, F3 ...) die Fokussierung (Vmax(aWj)), bestimmt, bei der der reflektierte Ultraschall auf einem einzelnen Element, oder der gesamten Elementeanordnung oder der Zusammenschaltung mehrerer einzelner Elemente (31, 32, 33) ihr Maximum hat und damit den Zusammenhang zwischen elektronischem Fokuspunktort (Fok) und Abstand des Punktreflektors (5) im Kalibriermedium (W) liefert, und durch schrittweise Änderung des Abstandes (aW1, aW2, aW3 ...) des Punktreflektors (5) und Wiederholung des Vorganges eine Tabelle (T) bereitstellt, so dass jedem Abstand (aW1, aW2, aW3 ...) des Punktreflektors (5) ein elektronischer Fokuspunkt (Fok) zugeordnet wird, bei dem das Maximum auftritt.Arrangement according to claim 1, characterized in that the calibration unit ( 9 ) by calculation or measurement for a stationary point reflector ( 5 ) in the calibration medium (W) at a distance (a Wj ) at a defined sound velocity by stepwise displacement of the electronic focus point (F 1 , F 2 , F 3 ...), the focusing (V max (a Wj )), determined in the the reflected ultrasound on a single element, or the entire element arrangement or the interconnection of several individual elements ( 31 . 32 . 33 ) has its maximum and thus the relationship between electronic focal point (Fok) and distance of the point reflector ( 5 ) (In the calibration W) delivers, and (the distance by a stepwise change W1, a W2, W3 ... a) of the spot reflector ( 5 ) and repetition of the process provides a table (T) such that each distance (a W1 , a W2 , a W3, ...) of the point reflector ( 5 ) an electronic focus point (Fok) is assigned, at which the maximum occurs. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Punktreflektoren (5, 51, 52) zur Kalibrierung Objekte in der Größenordnung der Ultraschallwellenlänge (λ) sind, die kleiner als die gewählten Fokussierungsschritte und mit anderer Schallkennimpedanz als das zu untersuchende Medium (4, 41, 42) – Metall- oder Glaskügelchen – sind.Arrangement according to claim 1, characterized in that the point reflectors ( 5 . 51 . 52 ) for calibration are objects in the order of the ultrasonic wavelength (λ) which are smaller than the selected focusing steps and with a different sound impedance than the medium to be examined ( 4 . 41 . 42 ) - metal or glass beads - are. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (8) aus dem elektronischen Fokuspunkt (Fok) den Abstand des Punktreflektors (5) bezogen auf das Kalibriermedium (W) und daraus unter Zuhilfenahme der gemessenen Signallaufzeit den Abstand (aMed) des Punktreflektors (5) und die Schallgeschwindigkeit (CMed) vor dem Punktreflektor (5) oder zwischen zwei Punktreflektoren (51, 52) in einem geschichteten Medium (4) oder Flüssigkeitsgemisch entsprechend den Gleichungen (III) und (IV):
Figure 00370001
berechnet.
Arrangement according to claim 1, characterized in that the evaluation unit ( 8th ) from the electronic focal point (Fok) the distance of the point reflector ( 5 ) Based on the calibration medium (W) and from this with the aid of the measured signal propagation time the distance (a Med ) of the point reflector ( 5 ) and the speed of sound (C Med ) in front of the point reflector ( 5 ) or between two point reflectors ( 51 . 52 ) in a layered medium ( 4 ) or liquid mixture according to equations (III) and (IV):
Figure 00370001
calculated.
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Fall eines mehrschichtigen Mediums (4) ein Vorlauf (VL) vorhanden ist, wobei der Abstand der letzten vor dem Punktreflektor (5) liegenden Grenzfläche (11) zum Ultraschallwandler (3) die Schallgeschwindigkeit (cMed) nach der Grenzfläche (11) liefert, wobei aMed der Abstand des Punktreflektors (5) zur Grenzfläche (11) ist, t die einfache Signallaufzeit zwischen dem kugelförmigen Punktreflektor (5) und der Grenzfläche (11) ist, aW der Abstand bezüglich des Kalibriermediums (W) und cW die Schallgeschwindigkeit im Kalibriermedium (W) sind.Arrangement according to claim 8, characterized in that in the case of a multilayered medium ( 4 ) a lead (VL) is present, wherein the distance of the last before the point reflector ( 5 ) ( 11 ) to the ultrasonic transducer ( 3 ) the speed of sound (c Med ) after the interface ( 11 ), where a Med is the distance of the point reflector ( 5 ) to the interface ( 11 ), t is the simple signal transit time between the spherical point reflector ( 5 ) and the interface ( 11 ), a W is the distance with respect to the calibration medium (W) and c W is the speed of sound in the calibration medium (W). Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Fall eines Punktreflektors (5) in einem Flüssigkeitsgemisch (4) der Vorlauf VL = 0 ist, wobei CMed die mittlere Schallgeschwindigkeit vom Punktreflektor (5) zum Ultraschallwandler (3) liefert, aMed der Abstand des Punktreflektors (5) von dem Ultraschallwandler (3) ist und t die einfache Schallaufzeit ist, wobei durch Wiederholung des Vorgangs für Punktreflektoren (5) mit einem anderen Abstand und damit definiert durch eine andere Schallaufzeit ein Schallgeschwindigkeitsprofil erstellbar ist.Arrangement according to claim 8, characterized in that in the case of a point reflector ( 5 ) in a liquid mixture ( 4 ) the lead VL = 0, where C Med is the mean velocity of sound from the point reflector ( 5 ) to the ultrasonic transducer ( 3 ), a Med is the distance of the point reflector ( 5 ) of the ultrasonic transducer ( 3 ) and t is the simple sound transit time, whereby by repeating the process for point reflectors ( 5 ) With another distance and thus defined by a different Schallaufzeit a sound velocity profile can be created. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallwandler (3) Elemente (31, 32, 33) aufweist, die als Ringelementeanordnung oder als Matrixanordnung oder als Linearanordnung ausgeführt sind, so dass eine elektronische Fokussierung (Fok) oder eine synthetische Fokussierung möglich ist.Arrangement according to claim 9, characterized in that the ultrasonic transducer ( 3 ) Elements ( 31 . 32 . 33 ), which are designed as a ring element arrangement or as a matrix arrangement or as a linear arrangement, so that an electronic focus (Fok) or a synthetic focusing is possible. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einkopplung des Schalls in ein geschichtetes oder nicht geschichtetes Medium (4) zusätzlich ein Flüssigkeitsvorlauf (VL) vorgesehen ist.Arrangement according to claim 1, characterized in that for coupling the sound into a stratified or non-stratified medium ( 4 ) In addition, a liquid flow (VL) is provided. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallwandler (3) einen Einzelelementwandler oder eine Elementeanordnung oder eine vorfokussierte Elementeanordnung aufweist, wobei die Veränderung des Fokuspunktortes alleine oder zusätzlich durch mechanische Verschiebung des Ultraschallwandlers (3) erfolgt, wobei der Ultraschallwandler (3) mit einer Verschiebeeinrichtung in Verbindung steht, die den Ultraschallwandler (3) längs der akustischen Achse (12) verschiebt.Arrangement according to claim 1, characterized in that the ultrasonic transducer ( 3 ) has a single element transducer or an element arrangement or a prefocused element arrangement, wherein the change of the focal point location alone or additionally by mechanical displacement of the ultrasonic transducer ( 3 ), wherein the ultrasonic transducer ( 3 ) is in communication with a displacement device, the ultrasonic transducer ( 3 ) along the acoustic axis ( 12 ) shifts. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ringelementeanordnung mindestens ein ringförmiges Element (31, 32, 33) unterteilt ist, um eine Schräglage des Ultraschallwandlers (3) in Bezug auf die Grenzfläche (11) zu erkennen, um damit zu justieren.Arrangement according to claim 11, characterized in that in the ring element arrangement at least one annular element ( 31 . 32 . 33 ) to an inclination of the ultrasonic transducer ( 3 ) with respect to the interface ( 11 ) to adjust in order to adjust. Verfahren zur kombinierten Bestimmung von Schallgeschwindigkeiten und Abständen in flüssigen und festen Medien (4, 41, 42, W) mittels Ultraschall, unter Einsatz der Anordnung (10) nach den Ansprüchen 1 bis 14, gekennzeichnet durch folgende Schritte: A. Schrittweise Fokussierung: Der Sendesignalgenerator (1) fokussiert allein in Form von elektronischer Fokussierung oder in Zusammenarbeit mit der Aufnahmeeinheit (6) und der Auswerteeinheit (8) in Form von synthetischer Fokussierung den Ultraschall schrittweise entlang der Achse (12) des Ultraschallwandlers (3) auf einzelne Fokuspunkte (F1, F2, F3). B. Kalibrierung: Beim Erstellen der Kalibrierdaten wird entweder durch Simulationsrechnung oder durch Messung mit Hilfe der Aufnahmeeinheit für einen in einem Kalibriermedium (W) befindlichen Punktreflektor (5, 51, 52) der Zusammenhang zwischen dem verwendeten Fokussierungsregime (Vmax(aWj)), bei dem die Amplitude des reflektierten Ultraschalls maximal wird, und dem jeweils gewählten Abstand (aWj) des Punktreflektors (5) vom Ultraschallwandler (3) im Kalibriermedium (W) geliefert und als Tabelle (T) zusammenstellt. C. Aufnahme: Eine Aufnahmeeinheit (7) erfasst die Schalllaufzeit vom Ultraschallwandler (3) zu einem Punktreflektor (5) oder zu einem Fokuspunkt – bei einem Flüssigkeitsgemisch mit statistisch verteilten Streuteilchen, die strömen oder diffundieren, – in einem Medium (4), wobei durch die schrittweise Fokussierung dasjenige Fokussierungsregime (Vi) bestimmt wird, bei dem die Amplitude des reflektierten Ultraschalls für diesen Punktreflektor (5) oder Fokuspunkt maximal wird. D. Auswertung: In einer Auswerteeinheit (8) erfolgt für einen im zu untersuchenden Medium (4) befindlichen Punktreflektor (5) aus dem ermittelten Fokussierungsregime (Vmax(aMj)) und aus dem von der Kalibriereinheit (9) bereitgestellten tabellarischem Zusammenhang (T) zwischen dem Fokussierungsregime (Vmax(aMj)) und dem Abstand des Punktreflektors (5) oder des Fokuspunktes vom Ultraschallwandler (3) in einem Kalibriermedium (W) die Ermittlung des Abstandes des Punktreflektors (5) oder des Fokuspunktes bezüglich des Kalibriermediums (W).Method for the combined determination of sound velocities and distances in liquid and solid media ( 4 . 41 . 42 , W) by means of ultrasound, using the arrangement ( 10 ) according to claims 1 to 14, characterized by the following steps: A. Stepwise focusing: the transmission signal generator ( 1 ) focused solely in the form of electronic focusing or in collaboration with the recording unit ( 6 ) and the evaluation unit ( 8th ) in the form of synthetic focusing the ultrasound stepwise along the axis ( 12 ) of the ultrasonic transducer ( 3 ) To individual focal points (F 1, F 2, F 3). B. Calibration: When the calibration data are generated, either by simulation calculation or by measurement with the aid of the recording unit for a point reflector located in a calibration medium (W) ( 5 . 51 . 52 ) the relationship between the used focusing regime (V max (a Wj )), in which the amplitude of the reflected ultrasound is maximum, and the selected distance (a Wj ) of the point reflector ( 5 ) from the ultrasonic transducer ( 3 ) in the calibration medium (W) and compiled as a table (T). C. Recording: A recording unit ( 7 ) detects the sound propagation time from the ultrasonic transducer ( 3 ) to a point reflector ( 5 ) or to a focal point - in a liquid mixture with statistically distributed scattering particles which flow or diffuse, - in a medium ( 4 ), wherein the focusing regime (V i ) is determined by the stepwise focusing, in which the amplitude of the reflected ultrasound for this point reflector ( 5 ) or focal point becomes maximum. D. Evaluation: In an evaluation unit ( 8th ) takes place for a medium to be examined ( 4 ) point reflector ( 5 ) from the determined focusing regime (V max (a Mj )) and from that of the calibration unit ( 9 ) provided tabular relationship (T) between the focusing regime (V max (a Mj )) and the distance of the point reflector ( 5 ) or the focal point of the ultrasonic transducer ( 3 ) in a calibration medium (W) the determination of the distance of the point reflector ( 5 ) or the focal point with respect to the calibration medium (W). Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass aus der ermittelten Schalllaufzeit und aus dem ermittelten Punktreflektorabstand oder Fokuspunktabstand bezüglich des Kalibriermediums (W) die Berechnung der mittleren Schallgeschwindigkeit im zu untersuchenden Medium (4, 41, 42) bis zum jeweiligen Punktreflektorort oder Fokuspunkt sowie des Abstandes des Punktreflektorortes oder des Fokuspunktes vom Ultraschallwandler (3) im zu untersuchenden Medium (4, 41, 42) durchgeführt wird, wobei anschließend durch die Bestimmung dieser Parameter für mehrere oder alle Punktreflektoren (5) oder der Fokuspunkte an unterschiedlichen Orten die ortsveränderliche Schallgeschwindigkeit in Form eines Schallgeschwindigkeitsprofils durchgeführt wird, und wobei in der Auswerteeinheit (8) aus dem ermittelten Fokussierungsregime Vmax(aMj) und aus dem von der Kalibriereinheit (7) bereitgestellten tabellarischem Zusammenhang (T) zwischen den Fokussierungsregime (Vmax(aWj)) und dem Abstand des Punktreflektors (5) vom Ultraschallwandler (3) in einem Kalibriermedium (W) die Ermittlung des Abstandes des Punktreflektors (5) bezüglich des Kalibriermediums (W) erfolgt, wobei aus der ermittelten Schalllaufzeit (t) und aus dem ermittelten Abstand des Punktreflektors (5) bezüglich des Kalibriermediums (W) die Berechnung der mittleren Schallgeschwindigkeit im zu untersuchenden Medium (4, 41, 42) bis zum Punktreflektor (5) sowie des Abstandes des Punktreflektors (5) vom Ultraschallwandler (3) durchgeführt wird.A method according to claim 15, characterized in that from the determined sound propagation time and from the determined point reflector distance or focal point distance with respect to the calibration medium (W) the calculation of the average sound velocity in the medium to be examined ( 4 . 41 . 42 ) to the respective Punktreflektorort or focal point and the distance of the point reflector location or the focal point of the ultrasonic transducer ( 3 ) in the medium to be examined ( 4 . 41 . 42 ), and then by determining these parameters for multiple or all point reflectors ( 5 ) or the focal points at different locations the spatially variable speed of sound is performed in the form of a sound velocity profile, and wherein in the evaluation unit ( 8th ) from the determined focusing regime V max (a Mj ) and from that of the calibration unit ( 7 ) Provided tabular connection (T) between the focusing regime (V max (a Wj)) and (the distance of the point reflector 5 ) from the ultrasonic transducer ( 3 ) in a calibration medium (W) the determination of the distance of the point reflector ( 5 ) with respect to the calibration medium (W) takes place, wherein the determined sound transit time (t) and from the determined distance of the point reflector ( 5 ) with respect to the calibration medium (W), the calculation of the mean velocity of sound in the medium to be examined ( 4 . 41 . 42 ) to the point reflector ( 5 ) and the distance of the point reflector ( 5 ) from the ultrasonic transducer ( 3 ) is carried out. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass anschließend durch die Bestimmung der Abstände für mehrere oder alle Punktreflektoren (5) an unterschiedlichen Orten die ortsveränderliche Schallgeschwindigkeit in Form eines Schallgeschwindigkeitsprofils ermittelt wird.Method according to claim 15 or 16, characterized in that subsequently by determining the distances for several or all point reflectors ( 5 ) At different locations the spatially variable speed of sound is determined in the form of a sound velocity profile. Verfahren nach den Ansprüchen 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass beim Senden die Änderung des Fokuspunktortes durch einen der folgenden Verfahrensschritte durchgeführt wird: a) durch eine elektronische Sendefokussierung des Ultraschalls, die durch eine dem Fokussierungsregime (V1, V2, V3, ...) entsprechende zeitversetzte Ansteuerung der n einzelnen Elemente (31, 32, 33) dergestalt erfolgt, dass die von den einzelnen Elementen (31, 32, 33) ausgehenden Ultraschallwellen sich in den Abständen der Fokuspunkte (F1, F2, F3 ...) konstruktiv überlagern, b) durch eine synthetische Fokussierung des Ultraschalls, die durch Aufnahme des von jedem einzelnen sendenden Element (31, 32, 33) auf dem jeweils vorgegebenen empfangenden Element (31, 32, 33) empfangenen Echosignals und anschließender Überlagerung der Echosignale der sendenden Elemente (31, 32, 33) entsprechend dem Fokussierungsregime (V1, V2, V3, ...) realisiert wird.Method according to claims 15 to 17, characterized in that during the transmission the change of the focus point location is performed by one of the following method steps: a) by an electronic transmission focusing of the ultrasound, which is controlled by the focusing regime (V 1 , V 2 , V 3 , ...) corresponding time-delayed control of the n individual elements ( 31 . 32 . 33 ) is carried out in such a way that that of the individual elements ( 31 . 32 . 33 ) outgoing ultrasonic waves in the distances of the focal points (F 1 , F 2 , F 3 ...) constructively superimpose b) by a synthetic focusing of the ultrasound, which by recording of each individual transmitting element ( 31 . 32 . 33 ) on the respectively given receiving element ( 31 . 32 . 33 ) received echo signal and subsequent superposition of the echo signals of the transmitting elements ( 31 . 32 . 33 ) is realized according to the focusing regime (V 1 , V 2 , V 3 , ...). Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass optional oder zusätzlich zur Sendefokussierung eine Fokussierung im Empfang durchgeführt wird, indem die zu den einzelnen Elementen (31, 32, 33) gehörigen gemessenen Echosignale bei der elektronischen Sendefokussierung oder mittels einer Rechnung überlagerten Echosignale bei der synthetischen Fokussierung entsprechend dem Fokussierungsregime (V1, V2, V3, ...) zeitverzögert überlagert werden.A method according to claim 18, characterized in that, optionally or in addition to the transmission focusing, a focusing in the reception is carried out by the to the individual elements ( 31 . 32 . 33 ) Associated measured echo signals at said transmitting electronic focusing or by means of a bill superimposed echo signals in the synthetic focusing (corresponding to the focusing regime V 1) are superposed with a time delay V 2, V 3, .... Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme des Empfangssignals entweder durch das mittlere Element (31) allein oder durch ein anderes Element (32, 33) allein oder durch die Kombination mehrerer Elemente (31, 32, 33) zusammen in Form einer zeitverzögerten Überlagerung der auf den einzelnen Elementen (31, 32, 33) sich ergebenden Echosignale erfolgt.A method according to claim 18, characterized in that the reception of the received signal either by the middle element ( 31 ) alone or by another element ( 32 . 33 ) alone or by the combination of several elements ( 31 . 32 . 33 ) in the form of a time-delayed overlay of the individual elements ( 31 . 32 . 33 ) echo signals occur.
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