DE2552013B2 - Koppelungssystem zur Ultraschallübertragung zwischen einem Geber bzw. Empfänger u. einem Prüfling - Google Patents
Koppelungssystem zur Ultraschallübertragung zwischen einem Geber bzw. Empfänger u. einem PrüflingInfo
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- G10K11/02—Mechanical acoustic impedances; Impedance matching, e.g. by horns; Acoustic resonators
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Kopplungssystem zur Ultraschallübertragung zwischen einem Geber bzw.
Empfänger und einem Prüfling der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 genannten Gattung.
Ein derartiges Kopplungssystem ist bereits bekannt (DE-AS 11 20 784). Bei jenem Kopplungssystem sollen
Ultraschallschwingungen >n\ Wasser für Tiefenmessungen,
beispielsweise in Form eines Echolotes auf die im Prüfungsgerät angeordnete piezokeramischen Elemente
übertragen werden. Das Medium innerhalb des durch eine Gummikappe abgeschlossenen Gehäuseraumes ist
dabei Rizinusöl, das im wesentlichen dieselben Schallübertragungseigenschaften wie Wasser aufweisen soll.
Die Kappe besteht aus Gummi, ist jedoch verhältnismäßig dick in Form einer Hartgummiplatte ausgebildet, da
sie verhältnismäßig starr sein muß, um auch einen mechanischen Schutz an der Frontseite des Kopplungssystems
zu schaffen, andernfalls beispielsweise die elektrischen Leitungen beschädigt werden könnten.
s Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kopplungssystem der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß es dauerhaft und reflexionsarpi arbeitet und sich den Körperformen des Prüflings, insbesondere dem menschlichen Körper, ohne allzu
s Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kopplungssystem der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß es dauerhaft und reflexionsarpi arbeitet und sich den Körperformen des Prüflings, insbesondere dem menschlichen Körper, ohne allzu
ίο große lästige Kraftübertragung leicht anzupassen
vermag.
Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 gekennzeichnet und in Unteransprüchen sind weitere Ausbildungen
und Verbesserungen derselben beansprucht
Das erfindungsgemäße Kopplungssystem ist sehr gut bei der akustischen Abbildung zum Zweck der
zerstörungsfreien Prüfung anwendbar und vor allem zur biomedizinischen Anwendung, beispielsweise zur zeitgetreuen
akustischen Abbildung innerer Organe von Lebewesen von Nutzen. Für die zeitgetreue Ultraschallabbildung
von Organen eines lebenden Organismus, beispielsweise des Herzens einer Person, ist es wichtig,
daß die Schallwellen von der zu untersuchenden Person bzw. auf diese unter möglichst geringem Verlust an der
2") Trennfläche zwischen dem untersuchten Körper oder
Prüfling und dem Geber und Empfänger übertragen werden. Um Schallwellen unter einem Mindestmaß an
Reflexionen an der Trennfläche mit dem Prüfling zu übertragen, kann sich bei der Erfindung die Kopplung
in den Umrißformen des Prüflings, die in hohem Maße
unregelmäßig sein können, leicht anpassen. Mit anderen Worten schafft die Erfindung eine im wesentlichen
reflexionsfreie Kopplung zwischen einem in einem insbesondere starren Behälter eingeschlossenen Medi-
ir> um und einem zu prüfenden insbesondere biologischen
Körper unter Verwendung des den Behälter verschließenden Balgen- bzw. Balgsystems. An der Trennfläche
zum Prüfling ist eine sehr dünne, biegbar flexible Membrane vorgesehen, die sich der Prüflingsoberflä-
4« chenform leicht anpaßt.
Zur Lagerung der Membrane der Art, daß sie unter dem Druck des Übertragungsmediums nicht reißt oder
übermäßig gezerrt wird, empfiehlt es sich, zwischen den starren Teilen des Mediumbehälters und der Membrane
ein solches abstützendes Balgsystem einzubauen, das zwei flexible wulstförmige Glieder aufweist, die
hintereinander angeordnet und aneinander befestigt sind und deren Innenseite so beaufschtagbar bzw.
entlastbar ist, daß der Druck innerhalb der Wülste vom
μ Mediumdruck im Kopplungssystem beherrscht wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine zweite Membrane, eine sogenannte
Spernnembrane, vorgesehen, die vorzugsweise eine größere Dicke als die Membrane zur Anlage am
Prüfling aufweist. Diese Sperrmembrane am der anderen Membrane gegenüberliegenden Ende des
Balgsystems dient als Sperrwand zwischen dem Balgsystem und dem Behälter bzw. Gehäuse. Die
Abschlußmembrane ist zweckmäßigerweise nach außen konvex gekrümmt.
Bei einer besonders bevorzugten Ausbildung der Erfindung, bei der das Balgsystem zwei flexible
Wulstelemente aufweist, empfiehlt es sich, wenn eines der Wulstelemeiite, das im Querschnitt als kreisförmiger
bzw. rohrförmiger Ring ausgebildet ist, aus Neopren besteht. Ein Wulstelement sollte dagegen 'm Querschnitt
etwa U-förmig ausgebildet und an der dem Gehäuse zugewandten Seite zwischen zwei Halteringe
eingeklemmt sowie an der entgegengesetzten Seite mit
dem erstgenannten ringförmigen Wulstelement verbunden sein.
Es empfiehlt sich, wenn im Balgsystem ein Unterdruck hergestellt wird; insbesondere hierbei ist es
günstig, wenn in das U-förmige Wulstdement ein Stützbügel eingebaut ist, der das Zusammensacken bzw.
Zusammenklappen vermeidet.
Gemäß der Erfindung ist zwischen einem in einem starren Behälter eingeschlossenen Medium und einem
biologischen, zu prüfenden Körper (Prüfling) beispielsweise einem menschlichen Körper, eine im wesentlichen
reflexionsfreie Koppelung durch ein den Behälter verschließendes Balgensystem mit einer dünnen, flexiblen
Abschlußmembran vorgesehen, die an den H Umrißformen des Prüflings anliegt und sich diesen
anpaßt Ein stützendes Balgensystem zwischen starren Teilen des Mediumbehälters und der Membran verleiht
der letzteren die wesentlichen Eigenschaften der Anpassungsfähigkeit an mannigfaltig (konkav und >o
konvex) gekrümmte Umrißformen eines Prüflings und ist zugleich in der Lage, ohne Reißen und ohne
übermäßige Verzerrung auch bei Fehlen einer Abstüt zung von außen, beispielsweise die Berührung mit dem
Prüfling, das Medium zurückzuhalten. Für das tragende Balgensystem werden ein flexibles, wulstförmiges Glied
von U-förmigem Querschnitt mit einwärtsgerichteter offener Seite, dessen einer Schenkel an dem starren
Behälter befestigt ist, sowie ein zweites wulstfcrmiges Glied von kreisförmigem Querschnitt, das an dem jo
gegenüberliegenden Schenkel des U-förmigen Wulstgliedes getragen ist, verwendet Das flexible zweue
Wulstglied ist innen beaufschlagbar bzw. entlüftbar, so daß es ebenfalls das Medium des Balgensystems enthält.
In manchen Fällen kann die dem starren Behälter ir,
benachbarte Seite des U-förmigen Wulstgliedes offen sein, jedoch ist vorzugsweise über diese Seite eine
dünne Sperrmembran gespannt, die eine Trennwand zwischen dem Behälter und dem diesen verschließenden
Balgensystem bildet. In beiden Fällen ist das den Behälter verschließende Balgensystem mit Medium
gefüllt, die flexible Verschlußmembran ist straff über das rohrförmige Wulstglied gespannt, so daß sie von dem
Balgensystem getragen ist und einen mediumdichten Verschluß bildet, und zum Einstellen des Druckes
innerhalb des den Behälter verschließenden Balgensystems ist eine Beaufschlagungs- bzw. Entlüftungseinrichtung
vorgesehen.
In der Zeichnung ist eine Ausführungsform der Erfindung beispielsweise dargestellt.
F i g. 1 ist eine Seitenansicht zur Veranschaulichung der Koppelungsanordnung, die an einem Ende einer
weggebrochen dargestellten) Ultraschall-Kamera angebracht ist, die sich in bereiter Stellung für die
Untersuchung eines Gegenstandes befindet, der hier als menschlicher Körper dargestellt ist,
Fig. 2 ist eine teilweise weggebrochene Seitenansicht
des reflexionsfreien Koppelungssystems gemäß Fig. 1 zur Darstellung von Einzelheiten sowohl des
Koppelungssystems als auch seiner Anbringung an einem Teil einer Ultraschallkamera, und
F i g. 3 ist ein Querschnitt der Koppelungsanordnung gftmäß Fig. 1 und 2 entlaiig der Schnittlinie 3-3 in
F i g. 2.
Die l'Tfindung ist hier in ihrer wichtigsten Anwendungsform,
nämlich als Koppelung für eine Ultraschallkamera vom Bildumwandlungstyp dargestellt und
beschrieben, die in erster Linie zum Abbilden innerer
Organe und Strukturen in einem lebenden menschlichen Körper verwendet wird. Demgemäß ist das die
Koppelung und den Verschluß bildende Balgensystem 10 in Fig. 1 an einen menschlichen Körper 12 angelegt
und an die Vorderseite des zylindrischen Gehäuses 14 einer solchen Kamera angebracht dargestellt Funktionell
dient das Balgensystem 10 zum dichten Verschließen des Kameragehäuses 14 und zum Zurückhalten
einer Flüssigkeit 16 in diesem (Fig.2) und zum ultraschallwellenübertragenden Koppeln des Prüflings
12 mit der Kamera 14. Da die Kamera selbst keinen Teil der Erfindung bildet, ist sie hier nicht eingehend
dargestellt Einzelheiten der Kamera sind den DT-OSen 23 53 071 und 24 13 465 entsprechend den US-PAen
Serial No. 3 54 236, eingereicht am 25. April 1973, »Focussing and Deflecting System for Acoustic
Imaging, Philip S. Gi sen, bzw. Serial No. 4 11729,
eingereicht am 1. November 1973, Ultrasonic Camera System an Method, Philip S. Green u. a.) zu entnehmen.
Auf den Inhalt dieser Anmeldungen wird hier bezug genommen.
Zur äußerster. Verminderung von Reflexionen an der Trennfläche zwischen dem koppelnden Balgensystem
10 und dem Prüfling 12 sowie zur Bildung einer Flüssigkeitsdichtung ist über die Vorderseite des
Balgensystems 10 eine dünne flexible Koppelungsmembran 18 (hier eine 25 μηι dicke Polyurethanmembran)
gespannt. Wenn nun nicht eine spezielle Stütz- oder Tragkonstruktion vorgesehen wäre, würde eine solche
dünne Membran dem Gewicht der in der Kamera eingeschlossenen Flüssigkeit nicht ohne Reißen bzw.
übermäßige Verzerrung standhalten, wenn sie nicht durch die Berührung mit dem Prüfling abgestützt ist. Die
notwendige Stützkonstruktion enthält zwei flexible, jedoch verhältnismäßig steife wulstförmige Glieder 20
und 22, die den Übergang zwischen dem vorderen Ende des Kameragehäuses 14 und der äußeren Kopplungsmembran 18 bilden. Das erste flexible Wulstglied 20 hat
einen U-förmigen Querschnitt mit zwei gegenüberliegenden Seitenwänden 24 und 26 sowie einen diese
verbindenden äußeren Wandteil 28. Für die als Beispiel gewählte spezielle Anwendung wurde ein gewöhnlicher
Fahrzeugreifen 12V2 χ 21A der Firma Michelin verwendet
der ein flexibles und festes Wulstglied 20 ergibt. Bei der praktischen Ausführungsform ist das zweite
wulstförmige Stützglied 22 ein in Wulstform gebogenes festes Rohr aus Neoprene.
Wie dargestellt, besteht das mechanische Mittel zum Befestigen des Balgensystems an der Vorderseite der
Kamera aus einem starr, jedoch abnehmbar am vorderen Stirnende des zylindrischen Kameragehäuses
14 befestigten Ring 30. Zum Halten des ersten wulstförmigen Balgengliedes 20 an der Vorderseite des
Kameragehäuses 14 sind zwei wandtragende Halteringe 32 und 34 vorgesehen. Einer der Rings, der innere
Trag- und Haltering 32, ist knapp innerhalb des äußeren Seitenwandteiles 26 des Hauptwulstgliedes 20 vorgesehen,
das dem Kameragehäuse 14 benachbart ist, und der andere Haltering 34 ist an der Außenseite dieses
Seitenwandteiles 26 vorgesehen, so daß der Seitenwandteil 26 zwischen den beiden Halteringen 32 und 34
sandwichartig eingespannt ist. Die inneren Durchmesser des inneren und des äußeren Halteringes 32 bzw. 34
sind annähernd gleich, während der Außenring 34 einen Außendurchmesser hat, der etwa dem des Ba.gentrag-
und rialteringes 30 an der Außenseite des Kameragehäuses 14 entspricht. Der innere und äußere Seitenwandhaltering
32 bzw. 34 sind mit mehreren in gleichen
Abständen angeordneten fluchtenden Schraubenaufnahmelöchern
36 versehen, so daß durch die Halteringe 32 und 34 sowie durch den zwischen diesen eingeschlossenen
äußeren Seitenwandteil 26 Schrauben 38 durchgeführt werden können und der Seitenwandteil 26
fest zwischen den inneren und äußeren Haltering geklemmt werden kann.
Die Löcher 36 in dem äußeren Haltering 34 ( F i g. 2) sind für die Aufnahme der Köpfe der Befestigungsschrauben
38 angesenkt, so daß diese beim Anbau nicht hindern. Der äußere Haltering 34 weist in der Nähe
seines Außenumfangs ebenfalls einen Kranz von Löchern 40 auf, die einem entsprechenden Kranz von
Löchern 42 in dem Balgentrag- und Haltering 30 am Stirnende des zylindrischen Kameragehäuses 14 zugeordnet
sind. Der äußere Haltering 34 ist auf diese Weise an dem Kameragehäuse 14 mittels einer Reihe
von Schrauben 44 befestigt, die durch den äußeren Haltering 34 hindurchgehen und in den Haltering 30 an
dem Kameragehäuse 14 eingeschraubt sind. Praktischerweise sind in Ringnuten an der Außenfläche des
äußeren Halteringes sowie in einer Nut an der gegenüberliegenden, dem äußeren Wandteil des gestützten
Wulstgliedes benachbarten Fläche O-Dichtungsringe vorgesehen. Auf diese Weise ist das
koppelnde und dicht schließende Balgensystem 10 an der vorderen Stirnseite der Kamera 14 befestigt. Aus
Praktischen Gründen wurden die O-Dichtungsringe und Nuten nicht durch Bezugszeichen bezeichnet. Alle
Metallteile sind aus Materialien hergestellt, die gegenüber dem in dem System enthaltenen Medium inert sind.
Beispielsweise bestehen die Halteringe aus Edelstahl.
Es hat sich gezeigt, daß ohne weitere Trageinrichtungen sowohl das erste Wulstglied 20 als auch die dünne
Polyurethanmembran 18 zur Verformung und zum Durchhängen unter dem Druck der eingeschlossenen
Flüssigkeit neigen. Daher ist zur Schaffung einer zusätzlichen Abstützung für die dünne flexible Koppelungsmembran
18 am gegenüberliegenden Seitenwandteil 24 des ersten Wulstgliedes 20 das zweite stützende
Wulstglied 22 befestigt. Wie bereits angedeutet, besteht das zweite flexible Wulstglied 22 aus einem zu einem
Wulst verformten Neoprenerohr. Der Innendurchmesser des kleineren Wulstgliedes 22 ist annähernd gleich
dem Innendurchmesser der Seitenwandteile 24 und 26 des ersten stützenden Wulstgliedes 20. Das zweite
stützende Wulstglied 22 ist an dem äußeren Seitenwandteil des ersten Wulstgliedes 20 durch das
Zusammenwirken der dünnen flexiblen Koppelungsmemb-an 18 und zweier Halteringe 50 und 52 in seiner
Lage gehalten, die zur Befestigung der Koppelungsmembran 18 in ihrer Lage verwendet werden. Von den
beiden Membranbefestigungsringen 50 und 52 ist der letztere, der an der Innenseite des ersten Wulstgliedes
20 angeordnet ist, ähnlich dem inneren Tragring 32 an der Innenseite der gegenüberliegenden Seitenwand 26.
Der äußere Membrantragring 50 hat einen Außendurchmesser, der annähernd dem Außendurchmesser
des Innenringes 52 entspricht, and sein Innendurchmesser ist für die Aufnahme des wulstförmigen tragenden
Membranhaitegliedes 22 entsprechend geformt (ausgerundet oder mit einer Hohlkehle versehen). Der innere
und der äußere Membranhahering 52 bzw. 50 sind mit mehreren einander angepaßten Schraubenaufnahmelöchern
54 ausgestattet. Die dünne flexible Membran 18 ist straff über den Außenumfang des stützenden
Wulstgliedes 22 und entlang des benachbarten Seitenwandteiles 24 des ersten Wulstgliedes 20 gespannt Der
äußere Membrantrag- und Haltering 50 ist in Deckung mit dem inneren Membranhaltering über der dünnen
Membran angebracht und an dem inneren Membranhaltering (mittels Schrauben 56) angeschraubt, so daß eine
flüssigkeitsdichte Abdichtung geschaffen ist. Es ist zu bemerken, daß der äußere Haltering 50 mit einer
Ringnut (ohne Bezugszeichen) an seiner Innenfläche versehen ist, die einen O-Ring (ebenfalls ohne
Bezugszeichen) aufnimmt.
Zum Einführen eines Mediums ins Innere des abgedichteten Vorderteils der Kamera und das koppelnde
Balgensystem ist der äußere Haltering 34 für das an der Vorderseite der Kamera 14 angebrachte erste
Wulstglied 20 mit zwei Löchern versehen, durch die zwei Schläuche oder Rohre 60 und 62 hindurchgeführt
sind, die dann am Inneniimfang des benachbarten
Seitenwandteils 26 entlang und in den offenen Teil des U-förmigen Wulstgliedes in der Nähe des obersten
Wandteils 28 geführt sind. Wenn die Rohre 60 und 62 geöffnet sind, kann das eine, beispielsweise 62, zum
Einführen von Medium benutzt werden, während das andere, beispielsweise 60, einen Luftauslaß bildet, so daß
das im übrigen geschlossene System mit einem Medium gefüllt werden kann. In der Praxis hat es sich gezeigt,
daß eine Verzerrung der flexiblen Membran 18 vermindert bzw. ganz ausgeschaltet werden kann,
indem der Druck innerhalb des Balgensystems unter Verwendung der Luft/Medium-Einlaß- und -Auslaßroh
re 60 und 62 eingestellt wird, die durch zwei in ihren äußeren Enden eingeschraubte Schrauben 64 bzw. 66
dicht verschlossen sind. Eine Möglichkeit der Einstellung des Innendruckes besteht darin, daß das Balgensystem
10 zusammengedrückt wird, während eines oder beide Luft/Medium-Einlaß- und -Auslaßrohre geöffnet
sind, dann die Rohre dicht verschlossen werden, und die Druckausübung beendet wird. Auf diese Weise wird in
dem Balgensystem ein Unterdruck erzeugt. Als zusätzliches Mittel zum Abstützen des Balgensystems
10 und zum Verhindern einer Druckverformung des oberen Wandteils 28 des Haupttragwulstgliedes 20 (der
Abplattung unter der Druckdifferenz zwischen dem positiven Außendruck und dem negativen Innendruck)
ist an dem Innenumfang der äußeren Seitenwand 28 des ersten Balgengliedes 20 ein entsprechend gekrümmter
Edelstahlstab 58 eingelegt.
Obwohl das aus Stützbalgen bestehende Abdichtungs- und Koppelungssystem 10 laut obiger Beschreibung
gut funktioniert, wurde dennoch festgestellt, daß sich seine Funktionsweise noch etwas verbessern läßt,
indem eine Membran 68 hinzugefügt wird, die über das Stirnende des zylindrischen Kameragehäuses 14 gespannt
ist und das Balgensystem auch in dieser Richtung verschließt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
kann diese zweite Membran 68 dicker als die flexible Koppelungsmembran 18 an der gegenüberliegenden
Seite des Balgensystems 10 sein, jedoch sollte sie aus einem Material bestehen, das, wie Mylar (Marke der
Firma DuPont) gegenüber in der Umgebung vorhandener Ultraschallenergie im wesentlichen durchlässig ist.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die innere Membran 68 zwischen dem äußeren Seitenwandtrag-
und -haltering 34 und dem die Stirnseite der Kamera 14 umgebenden Haltering 30 eingespannt gehalten. Auf
diese Weise bildet das koppelnde und abdichtende Balgensystem 10 auch nach Abnehmen desselben vom
Stirnende der Kamera eine in sich abgeschlossene Einheit.
bestehende Koppelungs- und Verschlußeinheit an der Vorderseite der Kamera 14 die flexible Koppelungsmembran 18 in solcher Weise trägt, daß sie an den
Körper eines Prüflings heranbewegt werden kann und sich verhältnismäßig komplizierten Umrißformen desselben
eng anpaßt, ohne daß auf den Körper des
Prüflings ein lästiger Druck ausgeübt wird. Gleichzeitig trägt die Balgenkoppelungs- und -Verschlußeinheit die
sehr dünne flexible Membran 18 in solcher Weise, daß sie unter dem Gewicht und dem Druck des darin
enthaltenen Mediums nicht in unvertretbarer Weise gezerrt wird.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (7)
1. Kopplungssystem zur Ultraschailübertragung zwischen einem Geber bzw. Empfänger und einem
Prüfling mit einem flüssigen Übertragungsmedium, das sich in einem an seiner dem Prüfling zugewandten
Frontseite mit einer mediumdichten flexiblen Kappe abgeschlossen, sonst aber im wesentlichen
starren Gehäuse eines Prüfgerätes befindet dadurch
gekennzeichnet, daß die Kappe als dünne, sich den Prüflingsformen im wesentlichen
leicht anpassende Abschlußmembrane (18) ausgebildet ist und daß diese mit dem Gehäuse (14) über ein
das Medium (16) begrenzendes, flexibles, die Abschlußmembrane (18) abstützendes Balgsystem
(10) verbunden ist
2. Kopplungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß der Druck im Balgsystem (10)
mittels von außen in dieses führenden Drucksteuerleitungen (60,62) steuerbar ist
3. Kopplungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß das Medium innerhalb
des Balgsystems (10) vom Medium (16) im Gehäuse (14) durch eine Sperrmembrane (68) getrennt ist
welche die betreffende Ultraschallenergie ohne wesentliche Schwächung hindurchläßt.
4. Kopplungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
Abschlußmembrane (18) eine etwa 25 μπι dünne Polyurethanmembrane ist
5. Kopplungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das
Balgsystem (10) zwei flexible Wulstelemente (20,22) aufweist, die hintereinander zwischen die Abschlußmembrane
(18) und das Gehäuse (14) angeordnet sind.
6. Kopplungssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wulstelement (22) im
Durchschnitt etwa u-förmig ausgebildet ist und das andere Wulstelement (20) ein im Querschnitt etwa
kreisförmiger bzw. rohrförmiger Ring ist.
7. Kopplungssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet daß die Abschlußmembrane (18)
nach außen um das andere Wulstelement (22) herum zwischen dem u-förmigen Wulstelement (20) und
dem anderen Wulstelement (22) sowie zwischen zwei Halteringen (50,52) eingeklemmt ist.
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