U10010 Ultraschall-Echoskop und Zubehör

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1 3B SCIENTIFIC PHYSICS U10010 Ultraschall-Echoskop und Zubehör Bedienungsanleitung 6/04 ALF bu bt bs br bq bp bobnbm bl Einsatzpunkt der LAV 2 Anstiegsteilheit der LAV 3 Breite der LAV 4 Schwellwert der LAV 5 Sendeleistung 6 Empfangsverstärkung 7 Netzteil 8 Netzschalter 9 Empfängereinheit bl Sondenanschluss im Refexionsmodus bzw. Empfänger im Transmissionsmodus bm Umschalter Reflexions-/ Transmissionsmodus bn Sondenanschluss Sender im Transmissionsmodus bo Sendereinheit bp Taktgebereinheit (LAV) bq Anschlussbuchsen Oszilloskop br Signalausgang A-Scan (NF-Signal) bs Signalausgang (HF-Signal) bt Signalausgang Triggersignal bu Signalausgang LAV-Rampe Sicherheitshinweise Lesen Sie vor Inbetriebnahme des Ultraschallgerätes und des Zubehörs die folgenden Hinweise zu Ihrer eigenen sowie zur Betriebssicherheit des Gerätes gründlich durch. Die Öffnungsschlitze am Gerät dienen der Ventilation und sollten unbedingt freigehalten werden, um einer Überhitzung des Gerätes vorzubeugen. Es wird empfohlen, die am Gerät vorhandenen Aufstellfüße zu benutzen. Achten Sie darauf, dass die auf dem Gerät angegebenen Spannungswerte und Absicherungen bei der Stromversorgung eingehalten werden. Versuchen Sie niemals, Gegenstände durch die Öffnungen am Gerät einzuführen, da es zu Kurzschlüssen oder Stromschlägen kommen kann. Verwenden Sie zum Anschluss an die Buchsen PRO- BE nur die von der Firma 3B Scientific GmbH mitgelieferten Ultraschallwandler. Vorsicht, am Sendewandler können Spannungsimpulse bis 300 V anliegen. Achtung es handelt sich um ein Laborgerät, kein Medizinprodukt! Die Schallsonden sind nicht an Personen oder anderen Lebewesen anzuwenden. Inhaltverzeichnis 1. Einführung Komponenten Bedienelemente Ultraschall-Echoskop U Ultraschallwandler Ultraschallwandler 1 MHz U Ultraschallwandler 4 MHz U Zubehör Acrylkörper mit Bohrungen U Gerätesatz Longitudinalwellen- und Transversalwellen U Aluminiumplatte mit Winkelskala U Polyoximethylen (POM)-Platte in Probehalter mit Winkelskala U Reflexionsplatte U Alle Rechte sind der 3B Scientific GmbH vorbehalten. Kein Teil dieses Handbuchs darf in irgendeiner Form ohne die Genehmigung der 3B Scientific GmbH reproduziert oder verarbeitet, vervielfältigt oder verbreitet werden. Die 3B Scientific GmbH haftet nicht für Schäden infolge von Fehlgebrauch sowie Reparaturen und Abänderungen, die von dritter, nicht von der 3B Scientific GmbH autorisierter Seite, vorgenommen werden. 1

2 Satz mit 3 Zylindern U Herzklappenmodell U L55/1 Einzelbrustmodell mit gutartigen Tumoren Software Programmbedienung Menüfunktionen Versuchsvorschläge Wellencharakter des Ultraschalls Bestimmung der Frequenz des verwendeten Wandlers Longitudinale Schallgeschwindigkeit in Probenkörpern Schallschwächung in Probekörpern Schallschwächung in Flüssigkeiten Frequenzabhängige Schwächung Laufzeitabhängige Verstärkung (LAV) Frequenzabhängigkeit im Auflösungsvermögen Manuell geführtes B-Bild Time-Motion-Modus (M-Modus) Transmissionskoeffizient und transversale Schallgeschwindigkeit Kombination von B-Bild und A-Scan - Werkstoffprüfung Technische Details Ultraschall-Echoskop U Ultraschallwandler 1 MHz U Ultraschallwandler 4 MHz U Acrylkörper mit Bohrungen U Gerätesatz Longitudinal- und Transversalwellen U Aluminiumplatte mit Winkelskala U Polyoximethylen (POM)-Platte mit Winkelskala U Reflexionsplatte U Satz von 3 Zylinder U Herzklappenmodell U Einzelbrustmodell mit gutartigen Tumoren L55/ Literatur Einführung Die Ultraschallechoskopie (auch Sonographie) hat sich zu einer der wichtigsten Untersuchungsmethoden in der Medizin und der Werkstofftechnik entwickelt. Trotz einer unüberschaubaren Vielzahl von Ultraschallgeräten für die verschiedensten Anwendungen basieren alle auf dem gleichen Grundprinzip des Aussendens einer mechanischen Welle, deren Reflexion und deren Aufzeichnung in einem Echogramm. 2. Komponenten 2.1. Bedienelemente Ultraschall-Echoskop U10010 Bei dem Gerät U10010 handelt es sich um ein Ultraschall-A-Bild-Gerät mit einem Ausgang für reinen Impuls-Echo-Betrieb und einem zusätzlichen Ausgang und Umschalter zum Betrieb von 2 Ultraschallsonden für die Durchschallungsmessung. Das Gerät ist mit paralleler Schnittstelle zum Datentransfer zu einem PC ausgestattet. Zur besseren Verdeutlichung des Geräteprinzips sind die einzelnen Komponenten Empfänger, Sender, laufzeitabhängige Verstärkung (LAV) optisch getrennt. Die Verstärkung des Empfangssignals ist in Stufen von 5 db im Bereich von 0 db bis 35 db einstellbar. Bei der Sendeleistung beträgt die Abstufung 10 db in Stufen von 0 db bis 30 db. Bei der laufzeitabhängigen Verstärkung sind Einsatzpunkt, Anstieg, Schwelle und Breite stufenlos bis zu einer maximalen Verstärkung von 35 db einstellbar. Im Lieferumfang enthalten ist eine Mess- und Steuersoftware für Microsoft Windows (ASH). Mit dieser ist es möglich, Amplitude und Laufzeitunterschiede zu messen. Außerdem erlaubt sie die gleichzeitige Darstellung des HF-Signals und des Amplitudensignals, womit im Unterschied zu herkömmlichen A-Bild Geräten der Wellencharakter des Ultraschalls demonstriert werden kann. In einem weiteren Diagramm wird gleichzeitig zum Messsignal Form und Verlauf der laufzeitabhängigen Verstärkung (LAV) dargestellt. Weitere Softwareoptionen sind: manuell geführtes B- Bild, Time-Motion-Modus, FFT eines ausgewählten Signalbereiches, Zoom-Funktion, Umschaltung zwischen Laufzeit und Messtiefe in Abhängigkeit von der einstellbaren Schallgeschwindigkeit, Messbereichsumschaltung, Datenexport und Druckfunktion, automatische Anzeige des Modus (Durchschallung, Reflexion) Ultraschallwandler Ultraschallwandler 1 MHz U10015 Für Untersuchungen mit großen Eindringtiefen oder hohen Schallleistungen bei geringerer Tiefenauflösung, 16 mm Piezokeramik-Scheibe in vergossenem Metallgehäuse, Schallanpassung an Wasser, ein Kabel mit frequenzkodiertem Snap-In-Stecker Ultraschallwandler 4 MHz U10017 Für Untersuchungen maximaler Tiefenauflösung bei geringerer Eindringtiefe, 16 mm Piezokeramik-Scheibe in vergossenem Metallgehäuse, Schallanpassung an Wasser, 1 m Kabel mit frequenzkodiertem Snap-In-Stecker Zubehör Acrylkörper mit Bohrungen U10027 Zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit und der Dämpfung des Ultraschallsignals in Polyacryl, der Lokalisation von Fehlstellen sowie zur Untersuchung von Abbildungsfehlern, die durch Schallschatten oder Bodenechos auftreten, des frequenzabhängigen Auflösungsvermögens und zur Darstellung des manuellen B-Bildes. Zur Untersuchung des Auflösungsvermögens werden sowohl die 1 MHz-Wandler als auch die 4 MHz- Wandler benötigt. Polierter Polyacrylquader mit verschieden großen Bohrungen zur Simulation von Fehlstellen in unterschiedlichen Abständen von der Oberfläche des Acrylglas-Quaders. 2

3 Gerätesatz Longitudinalwellen- und Transversalwellen U10020 Zur Untersuchung der Ausbreitung von Longitudinalund Transversalwellen (Scherwellen) in Festkörpern sowie zur Bestimmung der elastischen Konstanten (Schermodul, Elastizitätsmodul und Poissonzahl) dieser Probekörper. Weiterhin zur Bestimmung der Ultraschalldämpfung in Flüssigkeiten durch laufzeitabhängige Amplitudenmessung mit verschiebbarem Reflektor. Der Probekörper wird in der mit Wasser gefüllten Schallwanne zunächst senkrecht durchschallt. Es breiten sich im Probekörper nur longitudinale Schallwellen aus, deren Transmissionsamplitude registriert wird. Bei Drehung des Probekörpers sinkt mit zunehmendem Drehwinkel die Amplitude der longitudinalen Schallwellen und es kommt zu einer verstärkten Anregung von Transversalwellen im Festkörper. Diese werden im Amplitudenbild als zweiter Peak sichtbar. Aus dem Winkel der Totalreflexion des longitudinalen Schallwellenanteils kann die longitudinale Schallgeschwindigkeit bestimmt werden. Aus dem Winkel der maximalen Transmissionsamplitude des transversalen Schallwellenanteils lässt sich die transversale Schallgeschwindigkeit bestimmen. Bei weiterer Drehung kann es je nach Größe der transversalen Schallgeschwindigkeit im Verhältnis zur Schallgeschwindigkeit der umgebenden Flüssigkeit auch zu einer Totalreflexion des transversalen Schallanteils kommen. Aus den beiden Schallgeschwindigkeiten lassen sich die elastischen Konstanten (das Schermodul, das Elastizitätsmodul und die Poissonzahl) des Probekörpers berechnen. Als Probeplatten stehen Polyacryl (im Lieferumfang enthalten), Aluminium und Polyoxymethylen (POM) zur Verfügung. Die transversale Schallgeschwindigkeit in Polyacryl ist etwa genau so groß wie die Schallgeschwindigkeit in Wasser, in Aluminium ist sie größer und in POM kleiner als in Wasser. Bestehend aus Schallwanne, Probenplatte aus Polyacryl in Halter mit Winkelskala und 2 Wandlerhalterungen zur Aufnahme der Ultraschallwandler 1 MHz oder 4 MHz zur exakten Positionierung der Wandler an der Schallwanne Aluminiumplatte mit Winkelskala U10022 Zubehör zu Gerätesatz Longitudinal- und Transversalwellen zur Untersuchung der Anregung von Transversalwellen in Metallen sowie zur Bestimmung der elastischen Konstanten, wie Schermodul, Elastizitätsmodul und Poissonzahl von Aluminium; sehr guter Reflektor (großer Reflektionskoeffizient in Wasser) und damit gut messbare Signalamplituden für Dämpfungsmessungen in Flüssigkeiten (z.b. Wasser, Speiseöl, Glycerin) Polyoximethylen (POM)-Platte in Probehalter mit Winkelskala U10023 Zubehör zu Gerätesatz Longitudinal- und Transversalwellen zur Untersuchung der Anregung von Transversalwellen in Kunststoff sowie zur Bestimmung der elastischen Konstanten, wie Schermodul, Elastizitätsmodul und Poissonzahl von POM Reflexionsplatte U10025 Polierte Polyacrylplatte zur Untersuchung von Mehrfachechos und zur Messung der frequenzabhängigen Dämpfung. Für diese Messungen eignet sich insbesondere der 4 MHz-Wandler. Es wird zunächst ein Echobild mit mindestens 3 Echos aufgenommen und das Spektrum der einzelnen Echos analysiert. Als Ergebnis erhält man eine Verschiebung der Mittenfrequenz zu niedrigeren Frequenzen, da die hohen Frequenzanteile des Signals stärker gedämpft werden Satz mit 3 Zylindern U10026 Polierte Polyacrylzylinder zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit und der Dämpfung des Ultraschalls in Acrylglas. Die Messungen können sowohl im Reflexionsbetrieb als auch im Durchschallungsmodus durchgeführt werden Herzklappenmodell U10029 Doppelgefäß mit Gummimembran und Druckregulator zur Demonstration der Herzklappentätigkeit im Time- Motion-Verfahren. Im Versuch wird mit dem Membrangefäß ein ähnliches Bild erzeugt wie von einer Herzklappe eines schlagenden Herzen bei der Echokardiographie in der medizinischen Diagnostik Einzelbrustmodell mit gutartigen Tumoren Nachbildung einer Brust aus Silikon mit simuliertem gutartigen Geschwür zur Demonstration des B-Bild- Modus. 3.Software 3.1. Programmbedienung Nach Programmstart ist das Messsystem sofort aktiv. Die Bedienoberfläche ist in der unteren Abbildung dargestellt. Im oberen Bildschirmbereich werden das A-Bild-Signal, die aktuelle Lage der Marker (senkrechte rote und grüne Linie), die Frequenz des angeschlossenen Empfangsschallwandlers und der aktuelle Modus (Reflexion/Impuls-Echo bzw. Transmission/Durchschallung) angezeigt. Die Marker sind mit Hilfe der Maus positionierbar (bei aktivierter Schiebefunktion wird der Mauszeiger verändert). 3

4 Die Skalierung der Zeitachse (Laufzeitmessung) ist umschaltbar auf Entfernung (Tiefenmessung) [Tasten: Zeit / Tiefe ]. Die zur Berechnung notwendige Angabe der Ausbreitungsgeschwindigkeit kann über den Menüpunkt Einstellungen vorgenommen werden (default: 1000 m/s). Die UP-DOWN-Tastenpaare am linken Bildschirmrand dienen zur Einstellung der Amplitudenauflösung (oben) und Verschiebung der Null-Linie (unten). Die ständige Aktualisierung des A-Bildes kann mit der Stop -Taste angehalten werden (Freeze) und entsprechend mit der Start -Taste wieder aktiviert werden. Nach Stop wird der Button FFT aktiviert. Nach Betätigung wird das Amplituden-Spektrum des mit den Markern eingegrenzten Signalabschnittes (Echo) in einem neuen Fenster angezeigt (siehe untere Abbildung). Gleichzeitig wird eine Messfunktion über den Mauszeiger aktiviert (Fadenkreuz) und Frequenz und Amplitude an der Mausposition angezeigt. Das Formular kann sowohl gedruckt werden (Windows-Standarddrucker), als auch über die Export-Funktion eine Sicherung des Spektrums erfolgen (ASCII-Tabelle). Die Taste Zoom aktiviert die vergrößerte Darstellung eines ausgewählten Tiefenbereichs. Position und Breite des Zoom-Bereiches sind über den Schiebebalken in der Bildschirmmitte mausgesteuert einstellbar. Mit der Taste Voll wird die Zoom-Funktion wieder deaktiviert. Mit der Taste 100 / 200" kann der Messbereich (max. Laufzeit bzw. Tiefe) zwischen 100 µs bzw. 200µs umgeschaltet werden. Die Tasten A [A-Bild], HF [Hochfrequenz-Signal] und All [beide Signale] dienen zur Auswahl der dargestellten Signalform. Im mittleren Bildschirmbereich wird die eingestellte Charakteristik der LAV mit allen Parametern (Einsatzpunkt, Anstieg, Breite, Schwelle) dargestellt. Der untere Bereich des Fensters dient der Statusinformation. Unter anderem sind dort die Laufzeiten bzw. die Tiefe der gewählten Markerpositionen ablesbar. In Gelb wird die Differenz zwischen dem grünen und roten Marker angezeigt. Links unten wird der eingestellte Sendepegel und die aktuelle Grundverstärkung angezeigt. Rechts unten kann die Amplitude der Empfangsspannung an der Position des Mauszeigers abgelesen werden (Mitte des Fadenkreuzes) Menüfunktionen Datei Formular Drucken Druckt das Windows-Fenster (Formular) auf dem Standard-Drucker Export Exportiert die Messwerte als ASCII- Tabelle in einen Textfile (Spalten: Zeit, HF-Daten, A-Bild, TGC), Beenden Ende des Programms Ein- Schallge- Eingabe der Schallgestellung schwindigkeit schwindigkeit zur korrekten Tiefenanzeige (default: 1000 m/s) Schnittstelle Auswahl der LPT- Schnittstelle für Kommunikation mit Steuer-PC Messart Laufzeitmessung Auswahl Zeitachse (default) Tiefenmessung Auswahl Tiefenachse Dar- A-Scan Darstellung des A- stellung Bildes (A-Modus) HF-Daten Darstellung des HF- Signals (Echo) All Anzeige beider Signale (HF-Echo und A-Linie/ Einhüllende) B-Bild Aktiviert Formular zur Aufnahme eines B-Scans (B-Modus-Bild) M-Modus Aktiviert Formular zur Aufnahme eines M-Modus-Bildes 4. Versuchsvorschläge 4.1. Wellencharakter des Ultraschalls Mit Hilfe der Software lässt sich das Signal eines Reflexes der z.b. an der Grenzschicht zwischen einem Polyacrylquader und Luft entsteht, einmal im HF-Modus (Hochfrequenzschwingungen) und im A-Modus (Amplitudenbetrag = Einhüllende des HF-Signals) und in beiden Modi gleichzeitig darstellen. Hiermit kann dem Studenten vermittelt werden, aus welchem Signal das typische A-Bild entsteht. Die unten stehende Abbildung zeigt dazu einen Screen-Shot der Softwareoberfläche. Im oberen Bereich ist das Messsignal zu sehen, im unteren sind die Einstellungen der LAV dargestellt. 4

5 4.3. Longitudinale Schallgeschwindigkeit in Probenkörpern An Probenkörpern verschiedenen Materials wird eine Ultraschallsonde angekoppelt und in Reflektion die Laufzeit zwischen Aussendung des Impulses und Auftreffen des an einer Grenzschicht entstehenden Echos gemessen (siehe Abbildung unten). Aus der Kenntnis der Entfernung s zwischen Wandler und Körpergrenze sowie der gemessenen Laufzeit t lässt sich die longitudinale Schallgeschwindigkeit c L nach s cl = 2 (1) t berechnen Bestimmung der Frequenz des verwendeten Wandlers Mit Hilfe der Zoomfunktion lässt sich aus dem Initialecho des Wandlers oder einem schwach gedämpften Reflex der zeitliche Abstand zwischen zwei Maxima in der Schwingung des Hochfrequenzsignals bestimmen. Dazu werden die Messlinien, wie in der oberen Abbildung dargestellt, auf zwei benachbarte Maxima der Schwingung eingestellt. Die Laufzeitdifferenz ist dann in der Statuszeile abzulesen. Daraus lässt sich die Frequenz der ausgesandten Schallwelle des verwendeten Wandlers ermitteln (in diesem Falle 1/1µs = 1 MHz). Einige Ergebnisse aus Messungen an verschiedenen Materialien und Geometrien sind in der nachfolgenden Tabelle aufgeführt. Material Laufzeit t Ausdehnung s Schallgeschw. c [µs] [µs] [mm] [mm] longitudinal [m/s] [m/s] Polyacryl Stange 1 84,1 0,4 112,9 0, Stange 2 112,5 0,6 151,0 0, Klotz Länge 111,3 0,4 150,0 0, Breite 30,3 0,4 40,2 0, Höhe 59,4 0,4 79,8 0, Literaturwert PVC Klotz Länge 84,9 0,4 98,0 0, Breite 76,8 0,4 87,6 0, Höhe 70,3 0,4 80,7 0, Literaturwert Schallschwächung in Probekörpern Mit Hilfe des Messcursors zur Amplitudenbestimmung im Programm ASH kann die Amplitude A des Rückwandechos an zwei unterschiedlich ausgedehnten Versuchskörpern des gleichen Materials bestimmt werden. Aus diesen Messungen ist durch Benutzung des Schwächungsgesetzes die Berechnung des Schallschwächungskoeffizienten des Materials möglich. Hierbei ist A 1 die zum Körper der Ausdehnung x 1 bestimmte Amplitude und A 2 die zum Körper der Ausdehnung x 2 gehörende. Der Faktor 1/2 in Formel (3) ergibt sich aus dem doppelten Weg des Schalls beim Impuls-Echo-Verfahren und fällt bei Durchschallung (Sender und Empfänger getrennt) weg. A = A 0 e αx (2) und Umstellung nach α 1 α = Ln A 2 2( x 1 x 2 ) A (3) 1 5

6 Es sollte in allen Fällen darauf geachtet werden, dass die Verstärkungseinstellungen möglichst identisch sind, um reproduzierbare Messergebnisse zu erhalten. Daher sollten zwei nicht allzu weit auseinander liegende Dicken gewählt werden. Der Schallschwächungskoeffizient in (3) ist frequenzabhängig. Es sollte daher immer die Messfrequenz mit angegeben werden. Der theoretische frequenzunabhängige Absorptionskoeffizient α 0 ergibt sich nach (4) (υ als Frequenz der Ultraschallwelle): Messungen an Breite und Länge eliminiert sich der Gefäßwandeinfluss) und im Programm eingetragen, können die Entfernungen des Reflektors vom Wandler direkt in der Software (Einstellung Tiefe) abgelesen werden. Die Schallschwächung in Wasser ist zu gering, um im Bereich von 20 cm messbare Amplitudenveränderungen zu erreichen. Das folgende Diagramm zeigt die Messkurve für Messungen an Sonnenblumenöl. α = α ν 2 (4) Allerdings enthält bei den meisten Körpern und Flüssigkeiten der Schwächungskoeffizient einen sehr großen Streuanteil. Da die Streuung vom Verhältnis zwischen Wellenlänge und Streuergröße abhängig ist, kann es zu starken Abweichungen in der Frequenzabhängigkeit der Schwächung von (4) kommen. Bei Vergleichen mit der Literatur ist darauf zu achten, dass die Werte meist in db/cm angegeben sind. Hier ergibt sich der Wert für α aus (3) durch: α [1 / cm] bzw. [Neper / cm] = α[ db / cm] α db / cm Lg() e = [ ] 20 8, Schallschwächung in Flüssigkeiten Bei Messungen in einem Flüssigkeitsbehälter mit einem verschiebbaren Reflektor lässt sich eine Messkurve der Reflektionsamplitude mit mehreren Werten aufnehmen. (5) Hier lässt sich mit einer Verstärkungseinstellung der gesamte Fahrweg zur Messung nutzen. Es ergibt sich für Messungen mit 1 MHz ein Schwächungskoeffizient von etwa 0,5 db/cm, der im Bereich der Literaturwerte von 1 db/cm bei Frequenzen von 1 5 MHz liegt Frequenzabhängige Schwächung Die frequenzabhängige Schwächung kann sehr gut z.b. an einer dünnen Polyacrylplatte (ca. 1 2 cm dick) untersucht werden (siehe Abbildung unten). Mit einem externen Programm kann der Schwächungskoeffizient α dann aus einem Fit einer Exponentialfunktion nach (3) an der Messkurve gewonnen werden bzw. vereinfacht aus einem linearen Fit, wenn man die Funktion (3) nach (6) aufträgt: y = ax Ln A 0 = α 2 ( xi x0) (6) Ai Dabei ist A 0 die Amplitude der dem Wandler am nächsten liegenden Messung. Alle weiteren Messungen (i) werden immer auf diesen Wert bezogen, so dass bei großen Abständen der Messfehler deutlich kleiner wird. Wird vorher die Schallgeschwindigkeit der Flüssigkeit bestimmt (z.b. mit einer Durchschallungsmessung, bei Da sich bei planparallelen Flächen und gerade aufgesetztem Wandler eine Reihe von Mehrfachechos ausbilden, können die einzelnen Echoimpulse mit der im Programm integrierten FFT hinsichtlich ihres Frequenzgehaltes untersucht werden. In der nächsten Abbildung ist das Messsignal an einer dünnen Platte dargestellt. Die darunter stehenden Abbildungen zeigen die dazugehörigen FFT-Analysen. Deutlich sieht man, dass sich mit zunehmendem Laufweg durch die Platte die höheren Frequenzen stärker abschwächen und es somit zu einer Verschiebung der Mittenfrequenz (Frequenzanteil mit höchster Amplitude) kommt. 6

7 4.7. Laufzeitabhängige Verstärkung (LAV) Die in 4.6 verwendete Platte kann auch dazu genutzt werden, die besonders in der Medizin genutzte Funktion der laufzeitabhängigen Verstärkung zu demonstrieren. Dazu können Anstieg, Schwelle und Einsatz der LAV so variiert werden, dass die einzelnen Echos alle gleich groß erscheinen. Dann wird gerade die Schwächung im Material durch die LAV kompensiert. Weiterhin lassen sich durch die Variation von Breite und Einsatz verschiedene tiefer gelegene Bereiche hervorheben und andere unterdrücken. Ein Beispiel dazu zeigt die folgende Abbildung. Die in der oberen Abbildung sichtbare Dämpfung wird durch die in der unteren Abbildung gewählte LAV gerade aufgehoben wird. 7

8 4.8 Frequenzabhängigkeit im Auflösungsvermögen An zwei nahe beieinander gelegenen kleinen Fehlstellen eines speziellen Probekörpers (siehe Abschnitt 4.9.) kann das frequenzabhängige Auflösungsvermögen demonstriert werden. Dazu werden die Fehlstellen mit einer 1 MHz Sonde und einer 4 MHz-Sonde untersucht und die Trennbarkeit der Fehlstellen im Amplitudensignal verglichen. In den folgenden Abbildungen sind die Amplitudensignale beider Messungen abgebildet, An den unterschiedlichen Fehlstellen können der Fokus der Ultraschallsonde, Ortsauflösung und Abbildungsfehler (wie z.b. Schallschatten) dargestellt werden Time-Motion-Modus (M-Modus) Im sogenannten M-Modus können Ultraschallreflexe an bewegten Grenzschichten dargestellt werden. Das wird z.b. in der Echokardiographie zur Untersuchung der Herzklappen benutzt. An dem Herzklappenklappenmodell (U10029) mit einem Blaseball und Gummimembran (siehe nachfolgende Abbildung) kann über die Membranbewegungen die Bewegung der Herzklappen simuliert werden. wobei sich die obere Abbildung aus der Messung mit der 1 MHz Sonde und die untere Abbildung aus der Messung mit der 4 MHz Sonde ergibt Manuell geführtes B-Bild An einem Probekörper mit Fehlstellen lässt sich mit Hilfe des integrierten Softwarefeatures B-Bild die Entstehung eines sogenannten B (Brightness)-Bildes aus den Amplitudensignal demonstrieren. Dazu wird die Ultraschallsonde 1 MHz (U10015) langsam und gleichmäßig über den Probekörper (folgende Abbildung) Mit der dazugehörigen Softwareoption (M-Modus) lassen sich die Bewegungen in zweidimensionaler Darstellung abbilden. geführt und die Software wandelt die Amplituden-Scans in eine zweidimensionale Helligkeitsdarstellung um. 8

9 Das M-Modus-Bild entspricht prinzipiell einem s-t-diagramm, so dass Bewegungsgeschwindigkeiten aus dem Anstieg ermittelt werden können Transmissionskoeffizient und transversale Schallgeschwindigkeit Mit einem Messaufbau (siehe Abbildung: 2 Wandler im Durchschallungsmodus an einem Wasserbecken angekoppelt, im Becken eine definiert drehbare 1 cm starke Platte) kann gezeigt werden, dass bei schrägem Einfall einer Ultraschallwelle aus einer Flüssigkeit auf einen Festkörper in diesem sowohl longitudinale als auch transversale Schallwellen angeregt werden. Da die transversale Schallwelle durch Scherung entsteht und ihre Schallgeschwindigkeit kleiner als die der longitudinalen ist, ergeben sich folgende Bereiche (am Beispiel von Polyacryl): Einfallswinkel 0 : nur Peak der longitudinalen Schallwelle mit möglichen Mehrfachreflexen Kleiner Winkel (<=10 ): Mehrfachreflexe verschwinden, Amplitude wird kleiner Bereich : sowohl Peak von longitudinaler als auch transversaler Welle Bereich >30 : nur noch transversale Welle mit Amplitudenmaxima bei einem Einfallswinkel von etwa 40, bei größeren Winkeln kleiner werdende Amplitude Es kann nun die Amplitude der Transmission oder bei zusätzlicher Messung der Transmission ohne Platte auch der Amplitudentransmissionskoeffizient für die longitudinale und die transversale Schallwelle bestimmt werden (siehe folgendes Diagramm). Da die Transmission der Transversalwelle für einen Durchgangswinkel von 45 durch die Platte am größten ist, lässt sich aus dem Maximum der transversalen Amplitudenkurve der dazugehörende Einfallswinkel Φ bestimmen und damit die transversale Schallgeschwindigkeit nach 1 CT = 2 cf sin() φ berechnen. Hierbei ist c F die Schallgeschwindigkeit im Wasserbad (1480 m/s). Abb. 17 zeigt die Messung an einem Versuchskörper aus 1 cm Polyacryl. Mit dem Amplitudenmaxima bei 40 ergibt sich nach (7) eine transversale Schallgeschwindigkeit von etwa 1600 m/ s. Der Literaturwert liegt bei 1450 m/s. Hier ließe sich mit einer feineren Winkelauflösung sicherlich eine höhere Genauigkeit erzielen. Die Trennung in longitudinale und transversale Amplitude ist auf Grund der Laufzeitunterschiede, bedingt durch die stark unterschiedlichen Schallgeschwindigkeiten, möglich. Bereits bei einer 1 cm starken Platte ist die transversale Welle ausreichend verzögert (siehe nachfolgende Abbildung). Mit Hilfe der transversalen Schallgeschwindigkeit lässt sich der Schermodul (Torsionsmodul) G berechnen: C T = G ρ Aus der longitudinalen Schallgeschwindigkeit lässt sich der Elastizitätsmodul E (Young-Modul) des Probekörpers bestimmen, wenn der Querkontraktionskoeffizient (υ-poisson-zahl) bekannt ist: C L = E 1 υ ρ ( 1+ υ) ( 1 2υ) Für vernachlässigbare Querausdehnung ergibt sich (Stäbe): C L = E ρ (7) (8) (9) (10) Hierbei ist ρ immer die Dichte des Probekörpers 9

10 Aus der Kenntnis von c T und c L lässt sich nach (11) auch die Poisson-Zahl υ bestimmen: CL = CT 21 ( υ) 1 2υ (11) Kombination von B-Bild und A-Scan - Werkstoffprüfung Zur Demonstration der Werkstoffprüfung wird an einem Probekörper mit nicht sichtbaren Fehlstellen ein manuell geführtes B-Bild zur Vororientierung bei der Fehlstellensuche durchgeführt. Dann werden mit Hilfe des A-Scans von zwei Seiten die genauen Koordinaten der Fehlstellen ermittelt und aufgezeichnet. 5. Technische Details 5.1 Ultraschall-Echoskop U10010 Frequenzbereich: 1 MHz bis 5 MHz Messbetrieb: umschaltbar zwischen Impuls- Echo und Durchschallung Sendesignal: Dirac-Impuls (<1µs, 10 V 300 V) Sendeleistung: 0 30 db, in 10 db Schritten Verstärkung: 0-35 db, in 5 db Schritten LAV: kontinuierlich einstellbarer Schwellenwert, Start, Anstieg und zeitliche Länge, maximal 30 db Verstärkung Anschlüsse: TGC-Signal, Trigger, NF-Signal, HF-Signal jeweils über BNC Buchse (Var. Ex) Computeranschluss: über Sub D-25 Buchse an LPT über Schnittstellenkabel (Stecker/Stecker) Abtastrate: 10 MHz pro Kanal Abmessungen: 256 x 257 x 156 mm Netzspannung: 115 V / 230 V umschaltbar Leistungsaufnahme: max. 20 VA 5.2. Ultraschallwandler 1 MHz U10015 Abmessungen: 65 mm x 27 mm 5.3. Ultraschallwandler 4 MHz U10017 Abmessungen: 65 mm x 27 mm 5.4. Acrylkörper mit Bohrungen U10027 Abmessungen: 150 x 80 x 40 mm 5.5 Gerätesatz Longitudinal- und Transversalwellen U10020 Schallwanne: 200x100x60 mm Winkelskala: 360, Teilung 5 Polyacrylplatte: 70 x 45 x 10 mm Abmessungen: 104 x 75 x 50 mm 5.6 Aluminiumplatte mit Winkelskala U10022 Winkelskala: 360, Teilung 5 Aluminiumplatte: 70 x 45 x 50 mm Abmessungen: 104 x 75 x 50 mm 5.7. Polyoximethylen (POM)-Platte mit WinkelskalaU10023 Winkelskala: 360, Teilung 5 POM-Platte: 70 x 45 x 10 mm Abmessungen: 104 x 75 x 50 mm 5.8. Reflexionsplatte U10025 Abmessungen: 80 x 40 x 10 mm 5.9. Satz von 3 Zylinder U10026 Abmessungen: 40 mm x 40 mm 80 mm x 40 mm 120 mm x 40 mm Herzklappenmodell U10029 Abmessungen: 160 mm x 70 mm Einzelbrustmodell mit gutartigen Tumoren L55/1 Brustnachbildung aus Silikongummi mit simuliertem gutartigen Einschluss 6. Literatur Millner, R.: Ultraschalltechnik Grundlagen und Anwendung. Physik-Verlag, 1987 Kuttruff, H.: Physik und Technik des Ultraschalls. S. Hirzel-Verlag Stuttgart, 1988 Krautkrämer, J., Krautkrämer, H.: Werkstoffprüfung mit Ultraschall. Springer Verlag, 1968 Weiterführend: Sutilov, V.A.: Physik des Ultraschalls. Akademie-Verlag, Berlin, 1984 Morse, P.M., Ingard, K.U.: Theoretical Acoustics. McGraw-Hill Book Company, New York, B Scientific GmbH Rudorffweg Hamburg Deutschland 10 Technische Änderungen vorbehalten