Im folgenden werden einige Schallfeldplots aus konkreten Messungen gezeigt. Gemessen wurde die geometrische und zeitliche Verteilung des Schalldrucks in Wasser. Dabei wurden die Schallköpfe mit den vom Hersteller dafür vorgesehenen Ultraschall-Geräten verwendet. Die hier vorgestellten Plots stammen aus Messungen, die nach der Norm IEC 1157 durchgeführt wurden.

Die ausgewählten Beispiele sollen zeigen, welche wertvollen Zusatzinformationen für den Hersteller mit Hydrophon-Schallfeldmessungen gewonnen werden können.

Das Schallfeld eines gepulsten, radiären Schwingers

Eine in der A-Bild Diagnostik bzw. A-Bild-Biometrie häufig angewendete Schallkopfart ist ein stark gedämpfter nichtfokussierter 8 MHz-Schallkopf mit 6mm Durchmesser. Eine grobe Abschätzung der Fokuslage erhält man, wenn man die Intensität eines harmonischen Kolbenstrahlers auf der Strahlachse betrachtet:

Das letzte Intensitätsmaximum liegt ungefähr bei der sogenannten Nahfeldlänge

Für typische Augenlängen von 24mm liegt somit das Auge bei der Untersuchung vollständig im Nahfeld des Schallkopfes. In diesem Bereich sind die meisten Strukturen des Schallfeldes zu erwarten.

Das Ergebnis dieser Messung deckt sich mit den theoretisch berechneten Schallfeldern für einen typischen A-Mode-Schallkopf.

Nachfolgend dargestellt ist die maximale Druckdifferenz von Peak zu Peak, normiert auf das Maximum im Gesamtfeld und skaliert in dB.

Man erkennt, daß aufgrund der größeren Bandbreite als beim cw-Schwinger die Interferenzstrukturen erwartungsgemäß weitgehend verschwunden sind. In der obigen Abb. ist die auf das Maximum normierte Amplitude des positiven Spitzendrucks entlang der Symmetrieachse dargestellt. Vergleichende Rechnungen ergaben, daß dieser Wert für eine Charakterisierung des Schallfeldes ebenso geeignet ist wie das als Abschätzung der lokalen Intensität geltende Integral über das Druckquadrat.

Beispiel: Der Einfluß von Elektroden auf das Schallfeld

Unsere Messungen haben wiederholt gezeigt, daß entgegen den bisher üblichen Annahmen die auf das piezoelektrische Material aufgebrachten Elektrodenanschlüsse zu einer Deformation des Schallfeldes im Nahbereich des Schwingers führen.

Dabei wurden lokale Druckeinbrüche sowie in einem Fall sogar eine Verkippung des Schallfeldes gegen die Symmetrieachse des ohne die Elektroden zylindersymmetrischen Systems festgestellt.

Die nachfolgende Abb. zeigt die Asymmetrie im Nahfeld deutlich. Der Einbruch des relativen Druckverlaufs korrespondiert mit der auf dem Piezoelement sichtbaren Elektrodenzuführung. Durch die Elektrode auf der Schwingeroberfläche, die radiär vom Rand bis fast zur Mitte verläuft, fällt der gemessene Schalldruck dort unsymmetrisch um 15dB ab. Die Folge ist das asymmetrische Nahfeld.

Den größten Einfluß besitzen die Elektrodenanschlüsse, wenn sie die Normalkomponente der Schallschnelle vollständig dämpfen. Dies würde bedeuten, daß eine Elektrodenverbindung wie eine Bohrung wirkt, die nun durch ihre exzentrische Position die Zylindersymmetrie bricht. Für diesen Fall wurde vergleichend das Schallfeld eines Schwingers mit den in Standardparametern für radiäre Schwinger (s.o.) und einer bei r₀=(2,0) befindlichen, 'harten' Elektrode mit Radius r_e=0.5mm theoretisch berechnet:

Man erkennt hieran, daß die Elektrode im Nahfeld zu einer erheblichen Deformation führenmuß. Nach etwa der halben Nahfeldlänge entspricht das Schallfeld weitgehend dem ungestörten Feld. Vergleicht man die reale Messung in der obigen Abb. mit den Berechnungen in der Abb. darunter, so bestätigt sich, daß durch die Elektrode im wesentlichen das Nahfeld verändert, aber doch kein Schielen im Fernfeld verursacht wird.

Ein besonders extremes Beispiel einer unsymmetrischen Druckverteilung ist in der nächsten Abb. dargestellt. Es handelt sich wieder um einen Schnitt senkrecht zur Strahlachse dicht vor dem Schallkopf. Der Schallkopf befindet sich mittig zum Diagramm. Man erkennt, daß die Hauptintensität nur noch von einer kleinen Stelle des Schallkopfes abgegeben wird. Da der Schallkopf durch eine Kunststofflinse auf der Oberfläche des Piezos leicht fokussiert war, entsteht lokal vor dieser Stelle durch die Krümmung der Linse eine Prismenwirkung, die eine starke Strahlablenkung bewirkt.

Die Ausmessung der Strahlachse ergab hier eine Verkippung von 7° ± 1° zum Schaft des Schallkopfes:

Dieser Schallkopf ist als defekt bzw. unbrauchbar einzuordnen.

Das Feld im Fokus dieses Schallkopfes ist in der folgenden Abb. dargestellt. Die ovale Verformung läßt sich dadurch erklären, daß die ovale Schnelleverteilung auf der Schallkopfoberfläche zu verschiedenen Fokuslagen für die beiden Hauptachsen führt. Die gemessene Ebene befindet sich zwischen diesen Foki. Die Maximalamplitude ist vermutlich geringer als vorgesehen.Zur Biometrie des Auges werden teilweise Schallköpfe mit einer zentralen Bohrung verwendet, in der ein Fixierlicht angebracht ist. In Abb.7.8 ist der Nahfeldbereich in einem Schnitt entlang der Strahlachse gezeigt. Man erkennt deutlich den Druckabfall vor der Bohrung. Dieser Abfall verschwindet erst nach etwa 5-8mm.

In Abb.7.9 ist das Schallfeld dieses Schallkopfes im Schnitt senkrecht zur Strahlachse im Abstand von ca. 0.7mm vor der Schallkopfoberfläche dargestellt. Hier erkennt man noch deutlicher den Einbruch von > 15dB vor der Bohrung. Die beiden Einbrüche am Rand des Schallkopfs werden durch die Elektroden verursacht, die auf der Schallkopfoberfläche sichtbar sind.

Auch dieser Schallkopf ist durch eine Kunststofflinse auf der Schallkopfoberfläche leicht fokussiert. In der Fokusebene beträgt der gemessene -3dB Bün-del-durchmesser 0.6mm, der -6dB Bündel-durchmesser 0.9mm. Aufgrund des Durchmessers des Hydrophons von 0.4mm findet also eine Integration über die Hydrophonfläche statt, wodurch die Bündeldurchmesser über- und die Druckmaxima unterschätzt werden. Messungen der Phasenfrontkrümmung aus der Laufzeit der Druckmaxima in der Fokusebene ergaben selbst bei leicht fokussierten Schallköpfen eine Phasendifferenz auf der Hydrophonoberfläche von weniger als 0.5 µm, so daß dort nur Amplitudenmittelungen zu erwarten sind.

Zusammenfassung

Am Beispiel eines durchschnittlichen, sehr häufig in der Ultraschalldiagnostik am Auge eingesetzten unfokussierten 8-10-MHz- Schallkopfes mit einem Durchmesser von 5-6 mm läßt sich beispielhaft die Beurteilungsmöglichkeit einer Schallkopf-Gerätekombination auf Ihre diagnostische Eignung zeigen. Im hier ausgewählten Fall lag der Fokusbereich in Wasser mit 34-48 mm bei einer typischen Augenlänge von 24 mm zu weit hinten. Das maximale Auflösungsvermögen eines solchen Schallkopfes wird, falls keine entsprechend lange Vorlaufstrecke verwendet wird, deshalb in der Diagnostik nicht erreicht, sofern keine Fokussierung durch das untersuchte Objekt selbst eintritt. Elektrodenzuführungen auf der Schallkopfoberfläche haben einen signifikanten Einfluß auf das Nahfeld des Schallkopfes. Da z.B. das Auge sich bei diesem Schallkopf immer vollständig im Nahfeld befindet, sind durch die Elektroden Veränderung der Abbildungseigenschaften zu erwarten. Der Vergleich mit den theoretischen Schallfeldberechnungen (R. Lötsch) zeigt, daß diese Effekte im Fernfeld verschwinden; insbesondere ist dort keine seitliche Abweichung des Bündels, das heißt kein "Schielen" des Schallkopf zu erwarten.

Durch Produktionsfehler, eindringendes Wasser oder mechanische Beschädigung, kann es aber vorkommen, daß die Eigenschaften des Schallkopfes nicht mehr den an ihn gestellten Erwartungen entsprechen. Ein eindrucksvolles Beispiel ist, daß besonders bei fokussierten Schallköpfen eine unsymmetrische Anregungsverteilung auf der Schallkopfoberfläche zu großen Schielwinkeln führen kann. Ein solcher Schallkopf ist für die Diagnostik unbrauchbar. Wird dieses Fehlverhalten nicht erkannt, kann sein Einsatz bei der Untersuchung zur Fehldiagnose führen.

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