DE3437488A1

DE3437488A1 - Schallsender

Info

Publication number: DE3437488A1
Application number: DE3437488A
Authority: DE
Inventors: Rainer Dr.-Ing. 7500 Karlsruhe Riedlinger
Original assignee: Richard Wolf GmbH
Current assignee: Richard Wolf GmbH
Priority date: 1984-10-12
Filing date: 1984-10-12
Publication date: 1986-04-17
Also published as: US4618796A; FR2571635B1; FR2571635A1; DE3437488C2

Description

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Anmelder: Richard Wolf GmbH,

Pforzheimer Straße 24, 7134 Knittlingen

Schallsender

Die Erfindung bezieht sich auf einen Schallsender mit einer Anordnung zur Unterdrückung negativer Schallimpulse.

Schallsender können in bekannter Weise auf vielfältige Art ausgebildet sein, z.B. als elektroakustische Wandler (elektrodynamischer Wandler, elektromagnetischer Wandler, elektrostatischer Wandler, piezoelektrischer Wandler, magnetostriktiver
Wandler usw.) oder auf anderen Schallerzeugungsprinzipien basierend, wie z.B. Explosionssender, hydraulische Schallerzeuger, thermische Schallgeneratoren usw., bei denen nicht unmittelbar elektrische Energie in mechanische Energie umgeformt wird und

deren Wandlereigenschaft in der Regel nicht umkehrbar ist, d.h. daß solche Schallsender in der Regel nicht zugleich auch als Empfänger dienen können.

Zur vereinfachten Beschreibung ist im folgenden auf "elektroakustische Wandler" Bezug genommen, ohne daß hierdurch eine
Einschränkung der Erfindung erfolgen soll.

Bei elektroakustischen Wandlern ist in der Regel nicht zu vermeiden, daß jeder positiven Impulshalbwelle eine negative Im-

pulshalbwelle oder umgekehrt folgt. Es ist nun in vielen Fällen bei Anwendung elektroakustischer Wandler erforderlich, entweder nur mit den positiven oder negativen Wellenteilen der erzeugten akustischen Ultraschallschwingungen zu arbeiten. Es sind verschiedene Methoden bekannt, um die negative Impulswelle zu unterdrücken, z.B. durch eine starke mechanische oder elektrische Dämpfung des elektroakustischen Wandlersystems selbst oder die Nachregelung der Wandlerbewegung durch Rückführung der gemessenen Ausgangsgröße.

Gegenüber bekannten Lösungen besteht die Aufgabe der Erfindung darin, bei elektroakustischen Wandlern auf besonders einfache Weise nur die positiven Halbwellen zur Anwendung zu bringen und die negativen Halbwellen zu unterdrücken.

Diese Aufgabe wird gegenüber den bekannten, einen äußerst hohen Aufwand erfordernden Maßnahmen nach der Erfindung dadurch gelöst, daß unmittelbar vor dem Schallsender oder in seinem akustischen Signalweg eine akustische Diode geschaltet ist, die aus mindestens zwei aneinanderliegenden, am Umfang befestigten Folien besteht, deren einander zugekehrte Flächen durch Adhäsion und/oder Kohäsion als einen beeinflußbaren Schwellwert des negativen Schalldruckes ein Auseinanderziehen der Folien bei Zugbelastung erlauben, während positive Schalldrucke infolge des bestehenden mechanischen Kontaktes der Folien in nahezu unver-

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änderderter Höhe übertragen werden können.

Durch diese Lösung wird die negative Halbwelle jedes Schallimpulses infolge des zeitlich und räumlich begrenzten Auseinanderziehens der Folien mindestens teilweise unterdrückt bzw. gegen den Durchgang durch die Diode gesperrt, und damit können die positiven Halbwellen bzw. unipolaren Impulse mit relativ geringem Aufwand hergestellt und benutzt werden. Die Lösung nach der Erfindung arbeitet auf akustischem Gebiet ähnlich wie eine elektrische Diode und wird daher hier als akustische Diode bezeichnet.

Die Adhäsion und/oder Kohäsion zwischen den Folien einer akustischen Diode kann auf vielfache Weise, und zwar je nach Anwendungszweck bestimmt werden, z.B. durch Art und Wahl des Folienmaterials, durch den Abstand der Folien, durch Erteilung einer Oberflächenstruktur bzw. Aufrauhung der Folien, durch zwischen die Folien eingeführte feste, pulverförmige, flüssige oder gasförmige Stoffe und besonders einfach durch ein Vakuum, welches auch in der Höhe durch eine Vakuumpumpe einstellbar ist. Schließlich ist eine Adhäsion auch durch eine elektrostatische Einwirkung einstellbar.

Nach der Erfindung bestehen die mindestens zwei erforderlichen Folien der akustischen Diode und, soweit vorgesehen, auch evtl.

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Zwischenlagen aus Metall oder Kunststoff oder einer Kombination, wobei bei Anwendung von mehr als zwei Folien mindestens eine Folie vorteilhaft elektrostatische Wandlereigenschaften aufweisen soll. Die elektroakustische Wandlereigenschaft dieser Folie bzw. Folien erlaubt einerseits die Messung des Schalldruckes unmittelbar an der akustischen Diode (an der dem Schallsender zugewandten oder abgewandten Seite, je nach deren Position in der gesamten Folienanordnung) und andererseits erlaubt eine Folie mit elektroakustischer Wandlereigenschaft eine (zusätzlich zur sowieso bestehenden mechanischen Wirkung der akustischen Diode) elektrische Steuerbarkeit der Schalldurchgangseigenschaften .

Die Foliendicken sind vorteilhaft kleiner als die Wellenlänge der vom Schallsender abgestrahlten Schallwelle zu wählen, damit bei einer von der Schallkennimpedanz des schallführenden Mediums abweichenden Schallkennimpedanz der Folien keine nennenswerte Durchgangsverluste auftreten.

Bei Anwendung der akustischen Diode kann sie gekrümmt der Schallwellenfront eines akustischen Wandlers angepaßt werden und es können zur Erhöhung ihrer Wirkung mehrere akustische Dioden unter elektrischer Isolierung (soweit dies schaltungstechnisch erforderlich erscheint) gegeneinander parallel nebeneinander zur Anwendung kommen, wobei die beiden Enden von einer Hülle

abgeschlossen werden, deren mit Gas gefüllte Räume einen leichten, einstellbaren Unterdruck aufweisen. Die Hüllen bilden einen geschlossenen Raum mit den Folien zur Evakuierung des Raumes.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung erläutert, in der Beispiele einer akustischen Sonde nach der Erfindung
dargestellt sind. Es zeigen:

Figur 1 einen piezoelektrischen Wandler zum Zertrümmern

von Steinen in menschlichen Körpern,
Figur la einen Teil der Diode als umkreister Teil der Figur

1 in starker Vergrößerung,

Figur 1b den gleichen vergrößerten Diodenteil in abgeändertem Aufbau,

Figur 2 einen gegenüber Figur 1 vergrößerten Querschnitt

durch die akustische Sonde,

Figur 3 einen üblichen Schallimpuls eines akustischen Wandlers,

Figur 4 den unter Verwendung der Diode nach Figur 2 abgewandelten Schallimpuls,
Figur 5 eine abgeänderte, schematisch dargestellte Diode

mit drei Folien,

Figur 6, 7 einen üblichen und einen mittels einer akustischen Diode ausgestrahlten Schallimpuls,

Figur 8 ein akustischer Diodenaufbau mit Regelung im Sperrzustand.

In den Figuren 1, 1b, 2, 5, 8 ist die akustische Diode im Zustand der Sperrphase dargestellt, während die Figur 1a die akustische Diode im Zustand der Durchlaßphase wiedergegeben ist.

Die Erfindung wird vor allem anhand eines Beispieles nach Figur 1 erläutert. In diesem Beispiel handelt es sich um einen piezoelektrischen Wandler zur Zertrümmerung von Nierensteinen oder anderen Steinen in menschlichen Körperhöhlen. Dieser Wandler besteht z.B. entsprechend der Ausführung nach der Patentanmeldung P 33 19 871.3 aus einer Kugelschale 1 als Träger für eine piezoelektrische Schicht 2 aus piezokeramischen Körpern. Nach Anlegen einer Spannung werden aus diesem Wandler Ultraschallwellen mit einem Brennpunkt 3 ausgestrahlt, der in der Praxis mit dem zu zertrümmernden Stein in Uberdeckung gebracht wird. Der Träger 1 mit piezoelektrischer Schicht 2 bildet mit einem seitlichen Abschluß 4 ein mit Wasser gefülltes Gehäuse, welches von einer akustischen Diode 5 nach der Erfindung abgeschlossen ist, die also im Strahlengang zwischen der piezoelektrischen Schicht 2 und dem Brennpunkt 3 liegt.

Die akustische Diode 5 besteht z.B. nach Figur la aus zwei, auf dem Umfang durch einen Ring 6 dicht eingefaßten Folien 7

und 8, deren Dicke vorteilhaft kleiner ist als die Wellenlänge der vom Wandler ausgestrahlten Schallwelle und die auf ihren Flächen eine Aufrauhung 9 besitzen, durch die ein punktförmiger oder auch flächenförmiger Kontakt zwischen den beiden Folien 7, 8 besteht, deren in Figur 2 mit 10 bezeichneter Zwischenraum mit festen, pulverigen, flüssigen oder gasförmigen Stoffen ausgefüllt werden kann, wodurch eine gewollte Adhäsion und/oder Kohäsion zwischen den Folien erreicht wird, die unterhalb eines Schwellwertes der negativen Halbwellen der ausgestrahlten Ultraschallimpulse ein Auseinanderziehen der Folien ermöglichen und dadurch schädliche Auswirkungen dieser negativen Halbwellen (Kavitationen) verhindern. Es ist auch möglich, die Räume zwischen den beiden Folien neben den oder ohne die vorerwähnten Maßnahmen an ein Vakuum zu legen und besonders vorteilhaft auch an eine Vakuumpumpe anzuschließen, um die Höhe des Vakuums und damit die Sperrwirkung der akustischen Diode einstellen zu können. Es ist auch möglich, unter den Folien, die aus Metall oder Kunststoff bestehen, eine Auswahl je nach den Eigenschaften des Metalles oder des Kunststoffes zu treffen.

Es ist weiter möglich, die gewollte Adhäsion durch eine elektrostatische Einwirkung zu erreichen.

Die normal ohne die akustische Diode 5 ausgestrahlten Ultraschall-Schwingungen besitzen die Wellenform nach Figur 3. Durch die Zwischenschaltung der akustischen Diode 5 in den Strahlen-

weg des Wandlers wird die negative Halbwelle entsprechend Figur 4 unterdrückt, d.h. die Diode sperrt die negative Halbwelle dadurch, daß die Folien 7, 8 (infolge ihrer Adhäsion oder Kohäsion mit einem Schwellwert behaftet) auseinandergezogen werden können, so daß die übertragbaren negativen Schalldrucke den Betrag des Umgebungsdruckes (CA1 bar) bei evakuierten Folienzwischenräumen nicht übersteigen können, also maximal 1 bar betragen, wenn man die Adhäsionskräfte zu Null annimmt.

Wie Figur 5 zeigt, ist es auch möglich, die Wirkung der akustischen Sonde zu verstärken, z.B. durch Verwendung von mehr als zwei Folien, z.B. drei Folien 7, 8, 11, wobei es vorteilhaft ist, eine der Folien, z.B. die mittlere 11, mit piezoelektrischen Eigenschaften zu verwenden. Im Fall nach dem Beispiel Figur 5 wird die übliche Ultraschallwelle nach Figur 6 durch Anwendung der Diode so geändert, daß im Prinzip nur noch die positive Halbwelle nach Figur 7 zur Wirkung kommen kann.

In Figur 8 ist ein Aufbau einer aus den Lagen 12 bis 18 bestehenden akustischen Diode gezeigt, welche mit einer elektrischen Regelung 20 versehen ist. Zweck dieser Regelung 20 ist, die Absenkung des Betrages des aus den Figuren 4 und 7 ersichtlichen Begrenzungswertes. Dies geschieht auf folgende Weise.

Die dem Schallsender zugewandten Folien 12, 13 sind Bestandteil

eines elektrostatischen Druckaufnehmers (Kondensatorempfanger mit festem Dielektrikum) und liefern über den Eingang 21 eine druckproportionale Größe an den Regler 20. Dieser hält über seinen Ausgans 22 so lange gegensinnige Ladungen an den Folienelektroden 14, 16, wie der von den Folien 12, 13 festgestellte Druck positiv ist. Beim Entstehen negativen Druckes an der Folie 12 wird über die Eingänge 21 dem Regler eine Eingangsgröße zugeführt, welche über dessen Ausgang 22 gleichsinnige Ladungen auf die Folienelektroden 14, 17 bringt und somit in einstellbarer Höhe den Häsionskräften zwischen 14, 15, 16 entgegenwirkt und die mechanische Trennung der Folien 14, 16 (ggf. 15) unterstützt. Die Folie 15 ist eine elektrisch isolierende, nach Material und Oberflächenbeschaffenheit als geeignet ausgesuchte Zwischenlage, z.B. eine Teflon-Schälfolie Die Folien 17, 18 sind Bestandteile eines weiteren Kondensatorwandlers mit festem Dielektrikum zur Messung des Druckes auf der abgewandten Seite.

Claims

entfinv. alte
Dr, Hugo VVilcken

Dipl.-lng. Thomas WÜcken ,, , -Γ/ Λ Χ Κ

Mu?r?rbfihn 1 · 2400 Lüb-ck 1 O H O / H O α

Anmelder: Richard Wolf GmbH,

Pforzheimer Straße 24, 7134 Knittlingen

Ansprüche

. Schallsender mit einer Anordnung zur Unterdrückung negativer Schallpulse, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar vor dem Sender oder in seinem akustischen Signalweg eine akustische Sonde geschaltet ist, die aus mindestens zwei aneinanderliegenden, am Umfang befestigten Folien (7, 8) besteht, deren einander zugekehrte Flächen durch Adhäsion und/oder Kohäsion als einen beeinflußbaren Schwellwert des negativen Schalldruckes ein Auseinanderziehen der Folien erlauben, während positive Schalldrucke infolge des bestehenden mechanischen Kontaktes der Folien in nahezu unveränderter Höhe übertragen werden können.
2. Schallsender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Adhäsion und/oder Kohäsion je nach Anwendungszweck des Senders durch die Art und die Wahl des Folienmaterials, durch einen gegen die Schallauslenkungen des schallführenden Mediums kleinen Folienabstand, durch die Folienoberflächenstruktur, durch eingeführte feste, flüssige oder gasförmige Stoffe, durch Vakuum oder durch elektrostatische Einwirkung bestimmbar ist.
3. Schallsender nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Folien (7, 8) aus Metall oder Kunststoff bestehen und bei Vorsehen von mehr als zwei Folien mindestens eine piezoelektrische Eigenschaft hat.
4. Schallsender nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Foliendicke kleiner ist als die Schallwellenlänge des Wandlers.
5. Schallsender nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der statische Druck zwischen den Folien (7, 8) durch eine anschließbare Vakuumpumpe einstellbar ist.
6. Schallsender nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Folien der akustischen Diode eine der Schallwellenfront angepaßte Krümmung besitzen.
7. Schallsender nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere akustische Dioden unter Isolierung 0 voneinander parallel nebeneinander angeordnet sind und an

den Enden von einer Hülle abgedeckt sind, deren mit Gas gefüllte Räume einen leichten einstellbaren Unterdruck aufweisen.
8. Akustische Diode nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie den Ultraschallaus-

gang eines piezoelektrischen Wandlers abschließt, der in
bekannter Weise aus einer piezoelektrischen Schicht aus zylindrischen piezokeramischen Körpern besteht, die auf einem den Ultraschall in einem Brennpunkt konzentrierenden Träger in Form einer Kugelschale angeordnet ist.