DE3437488C2 - - Google Patents
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- G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
- G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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- G10K11/02—Mechanical acoustic impedances; Impedance matching, e.g. by horns; Acoustic resonators
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- Y10S310/00—Electrical generator or motor structure
- Y10S310/80—Piezoelectric polymers, e.g. PVDF
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Schallsender mit einer An
ordnung zur Unterdrückung negativer Schallimpulse.
Schallsender können in bekannter Weise auf vielfältige Art aus
gebildet sein, z. B. als elektroakustische Wandler (elektrody
namischer Wandler, elektromagnetischer Wandler, elektrostati
scher Wandler, piezoelektrischer Wandler, magnetostriktiver
Wandler usw.) oder auf anderen Schallerzeugungsprinzipien ba
sierend, 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 "elektro
akustische Wandler" Bezug genommen, ohne daß hierdurch eine
Einschränkung der Erfindung erfolgen soll.
Bei elektroakustischen Wandlern ist in der Regel nicht zu ver
meiden, daß jeder positiven Impulshalbwelle eine negative Im
pulshalbwelle oder umgekehrt folgt. Es ist nun in vielen Fäl
len 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 Impuls
welle zu unterdrücken, z. B. durch eine starke mechanische oder
elektrische Dämpfung des elektroakustischen Wandlersystems
selbst oder die Nachregelung der Wandlerbewegung durch Rück
führung der gemessenen Ausgangsgröße.
Gegenüber bekannten Lösungen besteht die Aufgabe der Erfindung
darin, bei Schallsendern 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 ge
löst, daß unmittelbar vor dem Schallsender oder in seinem aku
stischen 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 beeinflußbarem Schwellwert aneinanderhaften und bei ne
gativem Schalldruck ein Auseinanderziehen der Folien
erlauben, während positive Schalldrucke infolge des
bestehenden mechanischen Kontaktes der Folien in nahezu unver
änderter Höhe übertragen werden können.
Durch diese Lösung wird die negative Halbwelle jedes Schallim
pulses infolge des zeitlich und räumlich begrenzten Auseinan
derziehens 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.
Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind den
Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Adhäsion und/oder Kohäsion zwischen den Folien einer akusti
schen Diode kann auf vielfache Weise, und zwar je nach Anwen
dungszweck bestimmt werden, z. B. durch Art und Wahl des Folien
materials, durch den Abstand der Folien, durch Erteilung einer
Oberflächenstruktur bzw. Aufrauhung der Folien, durch zwischen
die Folien eingeführte feste, pulverförmige, flüssige oder gas
förmige Stoffe und besonders einfach durch ein Vakuum, welches
auch in der Höhe durch eine Vakuumpumpe einstellbar ist. Schließ
lich ist eine Adhäsion auch durch eine elektrostatische Einwir
kung einstellbar.
Nach einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung bestehen die mindestens zwei erforderlichen
Folien der akustischen Diode, und soweit vorgesehen, auch evtl.
Zwischenlagen, aus Metall oder Kunststoff oder einer Kombina
tion, wobei bei Anwendung von mehr als zwei Folien mindestens
eine Folie vorteilhaft elektrostatische Wandlereigenschaften
aufweisen soll. Die elektroakustische Wandlereigenschaft die
ser Folie bzw. Folien erlaubt einerseits die Messung des Schall
druckes unmittelbar an der akustischen Diode (an der dem Schall
sender zugewandten oder abgewandten Seite, je nach deren Posi
tion in der gesamten Folienanordnung) und andererseits erlaubt
eine Folie mit elektroakustischer Wandlereigenschaft eine (zu
sätzlich zur sowieso bestehenden mechanischen Wirkung der aku
stischen Diode) elektrische Steuerbarkeit der Schalldurchgangs
eigenschaften.
Die Foliendicken sind vorteilhaft kleiner als die Wellenlänge
der vom Schallsender abgestrahlten Schallwelle zu wählen, da
mit bei einer von der Schallkennimpedanz des schallführenden
Mediums abweichenden Schallkennimpedanz der Folien keine nen
nenswerte Durchgangsverluste auftreten.
Bei Anwendung der akustischen Diode kann sie gekrümmt der Schall
wellenfront 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 leich
ten, einstellbaren Unterdruck aufweisen. Die Hüllen bilden ei
nen geschlossenen Raum mit den Folien zur Evakuierung des Rau
mes.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung erläutert.
Es zeigt
Fig. 1 einen piezoelektrischen Wandler zum Zertrümmern
von Steinen in menschlichen Körpern,
Fig. 1a einen Teil der Diode als umkreister Teil der
Fig. 1 in starker Vergrößerung,
Fig. 1b den gleichen vergrößerten Diodenteil in abgeändertem
Aufbau,
Fig. 2 einen gegenüber Fig. 1 vergrößerten Querschnitt
durch die akustische Sonde,
Fig. 3 einen üblichen Schallimpuls eines akustischen Wand
lers,
Fig. 4 den unter Verwendung der Diode nach Fig. 2 abge
wandelten Schallimpuls,
Fig. 5 eine abgeänderte, schematisch dargestellte Diode
mit drei Folien,
Fig. 6, 7 einen üblichen und einen mittels einer akustischen
Diode ausgestrahlten Schallimpuls,
Fig. 8 ein akustischer Diodenaufbau mit Regelung im Sperr
zustand.
In den Fig. 1, 1b, 2, 5, 8 ist die akustische Diode im Zu
stand der Sperrphase dargestellt, während die Fig. 1a die aku
stische Diode im Zustand der Durchlaßphase wiedergegeben ist.
Der Schallsender wird vor allem anhand eines Beispieles nach
Fig. 1 erläutert. In diesem Beispiel handelt es sich um einen piezo
elektrischen Wandler zur Zertrümmerung von Nierensteinen oder
anderen Steinen in menschlichen Körperhöhlen. Dieser Wandler
besteht z. B. entsprechend der Ausführung nach der Patentanmel
dung 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 Ultraschall
wellen mit einem Brennpunkt 3 ausgestrahlt, der in der Praxis
mit dem zu zertrümmernden Stein in Überdeckung 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 abgeschlossen
ist, die also im Strahlengang zwischen der piezoelektrischen
Schicht 2 und dem Brennpunkt 3 liegt.
Die akustische Diode 5 besteht z. B. nach Fig. 1a 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 punktförmi
ger oder auch flächenförmiger Kontakt zwischen den beiden Fo
lien 7, 8 besteht, deren in Fig. 2 mit 10 bezeichneter Zwi
schenraum mit festen, pulverigen, flüssigen oder gasförmigen
Stoffen ausgefüllt werden kann, wodurch eine gewollte Adhäsion
und/oder Kohäsion zwischen den Folien erreicht wird, die unter
halb eines Schwellwertes der negativen Halbwellen der ausge
strahlten Ultraschallimpulse ein Auseinanderziehen der Folien
ermöglichen und dadurch schädliche Auswirkungen dieser negati
ven 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 elektro
statische Einwirkung zu erreichen.
Die normal ohne die akustische Diode 5 ausgestrahlten Ultra
schall-Schwingungen besitzen die Wellenform nach Fig. 3. Durch
die Zwischenschaltung der akustischen Diode 5 in den Strahlen
weg des Wandlers wird die negative Halbwelle entsprechend
Fig. 4 unterdrückt, d. h. die Diode sperrt die negative Halbwel
le 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 (CA 1 bar) bei evakuierten Fo
lienzwischenräumen nicht übersteigen können, also maximal 1 bar
betragen, wenn man die Adhäsionskräfte zu Null annimmt.
Wie Fig. 5 zeigt, ist es auch möglich, die Wirkung der akusti
schen 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 piezoelektri
schen Eigenschaften zu verwenden. Im Fall nach dem Beispiel
Fig. 5 wird die übliche Ultraschallwelle nach Fig. 6 durch
Anwendung der Diode so geändert, daß im Prinzip nur noch die
positive Halbwelle nach Fig. 7 zur Wirkung kommen kann.
In Fig. 8 ist ein Aufbau einer aus den Lagen 12 bis 18 beste
henden akustischen Diode gezeigt, welche mit einer elektrischen
Regelung 20 versehen ist. Zweck dieser Regelung 20 ist, die
Absenkung des Betrages des aus den Fig. 4 und 7 ersichtlichen
Begrenzungswertes. Dies geschieht auf folgende Weise.
Die dem Schallsender zugewandten Folien 12, 13 sind Bestandteil
eines elektrostatischen Druckaufnehmers (Kondensatorempfänger
mit festem Dielektrikum) und liefern über den Eingang 21 eine
druckproportionale Größe an den Regler 20. Dieser hält über
seinen Ausgang 22 so lange gegensinnige Ladungen an den Fo
lienelektroden 14, 16, wie der von den Folien 12, 13 festge
stellte 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 gleich
sinnige 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 Kondensa
torwandlers mit festem Dielektrium zur Messung des Druckes
auf der abgewandten Seiten.
Claims (8)
1. Schallsender mit einer Anordnung zur Unterdrückung negati
ver Schallpulse, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar
vor dem Sender oder in seinem akustischen Signalweg eine
akustische Diode geschaltet ist, die aus mindestens zwei
aneinanderliegenden, am Umfang befestigten Folien (7, 8)
besteht, deren einander zugekehrte Flächen durch Adhäsion
und/oder Kohäsion als beeinflußbarem Schwellwert anein
ander haften und bei negativem Schalldruck ein Auseinanderziehen der Fo
lien (7, 8) erlauben, während positive Schalldrucke infolge des
bestehenden mechanischen Kontaktes der Folien (7, 8) in nahezu
unveränderter Höhe übertragen werden können.
2. Schallsender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Adhäsion und/oder Kohäsion der Folien (7, 8) je nach Anwendungszweck des
Senders durch die Art und die Wahl des Folienmaterials,
durch einen gegen die Schallauslenkungen des schallführen
den Mediums kleinen Folienabstand, durch die Folienober
flächenstruktur, 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 Eigenschaften hat.
4. Schallsender nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Foliendicke der Folien (7, 8) kleiner ist als die Schall
wellenlänge 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 ge
kennzeichnet, daß die Folien der akustischen Diode eine der
Schallwellenfront angepaßte Krümmung besitzen.
7. Schallsender nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge
kennzeichnet, daß mehrere akustische Dioden unter Isolierung
voneinander parallel nebeneinander angeordnet sind und an
den Enden von einer Hülle abgedeckt sind, deren mit Gas ge
füllte Räume einen leichten einstellbaren Unterdruck aufwei
sen.
8. Schallsender nach einem oder mehreren der Ansprüche 1
bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die akustische Diode den Ultraschallaus
gang eines piezoelektrischen Wandlers abschließt, der in
bekannter Weise aus einer piezoelektrischen Schicht (2) aus zy
lindrischen piezokeramischen Körpern besteht, die auf einem
den Ultraschall in einem Brennpunkt konzentrierenden Träger
in Form einer Kugelschale (1) angeordnet ist.
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