DE3510341A1 - Schallsender zur erzeugung akustischer impulse - Google Patents

Schallsender zur erzeugung akustischer impulse

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DE3510341A1
DE3510341A1 DE19853510341 DE3510341A DE3510341A1 DE 3510341 A1 DE3510341 A1 DE 3510341A1 DE 19853510341 DE19853510341 DE 19853510341 DE 3510341 A DE3510341 A DE 3510341A DE 3510341 A1 DE3510341 A1 DE 3510341A1
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    • G—PHYSICS
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    • G01V1/38—Seismology; Seismic or acoustic prospecting or detecting specially adapted for water-covered areas
    • G01V1/387—Reducing secondary bubble pulse, i.e. reducing the detected signals resulting from the generation and release of gas bubbles after the primary explosion

Description

Anmelder: Richard Wolf GmbH,
Pforzheimer Straße 24, 7134 Knittlingen
Schallsender zur Erzeugung akustischer Impulse
Die Erfindung betrifft einen Schallsender zur Erzeugung transienter akustischer Impulse mit einer räumlich gekrümmten, fokussierenden Strahlerfläche, die durch die Fläche eines einzelnen aktiven oder passiven Strahlers oder durch die Flächen mehrerer in ihrer Laufzeit und Amplitude abgeglichener Strahler dargestellt wird, wobei die im Fokusbereich auftretenden Impulse durch einen im wesentlichen unipolaren, zeitlich begrenzten Druck- und/oder Schnelleverlauf an der Strahlerfläche entstehen.
Ideal fokussierende Strahlerflächen, wie z.B, aktiv strahlende Kugelkalotten, sphärische Flüssigkeitslinsen oder Ellipsoide als passive Reflektoren t sind nicht zur Erzeugung von unipolaren Impulsen, also Impulsen mit nur einer Überdruck- oder Unterdruckphase, geeignet, da in der Praxis eine sprunghaft in das zu beschallende Medium hinein erzwungene Strahlerauslenkung im Sinne eines rein positiven Druckstoßes an der Strahlerfläche bewirken wird, daß einem positiven Druckstoß immer ein negativer Druckstoß folgt. Dies gilt für den technisch stets gegebenen Fall, daß die Abmessungen der Strah-
■-■' 3610341
- 7 1erflache endlich sind.
Weiterhin geht man beim Entwurf von fokussierenden Strahlern auch von der Annahme aus, daß der Schalldruck und die Schallschnelle im Fokus maximal sind und den Druck- und Schnelleverhältnissen an der Strahlerfläche entsprechen werden. Dies ist auch richtig, solange man mit periodischen Signalen arbeitet. Wenn aber die Signale nicht periodisch sind, gilt die vorerwähnte Annahme nicht mehr. Beispielsweise erzeugt ein mit einem unipolaren positiven Diracstoß beaufschlagtet Kugelkalottenstrahler in seinem Fokus einen bipolaren Doppel-Diracstoß.
Es gibt eine Reihe von Anwendungsgebieten, bei denen ein unipolarer oder wenigstens weitgehend unipolarer Druckimpuls im Fokus erwünscht ist. Dies gilt etwa in der Medizintechnik für die berührungslose Zertrümmerung von Nierensteinen, bei der negative Drücke zu Kavitationen und somit zu Schädigungen des Körpergewebes führen können. Weitere Anwendungsgebiete für unipolare Impulse sind beispielsweise auch die Meßtechnik, Materialprüfung und Materialbearbeitung.
Es soll mit der Erfindung eine Strahlerfläche vorgeschlagen werden, die einen Impuls an der Strahlerfläche in einen mögliehst hohen Impuls einer Polarität im Fokus transfor-
■*-*· ν r
-βίαζε^, während die Amplitude des zwangsläufig entstehenden Impulses der anderen Polarität im Fokus möglichst niedrig sein soll.
In der Literatur findet man einige Hinweise und Arbeiten, die sich mit der Erzeugung unipolarer Schallimpulse am Strahler selbst oder .im Strahlungsfeld befassen. Allerdings gibt es bisher keine Lösung für die der Erfindung zugrundeliegende Erzeugung unipolarer Schallimpulse im Strahlungsfeld von fokussierenden Wandlern.
Theoretisch ist dieses Problem dann lösbar, wenn man an der Strahleroberflache einen Schnellesprung annimmt. Dies führt allerdings nicht zu einer praktikablen und technisch realisierbaren Lösung, da sich in diesem Fall die in Bewegung gesetzte Strahlerfläche stetig weiterbewegen, also die Auslenkung der Strahlerfläche ins Unendliche gehen müßte.
Eine technisch mögliche Lösung wird daher nur- in einem Schneileverlauf bestehen können, dessen Zeitintegral endlich ist, woraus eine ebenfalls endliche Strahlerausienkung folgt. Da aber mit einem Vorzeichenwechsel der Schnelle schon an der Strahlerfläche selbst eine negative Schalldruckphase erzeugt wird, ist es unter anderem erforderlich, den Schnelleverlauf der Strahlerfläche unipolar zu gestalten. Allerdings ist ein
unipolarer Schnelleverlauf an der Strahlerfläche bei einem Strahler mit endlichen Abmessungen noch keine hinreichende Bedingung, wie nachfolgend gezeigt wird.
Hierzu wird zunächst die Erzeugung überwiegend unipolarer Druckimpulse im Fernfeld am einfachen Beispiel eines ebenen Kreiskolbenstrahlers betrachtet, der sich in einer harten und unendlichen Schallwand befindet. Zur Bestimmung des sich in der Zeit t ändernden Druckes ρ (t) dient der bekannte Zu-
sammenhang ρ (t) = P — , wobei P die Dichte des be-
° dt
schallten Mediums und 0 das Geschwindigkeitspotential ist,
welches sich aus dem Rayleigh- Integral
-* 1 rr 1
Cr, t) = — \\ v^ (S) -^5-
2 Tf JJ t) R
0 Cr, t) = — \\ v^ (S) -^5- ν (t- ——) dS
berechnen, läßt. Dabei ist r der den Aufpunkt im Feld beschreibende Ortsvektqrt an dem der Zeitverlauf des Potentials 0 entsteht, vg* ist die Schnelleverteilung auf dem Strahler mit der Strahlerfläche S, wobei v/r = const, für den Fall einer ebenen starren Kolbenfläche gilt, R ist der Radius von einem Strahlerflächenelement dS zum Aufpunkt, ν (t) ist der Zeitverlauf der Schnelle an der Strahlerfläche, und c ist die Schallgeschwindigkeit des Übertragungsmediums.
Ein positiver Schnelleimpuls an der Strahlerfläche des hier als Beispiel betrachteten Kreiskolbenstrahlers liefert be-
kanntiich für einen Aufpunkt auf der Achse im Fernfeld einen positiven rechteckförmigen Zeitverlauf des Geschwindigkeitspotentials, aus dessen Differentiation nach der Zeit sich ein das Vorzeichen wechselnder Druckdoppelimpuls ergibt.Dabei nimmt die Dauer des Potential-Zeitverlaufes mit zunehmender Entfernung des Aufpunktes vom Strahler ab, so daß sich 0 (t) einem Stoßvorgang annähert. Dies bedeutet, daß dann der Druck ρ (t) aus einem positiven und einem unmittelbar danach folgenden gleichgroßen negativen Impuls besteht.
Für einen ebenen Strahler kennt man Möglichkeiten, den Druckverlauf für Aufpunkte, die in endlicher Entfernung vor dem Strahler liegen, vorwiegend unipolar zu gestalten. Dies kann durch eine bestimmte Amplitudenverteilung der Schnelle an der Strahleroberfläche geschehen, wie z.B. eine Gauß-, Linear-, Parabol- oder Sinus-Verteilung. Hierdurch will man vor allem bestimmte Richtcharakteristiken und auch eine Verminderung des negativen Schalldruckanteiles bei einer Anregung des Strahlers mit positiven Schallimpulsen erreichen. Bei fokussierenden Strahlern sind die erwähnten Maßnahmen zur Erzeugung eines unipolaren Druckimpulses im Fokus allerdings wirkungslos.
Um nun der gestellten Aufgabe entsprechend mit fokussierenden Strahlern einen im wesentlichen unipolaren Impuls im Fokus erzeugen zu können, wird der eingangs erwähnte Schall-
sender nach der Erfindung so ausgebildet, daß die Strahlerfläche derart in definierter Weise von einer ideal fokussierenden Strahlerfläche abweicht, daß infolge der durch die Flächenabweichung bedingten Amplituden- und Laufzeitunterschiede im Bereich des Fokus der zeitliche Anstieg und Abfall des durch das Rayleigh- Integral berechenbare Geschwindigkeitspotentials 0 (t) im Fokusbereich unterschiedlich schnell sind und daß der aus dem nahezu unipolaren Verlauf des Geschwindigkeitspotentials durch Ableitung nach der Zeit bestimmte bipolare Druckverlauf ρ (t) am Anfang oder Ende einen kurzen Impuls hoher Amplitude aufweist, dem ein längerer Impuls niedrigerer Amplitude folgt bzw. vorangeht.
Die Strahlerfläche kann also durch Raumtransformation einer endlichen und nicht ebenen Strahlerfläche konstruiert werden, welche mit einem Schnellesprung bzw. mit einem Schnelleimpuls an einem Punkt im Fernfeld einen im wesentlichen unipolaren Druckimpuls erzeugt, wobei die Raumtransformation eine ebene Kreisfläche in eine Kugelkalottenfläche und den auf der Achse im Fernfeld liegenden Punkt in das Kugelkalottenzentrum transformiert und wobei die Symmetrieachsen ineinander übergehen.
Dabei kann die Strahlerfläche so von einer Kugelflächen- bzw. Kugelkalottenform abweichen, daß die räumliche Ableitung der
. sphärischen Projektion der Strahlerfläche auf den Fokus dieselbe Funktion ergibt, welche auch aus der räumlichen Ableitung der ebenen Projektion eines nicht fokussierenden, im Fernfeld einen im wesentlichen unipolaren Impuls erzeugenden Strahlers auf eine Ebene entsteht.
Von besonderer Bedeutung ist es, daß sich das langsamer verlaufende Geschwindigkeitspotential im Fokus der erfindungsgemäßen Strahlerfläche linear ändert bzw. das Geschwindig- -Q keitspotential einer linearen Funktion gehorcht, weil dann der entstehende Druck bei Abnahme von 0 auf 0 = 0 oder
max
bei Zunahme von 0 = 0 auf 0 den minimal möglichen Betrag
IUcIX
ρ . einhält, während sonst von jeder anders als linear verlaufenden Funktion 0 (t) zeitweise Drücke |p|^· Jp ■ j erzeugt werden.
Strahlerflächen von Schallsendern, die speziell eine Sprungfunktion erzeugen, können so konstruiert werden, daß die räumliche Ableitung der sphärischen Projektion der Strahlerfläche auf den Fokuspunkt dieselbe Funktion ergibt, welche wahlweise entsteht aus der räumlichen Ableitung der Projektion
a. eines mit seiner Achse senkrecht auf der Projektionsfläche stehenden Paraboloids, Kegels oder Kugelabschnittes,
b. eines H/4 langen Sinusrotationskörpers, dessen Achse die
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Abszisse der Sinusfunktion bildet und senkrecht auf der Projektionsfläche steht oder
c. eines mit seiner Achse senkrecht auf der Projektionsebene stehenden Expotentialrotationskorpers mit der Querschnittsfläche S(x) = SQ . E x
auf eine Ebene.
Eine spezielle Konstruktionsregel für eine eine Sprungfunktion erzeugende Strahlerfläche besteht darin, daß die gedankliche zeitliche Zunahme oder Abnahme derjenigen Schattenfläche unterschiedlich schnell erfolgt, welche von der Strahlerfläche dann auf eine gedachte unveränderliche Kugelfläche, deren Mittelpunkt im Fokus liegt und zugleich Sitz einer gedachten Projektionspunktlichtquelle darstellt, während der Durchdringungszeit der beiden Flächen projiziert wird, wobei die Strahlerfläche einer gedachten gleichförmigen und nur radialen sphärischen Schrumpfung in Richtung des Fokus unterworfen ist.
Strahlerflächen, mit denen speziell eine Impulsfunktion erzeugt werden kann, können dagegen so konstruiert sein, daß sich beim Schnitt der Strahlerfläche mit einer gedachten, mit zeitlich linear zunehmenden Radius expandierenden Kugelfläche, deren Mittelpunkt im Fokus liegt, eine unterschiedlich schnell verlaufende einmalige Zu- oder Abnahme der entstehenden Schnittlinienlänge ergibt.Andererseits kann die Konstruktion der
eine Impulsfunktion erzeugenden Strahlerfläche auch so erfolgt sein, daß die räumliche Ableitung der sphärischen Projektion der Strahlerfläche auf den Fokuspunkt dieselbe Funktion ergibt, welche aus der räumlichen Ableitung der Projektion einer Hyperboloidfläche, vorzugsweise einer Kugelfläche oder eine Kegelfläche, deren Achse senkrecht zur Projektionsfläche steht, auf eine Ebene entsteht.
Im Prinzip beruhen diese angegebenen Lösungen auf der Uberlegung, daß man zunächst die an sich bekannten Erkenntnisse über das transiente Verhalten des Druckes im Fernfeld eines endlichen ebenen Strahlers auf das transiente Verhalten des Druckes im Fokus eines sphärischen Strahlers, z.B. einer sphärischen Kalotte, transformiert und nachfolgend eine definiert nicht ebene endliehe Strahlerfläche in eine definiert nicht sphärische Strahlerfläche transfejpmiert. Nachfolgend sollen einige praktische Konstruktionsmethoden vorgestellt werden,. Dabei geht es zunächst um einerseits sphärisch und andererseits kegelflächig von einer ideal foku ssier enden Strahlerfläche, wie z.B. einer Kugelfläche, abweichende Raumflächen, die also nicht mehr ideal fokussierende Strahlerflächen sein werden.
Es wird beispielsweise von Rotationskörpern ausgegangen, deren im axialen Fernfeld theoretisch erzeugter Druck sägezahnförmig verläuft, wenn diese Rotationskörper einem theoretisehen Schnellesprung in axialer Richtung ausgesetzt werden.
Solche Rotationskörper sind unter anderem Halbkugeln oder senkrechte Kreiskegel. Der im Fernfeld erzeugte maximale Druck ist dabei der größten Querschnittsfläche dieser Rotationskörper proportional.
5
Man schneidet gedanklich den konkaven oder konvexen Rotationskörper senkrecht zu seiner Achse in differentiell kleine Scheiben mit den Querschnittsflächen A., projiziert diese nacheinander auf eine senkrecht auf der Achse stehende Ebene und erhält daraus eine Funktion A. (t.). Hierbei ist die Zeit t. zwischen Null und L/c anzunehmen, wobei L die axiale Länge des Rotationskörpers und cQdie Schallgeschwindigkeit des umgebenden Mediums ist.
Die Funktion A. (t.) wird dann derart sphärisch auf eine gedachte Kugelkalotte mit dem Radius R projiziert, daß für t. = 0 gerade der Zenit der Kugelkalotte berührt wird und daß für t = L/cQgerade der Kalottenrand von der Projektion getroffen wird. Hierdurch wird nach einer noch erforderlichen 1/R-Korrektur eine Raumfläche bzw. Strahlerfläche beschrieben, welche im Fokus der gedachten Kalotte, also im nicht idealen Fokuspunkt der erfindungsgemäßen Strahlerfläche, den gleichen Druckverlauf bei einem theoretischen Schnellesprung erzeugt, wie er auch von dem zur Konstruktion der Strahlerfläche benutzten Rotationskörper ih einem Aufpunkt im Fernfeld erzeugt worden wäre.Im
Prinzip wurden also, wie bereits erwähnt, die vorhandenen Kenntnisse über das transiente Verhalten des Druckes im Fernfeld eines von der ebenen Form definiert abweichenden endlichen Strahlers auf das transiente Verhalten des Drukkes im Fokus eines von der sphärischen Kalotte definiert abweichenden fokussierenden Strahlers transformiert. Dies bedeutet auch, daß der im Unendlichen befindliche Aufpunkt auf der Achse eines ebenen KreisStrahlers in den Fokus eines kreisberandeten Kalottenstrahlers und die ebene Kreisfläche in die Kalottenfläche sphärisch transformiert wird. Dies bedeutet aber zugleich auch, daß die in zahlreichen Patenten und sonstigen Druckschriften erwähnten ideal fokussierenden Strahlerflächen, wie Kugel-, Ellipsoid- und Parabolflachen oder deren Äquivalente, die denkbar schlechtesten Eigenschaften zur Erzeugung unipolarer Schalldruckimpulse besitzen.
Wenn nun die so gefundene Strahlerfläche derart angeregt wird, daß an ihr ein Schneilesprung entsteht, so ergibt sich im Fokus nunmehr ein Druck ρ (t), welcher der zeitlichen Ableitung des im betrachteten Beispiel nichtlinear mit quadratischen Funktionen zunehmenden Verlaufes von A. (t.) entspricht. Hier wird also für das Beispiel der Halbkugelhilfsfläche ein sehr steiler positiver Druckanstieg auf eine hohe Amplitude auftreten, dem ein länger dauernder, linearer Druckabfall folgt.
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Für das Beispiel der Kreiskegelhilfsflache wird ein langsamer linearer Anstieg des Druckes auftreten, welcher nahezu schlagartig auf Null geht. Wird im betrachteten Beispiel die so gefundene Strahlerfläche derart angeregt, daß an ihr ein Schnellesprung auftritt, so entsteht im Fokus nunmehr ein Druck ρ (t), welcher der zeitlichen Ableitung des Verlaufes von ρ (t) bei Sprunganregung und der zweiten zeitlichen Ableitung von A. (t.) entspricht. Hier wird also ein positiver Druckstoß von hoher Amplitude auftreten, dem ein länger dauernder wesentlich kleinerer konstanter Unterdruckverlauf folgt (Kugelhilfsfläche). Zeitlich und vorzeichenmäßig umgekehrte Verhältnisse treten bei einer Kegelhilfsfläche auf.
Verhältnisse, bei denen zunächst ein niedriger Unterdruckverlauf und dann ein hoher positiver Druckstoß auftreten, oder Verhältnisse, bei denen zunächst ein hoher Unterdruckstoß und dann ein niedriger positiver Druckverlauf auftreten, ergeben sich also entsprechend aus einer antipolaren Anregung der Schnelle an der Strahlerfläche.
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Durch eine entsprechend andere Anordnung der zur Konstruktion verwendeten Flächen, beispielsweise ein inverser Kegel statt eines Kegels, lassen sich sowohl die zeitliche Folge als auch die Polarität des hohen kurzzeitigen Schallimpulses festlegen. Im betrachteten Vergleichsbeispiel entsteht bei Schnelle-
3BTQ341
sprunganregung ein positiv unipolarer Sägezahnimpuls mit steiler Anfangsflanke statt steiler Endflanke, bei Schnelleimpulsanregung ein hoher positiver Stoß, gefolgt von einem kleinen langdauernden negativen Druck statt eines kleinen langdauernden positiven Druckverlaufes, welcher von einem hohen negativen Druckstoß beendet wird.
Im übrigen kann in entsprechender Weise eine Strahlerfläche konstruiert werden, wenn man anstelle eines Kegels oder einer Kugelkalotte als — —
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Konstruktionshilfsmittel beispielsweise ein Paraboloid verwendet,dessen Achse senkrecht auf der Projektionsfläche steht. Andere Konstruktxonsmöglichkeiten unter Verwendung von Sinusrotationskörpern oder Exponentialsrotationskörpern wurden schon vorher erwähnt.
Eine geeignete Lösung für eine einen Schnelleimpuls erzeugende Strahlerfläche ergibt sich auch aus einer gemäß der vorgenannten Konstruktionsmethode auf der Basis eines Hyperboloids transformierte Abweichung von einer gedachten Kugelkalottenfläche. Hierbei wird im Fokus ein Druckverlauf erzeugt, der mit einem kleinen Impuls beginnt, von einer länger dauernden Druckphase gleicher Polarität gefolgt wird und mit einem sehr hohen, kurzzeitigen antipolaren Impuls beendet wird. Wenn die Spitze des erzeugenden Hyperboloids außerdem noch durch einen knickfreien übergang zu einem Kegel ersetzt wird, läßt sich der kleine Anfangsimpuls reduzieren.
Es gibt natürlich auch Strahlerflächen, die bei Beaufschlagung mit einem Schnelleimpuls nicht zur Erzeugung von vorwiegend unipolaren Impulsen geeignet erscheinen. Hierzu werden die auf der Basis eines Paraboloids oder eines Exponentialrotationskörpers entworfene Strahlerflächen gehören, die deshalb nur bei Anregung von SchneiIeSprüngen an ihren Oberflächen eingesetzt werden können.
Die Figur 1 zeigt eine Strahlerfläche 1 nach der Erfindung, die auf vorher beschriebene Weise auf der Basis der spärischen Projektion einer Kegelprojektionsfläche konstruiert werden kann und definiert von der Strahlerfläche 2 abweicht, die ideal auf dem Brennpunkt 4 fokussiert.
Die in Figur 2 dargestellte Strahlerfläche 3 kann auf der Grundlage der sphärischen Projektion einer Kugel- oder Kegelprojektionsfläche konstruiert werden und weicht der Darstellung entsprechend von der ideal auf den Brennpunkt 4 fokussierenden Kugelfläche 2 ab.
Die vier in Figur 3 gezeigten Strahlerflächen 5, 6, 7 und 8 weichen so von der ideal fokussierenden Strahlerfläche bzw. Kugelfläche 2 ab, daß bei einer Anregung mit einem Schnelleimpuls in Richtung auf den Fokus 4 dort ein langsamer Anstieg und ein schneller Abfall des Geschwindigkeitspotentials 0 (t) erzielt wird. In ihrer Wirkung werden die Strahlerflächen 5 und 6 einerseits und 7 und 8 andererseits jeweils gleich sein, wobei aber die Strahlerflächen 5 und 6 niedrigere Drücke im Fokus 4 als die Flächen 7 und 8 erzeugen werden. Im Prinzip kann man also mit unterschiedlichen Bauformen der Strahlerflächen auch gleiche Ergebnisse erreichen.
Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 4 sind stufenförmige Strah-
lerflachen 9, 10, 11 und 12 gewählt worden, die in ihrem Aufbau und ihrer Wirkung im wesentlichen den Strahlerflächen 5 bis 8 nach Figur 3 angenähert sind. Die zulässige Höhe der Stufen ist dabei proportional zur Dauer des gewünschten und im wesentlichen unipolaren Impulses im Bereich des Fokus 4, auf den die als Konstruktionshilfe benutzte Kugelfläche 2 ideal fokussiert wird.
In der Figur 5 sind zeitliche Potentxalverläufe 0_ und jeweils daneben die zugehörigen Druckverläufe ρ _, im Bereich des Fokus für die in den Figuren 1 bis 4 angegebenen, in Richtung auf den Fokus 4 mit einem Schnelleimpuls beaufschlagten bzw. einen solchen Impuls abgebenden Strahlerflächen dargestellt. Dabei zeigt die Figur 5a die genannten Verläufe für den ideal fokussierenden Strahler 2 oder für dessen technisches Äquivalent. Man erkennt, daß ein bipolarer Druckimpuls entsteht.
Die zeitlichen Verläufe nach den Figuren 5b bis f gelten für erfxndungsgemäße, nicht ideal fokussierende Strahlerflächen, wobei ersichtlich ist, daß überwiegend unipolare Druckimpulse im Fokusbereich auftreten. Die Figur 5b betrifft die Zeitverläufe des Potentials und Druckes für die Strahlerflächen 1, 5 und 6. Im übrigen gelten für die Strahlerfläche 3 die Verläufe gemäß Figur 5c, für die Strahlerflächen 7 und 8 die Verläufe nach Figur 5d, für die Strahlerflächen 9 und 10 die Verläufe
gemäß Figur 5e und schließlich für die Strahlerflachen 11 und 12 die Verläufe nach Figur 5f.
In Figur 6 wird gezeigt, wie erfindungsgemäße Strahlerflächen 13 und 14 in definierter Weise von der ideal auf den Brennpunkt 4 fokussierenden Fläche eines Parabolreflektors 15 abweichen. Es ist auch aus dieser Darstellung ersichtlich, daß der Reflektor 15 zusammen mit der eben einfallenden Schallwelle 16 das Strahlerflächenäquivalent zur Kugelkalotte 2 mit.einer konzentrischen Kugelwelle 17 ist. Aus zeichnerischen Gründen wurden die Strahlerflächen bzw. Spiegelquellen 2 und 5 radial nach links versetzt dargestellt. Im übrigen ist auf dieser Darstellung auch die Konstruktion der erfindungsgemäßen Strahler flächen bzw. "Ersatzstrahlerflächen11 13, 14 ersichtlich, die vom Parabol abweichen und aus den Strahlerflächen 5, 6 abgeleitet werden können.
In der Figur 7 sind nicht ideal fokussierende Strahlerflächen 18, 19 nach der Erfindung dargestellt, welche aus den Strahlerflachen 5, 6 hervorgehen, die ihrerseits wiederum definiert von der ideal fokussierenden Strahlerfläche 2 abweichen. Die Ellipsoidflache 20 bildet zusammen mit den von der Punktquelle 21 ausgehenden Kugelwellen das Strahlerflächenäquivalent der Fläche 2.
In den bisher beschriebenen Figuren sind die Strahlerflächen im Querschnitt zu sehen und vereinfacht nur durch ausgezogene, punktierte oder strichlierte Linien und Strecken dargestellt. Außerdem sind einige Strahlerflächen nur in Form der 5 oberen oder unteren Hälfte gezeigt worden, obwohl es verständlich ist, daß es sich in diesen Fällen um rotationssymmetrische Gebilde handeln soll.
Es können aber auch nicht rotationssynmetrische und nicht ideal fokussierende Strahlerflächen erfindungsgemäß konstruiert werden, und zwar beispielsweise in Form von Strahlern, die entsprechend Figur 8 eine vor allem am Randbereich ausgewellte Hohlschale darstellen. Beispiele für die Konstruktion solcher und ähnlicher Gebilde werden anschließend beschrieben, wobei unterschieden wird zwischen einer mit einem Schnelleimpuls und einer mit einem Schnellesprung beaufschlagten Strahlerfläche.
Bei den eine Impulsfunktion erzeugenden Strahlerflächen kann als Konstruktionskriterium gelten, daß ein Schnitt der Strahlerfläche mit einer gedachten, mit zeitlich linear zunehmenden Radius expandierenden Kugelfläche, deren Mittelpunkt im Fokus liegt, eine unterschiedlich schnell verlaufende einmalige Zu- oder Abnahme der entstehenden Schnittlinienlänge ergibt. Insbesondere kann die räumliche Ableitung der sphä-
rischen Projektion der Strahlerfläche auf den Fokuspunkt dieselbe Funktion, ergeben, welche aus der räumlichen Ableitung der Projektion einer Hyperboloidfläche, vorzugsweise einer Kugelfläche oder einer Kegelfläche, deren Achse senkrecht zur Projektionsfläche steht, auf eine Ebene entsteht.
Diese Zusammenhänge lassen sich anhand der Figuren 9 bis 11 näher erklären. Wenn im Fokus der Strahlerfläche beispielsweise der zeitliche Druckverlauf pp nach Figur 10 erzielt wird bzw. erzielt werden soll, ergibt sich die zugehörige Schnittlinienlänge S nach der Beziehung S = J" ρ (t) dt, deren Verlauf für diesen Fall die Figur 9 zeigt. Die als Konstruktionshilfe benutzte und mit zeitlich linear zunehmendem Radius expandierende Kugelfläche ist in der Figur 11 durch die konzentrischen Kreise angedeutet, deren Mittelpunkt im Fokus 4 liegt. Die Zeitachse t kann in der Figur 11 durch die radial vom Fokus ausgehenden Linien für die Zeiten t- bis t^ angenommen werden.
Bei einem Vergleich der Vorgänge nach den Figuren 9 und 11 ist zu erkennen, daß die expandierende Kugelfläche zunächst die rotationssymmetrische Strahlerfläche 22 nicht schneidet, so daß die Schnittlinienlänge so lange Null ist, bis die . Kugelfläche die Kreiskegelspitze der Strahlerfläche zum Zeitpunkt t1 erreicht. Die Schnittlinienlänge wächst dann weiter
* * . fi. * Jfi #«
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langsam, bis die Fußfläche des Kegels von der Kugelfläche bei t2 erreicht wird, um dann schneller über t* bis zum Erreichen des Randes der Strahlerfläche bei t. anzusteigen, wo die Schnittlinienlänge ihr Maximum hat. Unmittelbar danach springt die Schnittlinienlänge auf Null. Die gestrichelt in Figur 11 dargestellte Strahlerfläche 2 ist eine ideal auf den Brennpunkt 4 fokussierende Kugelkalotte.
Man kann natürlich auch umgekehrt aus dem Verlauf der Schnittlinienlänge S in Figur 9 den Druckverlauf im Fokus gemäß Figur 10 durch zeitliche Ableitung der Schnittlinienlänge bestimmen. Es ergibt sich jedenfalls zum Zeitpunkt t, ein im wesentlichen unipolarer und negativer Druckimpuls.
Die Konstruktion der eine Sprungfunktion erzeugenden Strahlerfläche 23 gemäß Figur 12 kann man sich so vorstellen, daß die gedankliche zeitliche Zunahme oder Abnahme derjenigen Schattenfläche A unterschiedlich schnell erfolgt, welche von der Strahlerfläche 23 dann auf eine gedachte unveränderliche Kugelfläche 24, deren Mittelpunkt im Fokus 4 liegt und zugleich den Sitz einer gedachten Projektionspunktlichtquelle darstellt, während der Durchdringungszeit der beiden Flächen projiziert wird, wobei die Strahlerfläche einer gedachten gleichförmigen und nur radialen sphärischen Schrumpfung in Richtung des Fokus unterworfen ist.
V * fr
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Mit t1 bis tg sind fünf zeitlich verschiedene Zustände bezeichnet worden. Die Figur 13 stellt den zeitlichen Verlauf der bei der erwähnten Durchdringung erzeugten Schattenfläche A dar, die im betrachteten Fall nur zwischen den Zeiten t2 und t3 auftritt. Im übrigen gilt für die Schattenfläche die Beziehung A (t) = J"p (t) dt, was bedeutet, daß man die Schattenfläche durch zeitliche Integration des Druckverlaufes nach Figur 14 oder diesen im wesentlichen unipolaren Druckverlauf durch Differentiation des Schattenflächenverlaufes A ermitteln kann. Ein Vergleich der so konstruierbaren Strahlerfläche 23 mit der gestrichelt dargestellten und ideal fokussierenden Strahlerfläche 25 macht die Unterschiede und Abweichungen im Verlauf der beiden Flächen deutlich.
Auch in den beiden vorher diskutierten Fällen sind die erfindungsgemäßen Strahlerflächen 22, 23 zur Vereinfachung nur als Linien dargestellt worden. Es handelt sich hierbei aber um rotationssymmetrische Strahlerflächen.
Im übrigen läßt sich die erfindungsgemäße Strahlerfläche auch aus Teilflächenbereichen oder durch die Kombination unterschiedlich konstruierter Teilflächenbereiche aufbauen und zusammenstellen. So könnte beispielsweise die eine Hälfte der Strahlerfläche der Fläche 5 und die andere Hälfte der Fläche 6 (Figur 3) entsprechen, wobei zu beachten ist, daß
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die Schalllaufzeiten der dem Fokus 4 am nächsten liegenden Flächenteile zum Fokus gleich lang sein sollen. Gleiches gilt für die Schallaufzeiten für die vom Fokus am weitesten entfernt liegenden Flächenteile. Eine entsprechende Kombination von Teilen der Strahlerflächen 7 und 8 ist ebenfalls möglich. Dagegen wird eine Kombination von Teilen der Flächen 6 und 8 oder 5 und 7 nicht zu den gewünschten Ergebnissen . führen.
Abschließend wird noch darauf hingewiesen, daß die erfindungsgemäßen Strahlerflächen zu aktiven oder passiven Strahlern gehören können. Eine inaktive Strahlerfläche kann beispielsweise aus zumindest einem akustischen Reflektor, einer akustischen. Linse oder anderen schallbündelnden Anordnungen bestehen. Bei aktiven Strahlerflächen wird diese durch zumindest einen aktiven Wandler angeregt, insbesondere durch einen mechanischen, hydraulischen, elektrischen, piezoelektrischen, elektrostatischen, elektrostriktiven, magnetischen, dynamischen, elektromagnetischen oder thermischen Wandler oder durch einen Explosions-, Prallkörper-, Wirbelstrom-, Glühdraht-, Laserpuls- und Funkenstreckenwandler.
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Claims (11)

Dr. !->;o Wilcken ,' ' ί - * * ' Pipl.-lng, Tfcroas Wilcke.. "' " '"" 3510341 ' -"· ste-rbshn 1 - 2<100 Lübeck 1 Anmelder: Richard Wolf GmbH, Pforzheimer Straße 24, 7134 Knittlingen Patentansprüche
1. Schallsender zur Erzeugung transienter akustischer Impulse mit einer räumlich gekrümmten, fokussierenden Strahlerfläche, die durch die Fläche eines einzelnen aktiven oder passiven Strahlers oder durch die Flächen mehrerer in ihrer Laufzeit und Amplitude abgeglichener Strahler dargestellt wird, wobei die im Fokusbereich auftretenden Impulse durch einen im wesentlichen unipolaren, zeitlich begrenzten Druck- und/oder Schnelleverlauf an der Strahlerfläche entstehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlerfläche (1, 3,51-14, 18, 19, 22, 23)derart in definierter Weise von einer ideal fokussierenden Strahlerfläche (2) abweicht, daß infolge der durch die Flächenabweichung bedingten Laufzeitunterschiede im Bereich des Fokus (4) der zeitliche Anstieg und Abfall des durch das Rayleigh-Integral berechenbaren Geschwindigkeitspotentials φ (t) im Fokusbereich unterschiedlich schnell sind und daß der aus dem nahezu unipolaren Verlauf des Geschwindigkeitspotentials durch Ableitung nach der Zeit bestimmte bipolare Druckverlauf ρ (t) am Anfang oder Ende einen kurzen Impuls hoher Amplitude aufweist, dem ein längerer Impuls niedrigerer Amplitude folgt bzw. vorangeht.
2. Schallsender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dessen Strahlerfläche (T, 3,5-14,18, 19, 22, 23) durch Raumtransformation einer endlichen und nicht ebenen Strahlerfläche konstruiert ist, welche mit einem Schnellesprung bzw. mit einem Schnelleimpuls an einem Punkt im Fernfeld einen im wesentlichen unipolaren Druckimpuls erzeugt, wobei die Raumtransformation eine ebene Kreisfläche in eine Kugelkalottenfläche und den auf der Achse im Fernfeld liegenden Punkt in das Kugelkalottenzentrum transformiert und wobei die Symmetrieachsen ineinander übergehen.
3. Schallsender nach einem der Ansprüche 1 und 2 mit einer eine Schnelle-Sprung-oder-Impulsfunktion erzeugenden Strahlerfläche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlerfläche (1, 3, 5-14,18,19, 22, 23) so von einer Kugelflächen- bzw. Kugelkalottenform (2) abweicht, daß die räumliche Ableitung der sphärischen Projektion der Strahlerfläche auf den Fokus (4) dieselbe Funktion ergibt, welche auch aus der räumlichen Ableitung der ebenen Projektion eines nicht fokussierenden, im Fernfeld einen im wesentlichen unipolaren Druckimpuls erzeugenden Strahlers auf eine Ebene entsteht.
4. Schallsender nach Anspruch 3 mit einer eine angenäherte Schnelle-Sprungfunktion erzeugenden Strahlerfläche, dadurch gekennzeichnet, daß die räumliche Ableitung der sphärischen Pro-
B « W · It * * I' *
— 3 —
jektion der Strahlerfläche (1, 3, 5-14,18, 19,22, 23) auf den Fokuspunkt (4) dieselbe Funktion ergibt, welche wahlweise entsteht aus der räumlichen Ableitung der Projektion
a. eines mit seiner Achse senkrecht auf der Projektionsfläche stehenden Paraboloids, Kegels oder Kugelabschnittes (2),
b. eines '' /4 langen Sinusrotationskörpers, dessen Achse die Abszisse der Sinusfunktion bildet und senkrecht auf der Projektionsfläche steht oder
c. eines mit seiner Achse senkrecht auf der Projektionsebene stehenden Exponentialrotationskörpers mit der Quer-
- OCx
schnittsfläche S(x) = S . E
auf eine Ebene.
5. Schallsender nach einem der Ansprüche 2 und 3 mit einer eine Schnelle-Impulsfunktion erzeugenden Strahlerfläche, dadurch gekennzeichnet, daß beim Schnitt der Strahlerfläche (22) mit einer gedachten, mit zeitlich linear zunehmendem Radius (t1~t4) expandierenden Kugelfläche, deren Mittelpunkt im Fokus (4) liegt, eine unterschiedlich schnell verlaufende einmalige Zu- oder Abnahme der entstehenden Schnittlinienlänge (S) ergibt.
6. Schall sender nach Anspruch 3 mit einer eine Schnelle-Inopulsfianktion erzeugenden Strahlerfläche, dadurch gekennzeichnet, daß die räumliche Ableitung der sphärischen Projektion der Strahlerfläche auf den Fokuspunkt dieselbe Punktion ergibt, welche aus der räumlichen Ableitung der Projektion einer Hyperboloidfläche, vorzugsweise aber einer Kugelfläche oder einer Kegelfläche, deren Achse senkrecht zur Projektionsfläche steht, auf eine Ebene entsteht.
7. Schallsender nach den Ansprüchen 3 und 4 mit einer eine Schnelle-Sprungfunktion erzeugenden Strahlerfläche, dadurch gekennzeichnet, daß die gedankliche zeitliche Zunahme oder Abnahme derjenigen Schattenfläche (A) unterschiedlich schnell erfolgt, welche von der Strahlerfläche (23) dann auf eine gedachte unveränderliche Kugelfläche (24), deren Mittelpunkt im Fokus (4) liegt und zugleich Sitz einer gedachten Projektionspunktlichtguelle darstellt, während der Durchdringungszeit der beiden Flächen projiziert wird, wobei die Strahlerfläche einer gedachten gleichförmigen und nur radialen sphärischen Schrumpfung in Richtung des Fokus unterworfen ist.
8. Schallsender nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlerfläche in Teilflächenbereichen unterschiedlich nach den Merkmalen der vorerwähnten
, 4, β*· * » · Λ ft ♦
- 5 Ansprüche konstruiert und aufgebaut ist.
9. Schallsender nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich das langsamer verlaufende Geschwindigkeitspotential ψ (t) linear ändert.
10. Schallsender nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die inaktive Strahlerfläche aus zumindest einem akustischen Reflektor, einer akustischen Linse
oder anderen Schall bündelnden Anordnungen besteht.
11. Schallsender nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, daß die Strahlerfläche durch zumindest einen aktiven Wandler angeregt wird, insbesondere durch einen
mechanischen, hydraulischen, elektrischen, piezoelektrischen, elektrostatischen, elektrostriktiven, magnetischen, dynamischen, elektromagnetischen oder thermischen Wandler oder durch einen Explosions-, Prallkörper-, Wirbelstrom-, Glühdraht-, Laserpuls- und FunkenStreckenwandler.
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