Ultraschallerzeuger mit einem allseitig geschlossenen Gehäuse. Bekanntlich ist es bei der Erzeugung von Ultraschallwellen, speziell mit Schwingquar zen, notwendig, den schallerzeugenden Schwin ger einmal aus Gründen der Isolation, zum andern aber aus Gründen der Abstrahlung und der Erziehung eines guten Wirkungs grades, in Öl einzubetten. Für die praktische Handhabung derartiger Ultraschallgeber, be sonders in der medizinischen Praxis, ist es nun notwendig, das den Schwinger enthal tende Gefäss allseitig abzuschliessen, um eine Verschmutzung und eine Feuchtigkeits- und besonders Luftaufnahme des Öls zu verhin dern.
Ferner muss durch einen entsprechen den Abschluss ein Herausschleudern der Über- tragungs- und Isolierflüssigkeit vermieden und gleichzeitig durch die Abschliessung ein Schutz gegen die hohen hochfrequenten Span nungen dem Patienten gegenüber erreicht werden. Die Herauskoppelung der Ultraschall energie durch die abschliessenden Trennwände bereitete nun bisher grosse Schwierigkeiten und stellte die Anwendung der Ultraschall wellen, besonders in der medizinischen Praxis, stark in Frage.
Die bisher bekannten Methoden einer Über- tragung der Schallenergie auf das zu behan delnde Objekt bestanden darin, an der Schall austrittsfläche entweder sehr dünne Folien oder auch auf Resonanz abgestimmte Platten zu verwenden.
Abgesehen davon, dass die Ver wendung von dünnen Folien infolge ihrer me chanischen Empfindlichkeit und ihrer mangel- haften Sterilisationsfähigkeit als Schallaus- trittsfläclien besonders bei der Behandlung menschlicher Gewebe unbequem ist, zeigen diese Folien bei der Behandlung sehr unan genehme Begleiterscheinungen infolge eines starken Wärmeumsatzes an der Grenzschicht Folie-Gewebe. Neben einem unerwünschten .
Leistungsumsatz in dieser Grenzschicht in Form von Wärme begrenzen die hierbei auf tretenden Wärmeschmerzen eine höhere Zu führung von Sehallenergie und führen unter Umständen bei stationärer Behandlung zu re gelrechten Verbrennungen zweiten Grades.
Bei der Verwendung abgestimmter Platten als Übertragungsplatten, die diese erwähnten Nachteile nicht zeigen, treten andere Störun gen auf, die sich in starken Schwankungen der abgestrahlten Schalleistung äussern.
Diese Schwankungen der abgestrahlten Schalleistung erschweren nun eine Dosierung der Ultraschallwellen in ausserordentlich star kem Masse und machen sie unter Umständen praktisch unmöglich. Der Grund hierfür liegt im Einfluss der Temperatur auf die Schall geschwindigkeit des den Quarz umgebenden Öls. So ändert sich zum Beispiel die Schall geschwindigkeit von Paraffinöl zwischen 20 und 40 C um etwa 70 m/sec.
Befindet sich beispielsweise der mit Öl gefüllte Raum zwischen Quarz und Austritts fläche bei der Anfangstemperatur von 20 C in Resonanz, das heisst kommt die auf den Quarz zurückgestrahlte Energie gegenüber der Quarzschwingrung mit der Phasendifferenz 0 an, so verschiebt sich die Phase bei Steigerung der Temperatur auf etwa 40 C bei einer Resonanzraumdicke von etwa 15 mm und einer Frequenz von 1 MHz um 181 , das heisst, dass jetzt der Raum zwischen Quarz und Aus- trittsfläehe sieh nicht mehr in Resonanz be- indet und infolgedessen die Schallabstrah lung kleiner wird, da die reflektierte Schall energie jetzt gegenphasig auf den Quarz zu rückgestrahlt wird.
Da innerhalb der Quarzkapsel erfahrungs gemäss mit noch grösseren Temperaturschwan kungen als 20 C gerechnet werden muss, ist es verständlich, dass bei derartigen Verhält nissen mit einer konstanten Schallabgabe nicht zu rechnen ist und eine Dosimetrie, wie sie die Medizin fordert, undurchführbar bleibt. Infolge des Fehlens isolierender Flüssigkeiten mit temperaturkonstanter Schallgeschwindig keit haben sich diese Mängel bis anhin nicht beheben lassen. Diese Nachteile werden durch die vorliegende Erfindung, behoben.
Gegenstand vorliegender Erfindung ist. ein Ultraschallerzeuger mit einem allseitig ge schlossenen Gehäuse, bei welchem der sehall erzeugende Schwinger mit seinen schwingen den Oberflächen derartig mit einem bestimm ten Abstand zwischen einer auf
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abge stimmten Übertragerplatte und einer auf un- gradzahlige #/4 abgestimmten Reflexionsplatte gehaltert ist, dass die zwischen Übertrager platte und Schwinger und zwischen Schwin ger und Reflexionsplatte befindlichen und mit einer Flüssigkeit gefüllten Räume bei v er- schiedenen Temperaturen in Resonanz kom men.
Mit Vorteil werden die Verhältnisse so ge wählt, dass der eine Raum unterhalb und der andere Raum oberhalb der durchschnittlichen Arbeitstemperatur in Resonanz kommt und sich somit eine bandfilterartige Wirkung für die Schallabstrahlung als Funktion der Tem peratur ergibt. Hierzu ist es erforderlich, die zur Erzeugung der Sehallschwingungen benötigte elektrische Hochfrequenzspannung in ihrer Frequenz, eventuell unter Benützung von Steuerquarzen, so frequenzkonstant als möglieh einzustellen.
In der Zeichnung ist der wesentliche Teil eines Ausführungsbeispiels eines Ultraschall erzeugers mit einem allseitig geschlossenen Gehäuse gemäss der Erfindung schematisch dargestellt.
Der Ultraschallerzeuger besitzt eine in be kannter Weise auf ganzzahlige Vielfache von #( abgestimmte Platte 1, welche beispiels weise aus Messing besteht, als Übertrager platte, wobei diese Platte 1 gleichzeitig als Halter für den Schwinger 2, zum Beispiel einen Schallquarz, dient und darüber hinaus zur Stromzuführung zur geerdeten Elektrode verwendet wird. Diese Platte 1 enthält, wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, gleichzeitig den Resonanzraum 3 eingedreht, der somit unverrückbar festliegt. Gleichzeitig steht diese Platte 1, welche als Teil eines massiven Mes singbehälters 4 hergestellt werden kann, mit dem Kühlraum 5 in Verbindung und kann somit zur Kühlung und besseren Konstant haltung der Temperatur des Resonanzraumes 3 verwendet werden.
Auf der Rückseite des Schwingers 2 befindet sich ein auf ungrad- zahlige #/4 abgestimmte Reflexionsplatte 6 aus Messing, in welche in ähnlicher Weise ein zweiter Resonanzraum 7 eingedreht ist, und die ausserdem zur Zuführung des andern, nicht, geerdeten Pols der Hochfrequenzspan- nung verwendet ist. Beide Ölräume stehen durch eingefräste Nuten 8 in Verbindung mit dem Ölraum 9 des Sehallkopfes.
Im allgemeinen findet man in der Litera tur die Forderung, dass solche Resonanzräume auf 2:\? oder ganzzahlige Vielfache davon abzustimmen sind. Hierbei wird jedoch der Phasensprung an der im allgemeinen akustisch dichteren lIetallplatte sowohl an der Aus tritts- als auch an der Reflexionsseite nicht berücksiehtigt. Es ist deshalb zweckmässig, diesen Raum nicht auf n.
d/2, sondern auf (2n + 1) ..l/4 abzustimmen, so dass unter Be- rücksiehtigung eines Phasensprunges von 180 sieh wieder Resonanz einstellt.
Nimmt man als mittlere Arbeitstempera tur etwa. 40 C an, so ist es zweckmässig, die beiden Resonanzräume so zu bemessen, dass der vordere bei etwa 20 C und der hintere hei etwa 60 C mit der erregenden Frequenz in Resonanz ist. Unter der Annahme einer Frequenz von 1 MHz und einer Füllung mit Paraffinöl, dessen Schallgeschwindigkeit bei 20 C etwa 1457 m, bei 60 C etwa 1323 m beträgt, errechnen sich für die Abmessungen der Resonanzräume für n = 0 folgende Werte: Resonanzraum 3 = 0,364 mm und Resonanz raum 7 = 0,331 mm. Da im allgemeinen die Kühlung des zweiten Resonanzraumes 7 er heblich schlechter ist als diejenige des ersten Resonanzraumes 3, wird sieh hier eine noch höhere Temperatur einstellen, die erfahrungs gemäss mit etwa 70 bis 80 C angenommen werden kann.
Es ist daher zweckmässig, diesen Raum noch weiter zu verkleinern.
Durch die Wahl von n bei den Abmes sungen oder bei der Berechnung der Resonanz räume erhält man nun die Möglichkeit, den für eine konstante Schallabgabe erforderlichen Temperaturbereich einzuengen, wobei die Flanken der Bandfilterkurve erheblich steiler werden. Diese Erscheinung beruht darauf, dass mit Grösserwerden der Resonanzraum dicke, das heisst bei höheren die Resonanzkurven in Abhängigkeit von der Tem peratur immer spitzer und steiler werden.
Diese Tatsache kann dazu ausgenützt werden, ein unzulässiges Anwachsen der Schwinger amplitude bei Leerlauf zu verhindern, indem man die obere Temperaturgrenze so legt, dass bei einem eventuellen Leerlauf des gesamten Schallerzeugers die in der Quarzkapsel in Wärme umgesetzte Schalleistung über die Er wärmung des Öls zu einer Verstimmung der Resonanzräume führt, die damit eine weitere Amplitudensteigerung begrenzt.
Ultrasonic generator with a housing that is closed on all sides. It is known that in the generation of ultrasonic waves, especially with Schwingquar zen, the sound-generating Schwin ger once for reasons of isolation, but on the other hand for reasons of radiation and the education of a good degree of effectiveness to embed in oil. For the practical handling of such ultrasonic transducers, especially in medical practice, it is now necessary to close off the receptacle containing the transducer on all sides in order to prevent pollution and moisture and especially air absorption of the oil.
Furthermore, a corresponding closure must prevent the transmission and insulating liquid from being thrown out and, at the same time, protection against the high high-frequency voltages for the patient must be achieved through the closure. The decoupling of the ultrasound energy through the separating walls has presented great difficulties so far and has put the use of ultrasound waves, especially in medical practice, into question.
The previously known methods of transferring the sound energy to the object to be treated consisted in using either very thin foils or plates adapted to resonance on the sound exit surface.
Apart from the fact that the use of thin foils is inconvenient due to their mechanical sensitivity and their inadequate sterilisability as sound exit surfaces, especially when treating human tissue, these foils show very unpleasant side effects during treatment as a result of a high degree of heat conversion Film-fabric boundary layer. In addition to an undesirable.
Output in this boundary layer in the form of heat limit the heat pain that occurs here, a higher supply of visual energy and, under certain circumstances, lead to regular second-degree burns during inpatient treatment.
When using matched plates as transmission plates that do not show these disadvantages mentioned, other Störun conditions occur, which manifest themselves in strong fluctuations in the radiated sound power.
These fluctuations in the emitted sound power make it difficult to meter the ultrasonic waves to an extraordinarily strong extent and make it practically impossible under certain circumstances. The reason for this lies in the influence of temperature on the speed of sound of the oil surrounding the quartz. For example, the speed of sound of paraffin oil changes between 20 and 40 C by around 70 m / sec.
For example, if the oil-filled space between the quartz and the outlet surface is in resonance at the initial temperature of 20 C, i.e. the energy reflected back to the quartz with a phase difference of 0 compared to the quartz vibration, the phase shifts when the temperature rises approx. 40 C with a resonance chamber thickness of approx. 15 mm and a frequency of 1 MHz around 181, which means that the space between the quartz and the exit surface is no longer in resonance and as a result the sound radiation is smaller because the reflected sound energy is now reflected back to the quartz in antiphase.
Since experience has shown that temperature fluctuations greater than 20 C must be expected inside the quartz capsule, it is understandable that constant sound emission cannot be expected under such conditions and that dosimetry as required by medicine remains impracticable. As a result of the lack of insulating liquids with constant temperature sonic speed, these deficiencies have not yet been remedied. These disadvantages are overcome by the present invention.
The present invention is. an ultrasonic generator with a housing closed on all sides, in which the sehall-generating vibrator with its swing the surfaces in such a way with a certain th distance between one
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matched transfer plate and a reflection plate matched to an uneven # / 4 is held so that the fluid-filled spaces between the transfer plate and transducer and between transducer and reflection plate come into resonance at different temperatures.
Advantageously, the conditions are chosen so that one room below and the other room above the average working temperature comes into resonance and thus a band filter-like effect for the sound radiation as a function of the temperature results. For this purpose it is necessary to set the frequency of the electrical high-frequency voltage required to generate the acoustic vibrations, possibly using control crystals, as constant as possible in frequency.
In the drawing, the essential part of an embodiment of an ultrasonic generator with a housing that is closed on all sides according to the invention is shown schematically.
The ultrasonic generator has a known manner in integer multiples of # (matched plate 1, which example consists of brass, as a transmitter plate, this plate 1 also serves as a holder for the transducer 2, for example a sonic quartz, and beyond This plate 1 contains, as can be seen from the drawing, at the same time the resonance chamber 3, which is thus immovably fixed. At the same time, this plate 1, which can be made as part of a solid brass container 4, is with the cooling chamber 5 in connection and can thus be used for cooling and better keeping the temperature of the resonance chamber 3 constant.
On the back of the oscillator 2 there is a reflection plate 6 made of brass, matched to an odd # / 4, into which a second resonance chamber 7 is screwed in a similar manner, and which is also used to supply the other, non-earthed pole of the high-frequency voltage is used. Both oil chambers are connected to the oil chamber 9 of the Sehallkopf by milled grooves 8.
In general one finds in the literature the requirement that such resonance spaces should be 2: \? or integer multiples thereof are to be agreed. In this case, however, the phase jump on the generally acoustically denser metal plate is not taken into account, either on the exit side or on the reflection side. It is therefore advisable not to limit this space to n.
d / 2, but to (2n + 1) ..l / 4 so that, taking into account a phase jump of 180, resonance is set again.
If you take the mean working temperature for example. 40 C, it is advisable to dimension the two resonance chambers so that the front resonance at about 20 C and the rear at about 60 C with the exciting frequency. Assuming a frequency of 1 MHz and filling with paraffin oil, the speed of which is around 1457 m at 20 C and around 1323 m at 60 C, the following values are calculated for the dimensions of the resonance chambers for n = 0: Resonance chamber 3 = 0.364 mm and resonance space 7 = 0.331 mm. Since, in general, the cooling of the second resonance chamber 7 is considerably worse than that of the first resonance chamber 3, an even higher temperature is set here, which experience can be assumed to be about 70 to 80 C.
It is therefore advisable to reduce this space even further.
By choosing n for the dimensions or when calculating the resonance spaces, you now have the option of narrowing the temperature range required for constant sound output, with the flanks of the band filter curve becoming considerably steeper. This phenomenon is based on the fact that the larger the resonance space becomes, i.e. at higher levels the resonance curves become more and more pointed and steeper depending on the temperature.
This fact can be used to prevent an inadmissible increase in the oscillator amplitude when idling by setting the upper temperature limit in such a way that if the entire sound generator is idling, the sound power converted into heat in the quartz capsule becomes a result of the heating of the oil Leads to detuning of the resonance spaces, which limits a further increase in amplitude.