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Die Erfindung betrifft eine Stoßwellenquelle, aufweisend
einen Spulenträger,
eine Spule und eine von der Spule isolierend getrennte Membran zur
Erzeugung von Stoßwellen.
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Elektromagnetische Stoßwellenquellen
der eingangs genannten Art werden beispielsweise in der Medizin
zur nicht invasiven Zertrümmerung
von Körperkonkrementen
eines Patienten, z.B. zur Zertrümmerung
von Nierensteinen, eingesetzt. Die Erzeugung von Stoßwellen
mit einer derartigen Stoßwellenquelle
vollzieht sich derart, dass an die auf dem Spulenträger angeordnete
Spule ein Hochspannungsimpuls kurzer Dauer angelegt wird. Aufgrund der
elektromagnetischen Wechselwirkung der Spule mit der von ihr isolierend
getrennten metallischen Membran wird die Membran in eine zwischen
der Stoßwellenquelle
und dem Patienten befindliche Wasserstrecke von der Spule abgestoßen, wodurch gedämpfte Sinuswellen
in die Wasserstrecke als Trägermedium
zwischen der Stoßwellenquelle
und dem Patienten ausgesendet werden. Stoßwellen entstehen schließlich durch
nichtlineare Effekte im Trägermedium
Wasser. Die gedämpften
Sinusschwingungen haben eine Grundfrequenz von etwa 100 bis 200 kHz,
welche durch die elektrischen Eigenschaften der Stoßwellenquelle
bestimmt ist. Diese Sinuswellen liegen außerhalb des Hörbereiches
von Menschen.
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Bei der Erzeugung von Stoßwellen
mit einer elektromagnetischen Stoßwellenquelle, wie sie im Übrigen in
Aufbau und Funktion, beispielsweise in H. Reichenberger, G. Naser „Elektromagnetic
Acoustic Source for the Extracorporeal Generation of Shock Waves
in Lithotripsie";
Siemens Forschungsund Entwicklungsberichte, 15, 1986, Nr. 4, Seiten
187 bis 194, beschrieben ist, entstehen aber auch Schallwellen.
Gleichzeitig mit der Aussendung der Sinuswellen in die Wasserstrecke
laufen nämlich
Wellen in entgegengesetzter Rich tung in den in der Regel aus einer Keramik
ausgebildeten Spulenträger,
welche sich zunächst
axial ausbreitende Wellen in Radial- oder Plattenwellen wandeln
können.
Die sich axial ausbreitenden Wellen sowie die Radial- und Plattenwellen
regen den Spulenträger,
welcher über
Halterungen gegen ein Gehäuse
der Stoßwellenquelle
gelagert ist, derart zu Biegeschwingungen an, dass niederfrequente
Schallwellen im Hörbereich
von Menschen, also unter 20 kHz, entstehen, welche über das Gehäuse nach
außen
geleitet werden und einen für Patienten
und medizinisches Personal sehr unangenehmen Schallpegel aufweisen.
Die Frequenz und die Intensität
der angeregten Wellen hängen
dabei von der Geometrie und von den mechanischen Eigenschaften des
Spulenträgers
ab.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Stoßwellenquelle
der eingangs genannten Art derart auszubilden, dass die Erzeugung
von hörbaren
Schallwellen bei der Erzeugung von Stoßwellen zumindest reduziert
ist.
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Nach der Erfindung wird diese Aufgabe
gelöst
durch eine Stoßwellenquelle
mit einem Spulenträger,
mit einer Spule und mit einer von der Spule isolierend getrennten
Membran zur Erzeugung von Stoßwellen,
welcher Spulenträger
bei der Erzeugung von Stoßwellen
in eine Schwingung versetzt wird, wobei dem Spulenträger wenigstens
ein Aktor zugeordnet ist, welcher den Spulenträger zu einer zu der Schwingung
wenigstens im wesentlichen gegenphasigen Schwingung anregen kann.
Auf diese Weise wird erreicht, dass sich bei entsprechender Aktivierung
des Aktors und bei Anregung des Spulenträgers zu einer entsprechenden
gegenphasigen Schwingung die beiden gegenphasigen Schwingungen wenigstens
im Wesentlichen aufheben, so dass der Spulenträger idealerweise nicht mehr
schwingt. Demnach werden idealerweise auch keine Biegeschwingungen
des Spulenträgers
mehr durch auf den Spulenträger
wirkende Kräfte
hervorgerufen, so dass es bei der Erzeugung von Stoßwellen
praktisch nicht mehr zur Erzeugung von niederfrequenten, einen unangenehmen
Schallpegel aufweisenden Schallwellen kommt.
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Ausführungsformen der Erfindung
sehen vor, dass es sich bei dem Aktor um einen piezoelektrischen
Aktor oder um einen magnetischen Aktor handelt. Beide Formen von
Aktoren sind geeignet, einen Spulenträger, welcher bei der Erzeugung
von Stoßwellen
in eine Schwingung versetzt wird, zu einer zu dieser Schwingung
wenigstens im Wesentlichen gegenphasigen Schwingung anzuregen, so
dass sich die beiden Schwingungen wenigstens im Wesentlichen aufheben.
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Varianten der Erfindung sehen vor,
dass der Spulenträger
scheibenförmig
ausgebildet ist und eine Längsachse
aufweist, wobei ein Aktor wenigstens im Wesentlichen in Richtung
der Längsachse
des Spulenträgers
oder wenigstens im Wesentlichen radial zur Längsachse des Spulenträgers wirken
kann. Bei einem in Richtung der Längsachse des Spulenträgers wirkenden
Aktor werden zu einer Schwingung in axialer Richtung, welche bei
der Erzeugung von Stoßwellen
durch sich axial in den Spulenträger
ausbreitende Wellen hervorgerufen wird, durch den Aktor in Richtung
der Längsachse
aber sich in entgegengesetzter Richtung ausbreitende Wellen in den Spulenträger eingeleitet,
welche den Spulenträger
zu einer entsprechenden gegenphasigen Schwingung anregen, so dass
sich die beiden gegenphasigen Schwingungen mit wenigstens im Wesentlicher
gleicher Schwingungsamplitude wenigstens im Wesentlichen aufheben.
Da im Idealfall hierbei nur symmetrische Kräfte auf den Spulenträger wirken,
ist der Spulenträger
im Wesentlichen kräftefrei
und somit in Ruhe. Mittels eines in axialer Richtung wirkenden Aktors
können
demnach durch aktive Schwingungsdämpfung an sich durch die Lagerung
des Spulenträgers
im Gehäuse
der Stoßwellenquelle
bedingte Biegeschwingungen und somit die Erzeugung von hörbaren Schallwellen
und deren Übertragung
auf das Gehäuse
zumindest deutlich reduziert werden.
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Radial wirkende Aktoren regen den
Spulenträger
im Unterschied zu axial wirkenden Aktoren zu Schwingungen in radialer
Richtung zu der Längsachse
des Spulenträgers
an und sind somit in der Lage Radialschwingungen des Spulenträgers aktiv
zu bekämpfen.
Zusätzlich
können
mit radial wirkenden Aktoren Zugkräfte erzeugt werden, welche
Biegeschwingungen des Spulenträgers
dämpfen.
Demnach sind sowohl axial wirkende als auch radial wirkende Aktoren
geeignet, Biegeschwingungen des Spulenträgers zumindest zu dämpfen, wenn
nicht gänzlich
zu vermeiden, wodurch bei der Erzeugung von Stoßwellen die unerwünschte Erzeugung
von hörbaren
Schallwellen vermindert oder sogar gänzlich vermieden wird.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung wird
aus einem an die Spule angelegten Hochspannungsimpuls zur Erzeugung
einer Stoßwelle
ein Signal zur Aktivierung des Aktors zur Anregung des Spulenträgers zu
der wenigstens im Wesentlichen gegenphasigen Schwingung abgeleitet.
Dabei kann der Aktor beispielsweise basierend auf dem messtechnisch
erfassten Schwingungsverhalten des Spulenträgers in Abhängigkeit von der Dauer und
der Stärke des
jeweils an die Spule angelegten Hochspannungsimpulses derart angesteuert
werden, dass der Aktor den Spulenträger zu einer zu der erwarteten Schwingung
des Spulenträgers
entsprechenden gegenphasigen Schwingung anregt, so dass es wenigstens
im Wesentlichen zu einer Aufhebung der beiden Schwingungen kommt.
Eine andere Möglichkeit
zur Anregung des Spulenträgers
zu einer geeigneten gegenphasigen Schwingung besteht darin, dass
der dem Spulenträger
zugeordnete Aktor Teil eines Regelkreises ist, wobei die Aktivierung
des Aktors, basierend auf Schwingungsmessungen des Spulenträgers im
Betrieb der Stoßwellenquelle
erfolgt.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
sind in den beigefügten
schematischen Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:
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1 eine
Stoßwellenquelle
mit einer Schallerzeugungseinheit nach dem Stand der Technik,
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2 die
Schallerzeugungseinheit der Stoßwellenquelle
aus 1 in einem Betriebszustand
bei der Erzeugung von Stoßwellen,
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3 eine
Stoßwellenquelle
mit einer Schallerzeugungseinheit, welche einen axial wirkenden
Aktor aufweist,
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4 die
Schallerzeugungseinheit der Stoßwellenquelle
aus
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3 in
einem Betriebszustand bei der Erzeugung von Stoßwellen,
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5 eine
Stoßwellenquelle
mit einer Schallerzeugungseinheit, welche zwei radial wirkenden
Aktoren aufweist, und
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6 die
Schallerzeugungseinheit der Stoßwellenquelle
aus 5 in einem Betriebszustand
bei der Erzeugung von Stoßwellen.
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In der 1 ist
in stark schematisierter Weise eine Stoßwellenquelle 1 nach
dem Stand der Technik gezeigt. Die Stoßwellenquelle 1 weist
eine elektromagnetische Schallerzeugungseinheit auf, welche in an
sich bekannter Weise einen eine Längsachse L aufweisenden keramischen
Spulenträger 2, eine
auf dem Spulenträger 2 angeordnete
Flachspule 3 und eine isolierend auf der Flachspule 3 angeordnete
metallische Membran 4 umfasst. Der Spulenträger 2 der
Schallerzeugungseinheit ist mit Halterungen 5 und 6 gegen
ein Gehäuse
G der Stoßwellenquelle 1 gelagert.
Die Stoßwellenquelle 1 weist
außerdem
eine in dem Gehäuse
G der Stoßwellenquelle 1 gelagerte
Fokussierungslinse 9 auf. Das Gehäuse G der Stoßwellenquelle 1 ist
zwischen der Membran 4 und der Fokussierungslinse 9 sowie
zwischen der Fokussierungslinse 9 und einer das Gehäuse G verschließenden elastischen
Koppelmembran 11 mit einem akustischen Ausbreitungsmedium,
beispielsweise Wasser 10, gefüllt. Die elastische Koppelmembran 11 dient
zur Ankopplung der Stoßwellenquelle 1 an
einen Körperbereich
eines Patien ten. Zur Erzeugung von Stoßwellen wird in an sich bekannter
Weise ein Hochspannungsimpuls an die Flachspule 3 angelegt,
wobei es zur elektromagnetischen Wechselwirkung mit der Membran 4 kommt,
welche infolge der Wechselwirkung in das akustische Ausbreitungsmedium
Wasser 10 abgestoßen
wird. Dabei steilen sich durch nichtlineare Effekte im Wasser 10 Stoßwellen auf,
welche zu therapeutischen Zwecken mit der Fokussierungslinse 9 auf
ein Zielgebiet in einem Patienten fokussiert werden. Die Einleitung
der Stoßwellen erfolgt,
wie bereits erwähnt, über die
an einen Körper eines
Patienten angelegte Koppelmembran 11.
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Wie bereits erwähnt, werden im Betrieb der Stoßwellenquelle 1 nicht
nur Stoßwellen,
sondern auch in unerwünschter
Weise hörbare
Schallwellen erzeugt. In 2 ist
die Entstehung von hörbaren Schallwellen
in schematischer Weise veranschaulicht. Durch das Abstoßen und
das Zurückschnellen der
Membran 4 wirken auf den Spulenträger 2 in Richtung
der Längsachse
L Kräfte
F ein, durch die sich axial in Richtung der Längsachse L in den Spulenträger 2 ausbreitende
Wellen erzeugt werden, welche den Spulenträger 2 bei der Erzeugung
von Stoßwellen
zu Schwingungen anregen. Bei den Schwingungen handelt es um durch
die Halterungen 5 und 6 bedingte Biegeschwingungen
des Spulenträgers 2.
Durch die Biegeschwingungen entstehen niederfrequente Schallwellen
im Hörbereich
von Menschen, welche über
das Gehäuse
G der Stoßwellenquelle 1 nach
außen
geleitet werden.
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Erfindungsgemäß wird zur Vermeidung bzw. zur
Reduzierung der Erzeugung von hörbaren Schallwellen
bei der Erzeugung von Stoßwellen
vorgeschlagen, mit Hilfe wenigstens eines dem Spulenträger 2 zugeordneten
Aktors den Spulenträger 2 gezielt
zu gegenphasigen Schwingungen anzuregen, so dass sich die Schwingungen
des Spulenträgers 2, zu
denen der Spulenträger 2 bei
der Erzeugung von Stoßwellen
angeregt wird, und die gezielt mittels des Aktors angeregten gegenphasigen
Schwingungen wenigstens im Wesentlichen aufheben.
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In 3 ist
eine erfindungsgemäße Stoßwellenquelle 20 gezeigt,
welche sich von der in 1 gezeigten
Stoßwellenquelle 1 nach
dem Stand der Technik dadurch unterscheidet, dass dem Spulenträger 2 der
Schallerzeugungseinheit der Stoßwellenquelle
20 im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels ein in axialer
Richtung, also in Richtung der Längsachse
L des Spulenträgers 2,
wirkender Aktor 15 zugeordnet ist. Der Aktor 15,
bei dem es sich im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispieles um einen piezoelektrischen
Aktor 15 handelt, ist wenigstens im Wesentlichen mittig
auf der Unterseite des Spulenträgers 2 angeordnet,
so dass die Längsachse
L des Spulenträgers 2 durch
den piezoelektrischen Aktor 15 verläuft. Der piezoelektrische Aktor 15 ist
dabei mittels einer Halterung 16 gegen den Spulenträger 2 gelagert,
so dass er bei Aktivierung den Spulenträger 2 zu Schwingungen
anregen kann.
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Die 4 veranschaulicht
die Wirkungsweise des Aktors 15. Wenn im Betrieb der Stoßwellenquelle 20 die
Membran 4 zur Erzeugung von Stoßwellen von der Spule 3 abgestoßen wird
und wieder zurückschnellt,
wodurch Kräfte
F in Richtung der Längsachse
L auf den Spulenträger 2 wirken,
welche den Spulenträger 2 in
Schwingungen versetzen, wird der Aktor 15 derart aktiviert,
dass er auf den Spulenkörper 2 einwirkende
Gegenkräfte
FG erzeugt, welche den Spulenträger 2 zu
entsprechenden gegenphasigen Schwingungen mit wenigstens im Wesentlicher
gleicher Schwingungsamplitude wie die bei der Erzeugung von Stoßwellen
angeregten Schwingungen anregen, so dass sich die bei der Erzeugung
von Stoßwellen
angeregten Schwingungen und die von dem Aktor 15 angeregten
Schwingungen wenigstens im Wesentlichen aufheben. Idealerweise wirken
dabei symmetrische Kräfte
auf den Spulenträger 2,
so dass der Spulenträger 2 wie
in 4 veranschaulicht wenigstens
im Wesentlichen in Ruhe ist und keine oder nur noch in geringem
Maße Biegeschwingungen
des Spulenträgers 2 bedingt
durch die Lagerung des Spulenträgers 2 über die
Halterungen 5 und 6 gegen das Gehäuse G auftreten.
Infolge der Vermeidung bzw. der Verminderung von Biegeschwingungen
kommt es demnach zu keiner oder nur zu einer geringen Erzeugung
von niederfrequenten Schallwellen im Hörbereich von Menschen, die über die Halterungen 5 und 6 und
das Gehäuse
G der Stoßwellenquelle 20 nach
außen
geleitet werden.
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In der 5 ist
eine zweite erfindungsgemäße Stoßwellenquelle 30 dargestellt,
welche sich von der in 1 dargestellten
Stoßwellenquelle
nach dem Stand der Technik dadurch unterscheidet, dass dem Spulenträger 2 der
Schallerzeugungseinheit der Stoßwellenquelle 30 radial
zu der Längsachse
L des Spulenträger 2 wirkende
Aktoren 24, 25 zugeordnet sind, bei denen es sich
im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispieles
um magnetische Aktoren handelt. Die radialen Aktoren 24 und 25 sind über Halterungen 26, 27 bzw. 28, 29 derart
an dem Spulenträger 2 angeordnet,
dass sie in radialer Richtung Kräfte
FZ, z.B. dynamische Zugkräfte,
auf den Spulenträger 2 einwirken
lassen können,
welche den Spulenträger 2 in
radialer Richtung zu Schwingungen anregen können. Wie bereits eingangs
erwähnt,
breiten sich die bei der Erzeugung von Stoßwellen Wellen axial in Richtung
der Längsachse
L des Spulenträgers 2 in
den Spulenträger 2 aus,
welche den Spulenträger 2 in
Richtung seiner Längsachse
L zu Schwingungen anregen. Diese Wellen können sich dabei auch in Radial-
oder Plattenwellen wandeln, welche den Spulenträger 2 ebenfalls bedingt
durch die Halterungen 5 und 6 gegen das Gehäuse G zu Biegeschwingungen
anregen, so dass Schallwellen im Hörbereich des Menschen entstehen,
welche über das
Gehäuse
G der Stoßwellenquelle 30 nach
außen geleitet
werden. Mittels der radial wirkenden Aktoren 24, 25 besteht
nun einerseits die Möglichkeit,
die im Zuge der Erzeugung von Stoßwellen axial angeregten Schwingungen
des Spulenträgers 2 aktiv
zu dämpfen
und andererseits den Spulenträger 2 zu
zu den sich im Zuge der Erzeugung von Stoßwellen bildenden Radialschwingungen
entsprechenden gegenphasigen Radialschwingungen mit wenigstens im Wesentlichen
gleicher Schwingungsamplitude anzuregen. Wie in
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6 veranschaulicht
ist auch in diesem Fall der Spulenträger 2 im Betrieb der Stoßwellenquelle 30 Idealerweise
in Ruhe, so dass keine oder zumindest nur in verminderter Weise
Biegeschwingungen anregt werden, welche zur Entstehung hörbaren Schalls
führen.
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Die Aktivierung des piezoelektrischen
Aktors 15 sowie der magnetischen Aktoren 24, 25,
welche im Übrigen
nicht mit dem von der Flachspule 3 erzeugten elektromagnetischen
Feld verkoppelt sind, erfolgt im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels
derart, dass aus dem an die Flachspule 3 angelegten Hochspannungsimpuls
zur Erzeugung einer Stoßwelle
ein Signal zur Aktivierung der Aktoren 15, 24, 25 zur
Anregung des Spulenträgers 2 zu
wenigstens im Wesentlichen gegenphasigen Schwingungen abgeleitet
wird. Die Aktoren 15, 24, 25 können dabei gesteuert
oder auch geregelt werden. Die Ansteuerung der Aktoren 15, 24, 25 beruht
auf Messungen des Schwingungsverhaltens des Spulenträgers 2 bei Spannungsimpulsen
unterschiedlicher Dauer und Stärke
oder bei daraus resultierenden elektrischen Stromimpulsen unterschiedlicher
Dauer und Stärke. So
kann beispielsweise in Abhängigkeit
von Stromimpulsen verschiedener Dauer und Stärke das Schwingungsverhalten
des Spulenträgers 2 ermittelt werden
und für
die Ansteuerung des Aktors 15, 24, 25 zur
Erzeugung einer entsprechenden, gegenphasigen Schwingung verwendet
werden. Ein Stromimpuls bestimmter Stärke und Dauer verursacht also eine
bestimmte Ansteuerung eines Aktors 15, 24, 25, um
den Spulenträger 2 gezielt
zu einer bestimmten gegenphasigen Schwingung anzuregen, welche die bei
der Erzeugung einer Stoßwelle
mit einem derartigen Stromimpuls erwartete Schwingung des Spulenträgers 2 kompensiert.
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Bei der Regelung stellt der jeweilige
Aktor 15, 24, 25 einen Teil eines Regelkreises
dar, wobei das Schwingungsverhalten des Spulenträgers 2 die Regelgröße ist,
und wobei bei Abweichung der Regelgröße von der Führungsgröße, welche
im vorliegenden Fall der nichtschwingende Spulenträger 2 ist, die
Ak tivierung des Aktors 15, 24, 25 derart
erfolgt, dass zu den bei der Erzeugung von Stoßwellen auftretenden Schwingungen
des Spulenträgers 2 der Spulenträger 2 durch
den oder die Aktoren 15, 24, 25 zu entsprechenden
gegenphasigen Schwingungen angeregt wird. Bei der Regelung muss
dabei im Unterschied zur Steuerung das Schwingungsverhalten des
Spulenträgers 2 stets
im Betrieb der Stoßwellenquelle 20, 30 messtechnisch,
beispielsweise durch Vibrations- oder Beschleunigungssensoren, ermittelt werden.
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Vorstehend wurde beschrieben, wie
mittels aktiver Schwingungsdämpfung
die Erzeugung von hörbarem
Schall bei der Erzeugung von Stoßwellen mittels einer Stoßwellenquelle 20, 30 vermieden
oder zumindest deutlich reduziert werden kann. Die Stoßwellenquelle 20 muss
dabei nicht notwendigerweise einen piezoelektrischen Aktor aufweisen,
sondern kann auch einen magnetischen, in axialer Richtung wirkenden
Aktor aufweisen. Ebenso muss es sich bei den radial wirkenden Aktoren
der Stoßwellenquelle 30 nicht
notwendigerweise um magnetische Aktoren handeln, sondern die Aktoren
können
auch als piezoelektrische Aktoren ausgebildet sein.
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Des Weiteren sind die Anbringungsorte
der Aktoren im Falle der vorliegenden Ausführungsbeispiele nur exemplarisch
zu verstehen, d.h. die Aktoren können
auch an anderen Stellen an dem Spulenträger 2 angeordnet sein.
Auch die Zahl der Aktoren ist im Übrigen nur exemplarisch zu
verstehen. Dem Spulenträger 2 können also
mehr als die dargestellten Aktoren zugeordnet sein.
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Darüber hinaus sind Mischformen
der Stoßwellenquelle 20 und 30 möglich, d.h.
die Stoßwellenquelle 20 kann
beispielsweise neben dem axial wirkenden piezoelektrischen Aktor
zusätzlich
radial wirkende magnetische oder auch piezoelektrische Aktoren aufweisen.
Ebenso kann die Stoßwellenquelle 30 neben
den radial wirkenden magnetischen Aktoren axial wirkende, piezoelektrische
oder magnetische Aktoren aufweisen.