DE19723499C1 - Stoßwellenquelle nach dem elektromagnetischen Prinzip - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Stoßwellenquelle nach dem elektromagnetischen Prinzip, mit einer elektrisch leitfähigen, insbesondere metallischen Membran, welche als scheibenförmiges, zumindest im akustisch wirksamen Bereich ebe­ nes sowie in seiner Dicke konstantes Bauteil ausgeführt ist, gemäß dem Ober­ begriff des Patentanspruches 1.

Eine solche Stoßwellenquelle ist beispielsweise aus der EP-PS 0 133 665 be­ kannt, wobei die Membran-/Spuleneinheit ebene Druckwellen erzeugt, welche durch eine gewisse Lauflänge in einem Übertragungsmedium sowie durch an­ schließende Fokussierung zu Stoßwellen umgeformt werden. Bei den bekann­ ten Konstruktionen dieser Art ist die Membran längs ihres gesamten Randes, d. h. umlaufend, fest eingespannt. Somit muß bei der - axialen - Auslenkung auch - radiale - Dehnungsarbeit verrichtet werden, welche wiederum die Aus­ lenkung behindert. Andererseits wird durch die Radialspannung bei Auslen­ kung die Rückkehr in eine definierte Ruheposition unterstützt.

Man ist stets bestrebt, die Dicke der Membran so gering wie möglich zu hal­ ten, wobei sich die erforderliche elektrische Leitfähigkeit und auch Anforde­ rungen hinsichtlich der gewünschten Lebensdauer limitierend auswirken.

Falls einer der maßgeblichen Systemparameter, wie z. B. die abgegebene aku­ stische Energie, die primäre elektrische Energie oder der geometrische Durch­ messer, variiert werden soll, müssen nichttriviale Skalierungsgesetze ange­ wandt werden.

Bei Vergrößerung des Durchmessers unter Beibehaltung der elektrischen Pri­ märenergie - sowie der Membrandicke - ergibt sich, daß die erforderliche Dehnarbeit etwa proportional mit dem Radius zunimmt, die auslenkende, durch die Primärenergie erzeugte Kraftdichte jedoch mit dem Quadrat des Radius abnimmt. Dies hat zur Folge, daß der Wirkungsgrad des elektroakustischen Wandlers abnimmt.

Man könnte nun die Membrandicke im Randbereich reduzieren, um die verrin­ gerte Elastizität wiederherzustellen; dies wäre jedoch fertigungstechnisch auf­ wendig und teuer.

Eine weitere Möglichkeit wäre das Einprägen von umlaufenden Nuten (Sicken) in die Membran. Hierbei ist jedoch die erforderliche exakte Planheit der Mem­ bran im Bereich der Spulenwindungen nicht mehr sicherzustellen. Weiterhin sind vorzeitige Ermüdungsbrüche im Bereich der Sicken zu befürchten.

Aus der EP-OS 0 298 334 ist eine Stoßwellenquelle bekannt, deren ebene, randseitig eingespannte Membran eine flexible Basis mit Sicken sowie eine gezielte Belegung mit elektrisch leitfähigen Plättchen aufweist. Die Plättchen sind mit der Basis durch Kleben, Vulkanisieren etc. verbunden.

Eine derart aufgebaute Membran ist jedoch fertigungstechnisch aufwendig und teuer, geometrisch ungenau und von der Lebensdauer her sehr fragwürdig. Es handelt sich hier wohl eher um eine "theoretische" Lösung.

Demgegenüber besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Stoßwellenquelle nach dem elektromagnetischnen Prinzip zu schaffen, welche die zugeführte elektrische Energie mit hohem Wirkungsgrad sowie mit guter Reproduzierbar­ keit in akustische Energie umsetzt und welche sich durch große Zuverlässig­ keit, hohe Lebensdauer und Kostengünstigkeit auszeichnet.

Diese Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch gekennzeichneten Merkmale gelöst, in Verbindung mit den gattungsbildenden Merkmalen in dessen Ober­ begriff.

Erfindungsgemäß ist die Membran am Rand nur noch abschnittsweise fest ein­ gespannt, zwischen den Einspannstellen sind definierte Aussparungen vorhan­ den. Auf diese Weise läßt sich ein guter Kompromiß zwischen erforderlicher Rückstellkraft und wirkungsgradmindernder Dehnarbeit erzielen. Die Anpas­ sung an geänderte Systemparameter (Durchmesser, Flächenlast etc. ) wird da­ durch wesentlich erleichtert bzw. erst ermöglicht. Anders ausgedrückt wird erst durch die vorliegende Erfindung eine praktisch sinnvolle Skalierung von elek­ tromagnetischen Stoßwellenquellen mit ebener Membran möglich. Die exakte Festlegung der Membrangeometrie, d. h. von Anzahl, Größe und Form der Aussparungen, Einspannstellen etc. , ist mit Finite-Elemente-Methoden (FEM) numerisch möglich. Die Herstellkosten für die - in konstanter Dicke ausgeführ­ te - Membran bleiben gering, da es sich nur um den Arbeitsgang "Ausschnei­ den", z. B. per Stanzwerkzeug oder Schneidlaser, handelt.

Die Unteransprüche 2 bis 4 kennzeichnen bevorzugte Ausgestaltungen der Stoßwellenquelle nach dem Hauptanspruch.

Die Erfindung wird anschließend anhand der Zeichnungen noch näher erläutert. Dabei zeigen in vereinfachter, nicht maßstäblicher Darstellung:

Fig. 1 eine Teilansicht der Membran von oben mit einer ihrer Einspannstel­ len und einem Umlenkelement,

Fig. 2 einen Schnitt gemäß dem Verlauf II-II in Fig. 1 mit den der Mem­ bran benachbarten Bauelementen.

Die Membran 2 gemäß Fig. 1 wird aus einer runden, ebenen Metallscheibe konstanter Dicke gefertigt, deren Außenkontur A strichpunktiert angedeutet ist. Aus dieser Kreisscheibe werden mehrere, vom Rand ausgehende Aussparun­ gen 9 herausgeschnitten, wobei definierte Randbereiche für die Einspannung (Einspannstellen 5) zwischen den Aussparungen 9 stehenbleiben. Die Ausspa­ rungen 9 reichen bis in die Nähe des akustisch wirksamen Membranbereiches 6, dessen Durchmesser D strichpunktiert wiedergegeben ist. D ist hier der Durchmesser der freien, mit einem - nicht dargestellten - akustischen Übertra­ gungsmedium (z. B. Wasser) in Kontakt stehenden Membranoberfläche. Die vorliegende Geometrie geht von sechs gleichmäßig über den Membranrand verteilten Einspannstellen 5 und somit sechs Aussparungen 9 aus, wobei diese Anordnung nur als eine beispielhafte Möglichkeit zu vestehen ist.

Der optimale Konturverlauf des Membranrandes 8 im Bereich der Aussparun­ gen 9 läßt sich mit Hilfe der Finite-Elemente-Methoden (FEM) berechnen unter der Vorgabe, daß die axiale Membranauslenkung im Betrieb eine möglichst gleichmäßige Spannungsverteilung im akustisch wirksamen Membranbereich 6 erzeugen soll. Dadurch werden unerwünschte Membranverformungen, z. B. Falten- und Wellenbildung, vermieden, ebenso örtliche Überlastungen mit plastischer Verformung.

Natürlich dürfen auch die elastischen Verbindungszonen 7 von den Einspann­ stellen 5 zum akustisch wirksamen Membranbereich 6 nicht überlastet werden. Die Dimensionierung dieser Verbindungszonen 7 hat einen guten Kompromiß zwischen sicherer Membranrückstellung und minimaler Behinderung der ge­ wünschten Membranbewegung zum Ziel. Eine Vergrößerung der radialen Er­ streckung hat eine höhere Elastizität aber auch einen größeren Platzbedarf zur Folge. Eine nachteilige Vergrößerung des Gerätedurchmessers läßt sich - zu­ mindest teilweise - dadurch vermeiden, daß die Verbindungszonen, d. h. die zug- und biegeelastischen Bereiche, mit Hilfe von Umlenkelementen 11 aus der Membranebene herausgeführt werden, im vorliegenden Fall um ca. 45° schräg nach unten. Da bei den gegebenen Reibungs- und Bewegungsverhältnissen ein Gleiten des Membranmaterials auf den Umlenkelementen 11 nicht zu erwarten ist, ist es sinnvoll, letztere selbst gummielastisch und ggf. drehbar auszuführen. Im dargestellten Beispiel bestehen die Umlenkelemente 11 aus zylindrischen Gummikörpern mit metallischen Achsen als Kern. Es ist zu erwarten, daß sich die Elastizität der Membrananordnung auf diese Weise - in Relation zu einer ebenen, radialen Anordnung ohne Umlenkelemente mit gleicher Verbindungs­ zonenlänge und -form - noch steigern läßt.

Fig. 2 zeigt außer der Membran 2 und dem Umlenkelement 11 noch weitere Grundelemente der Stoßwellenquelle 1. Man erkennt die in einen Spulenträger 10 eingebettete, der Membran 2 eng benachbarte, elektrische Spule 3 in Form der Drahtwindungsquerschnitte mit einem nach unten geführten Anschlußdraht­ stück ebenso wie das - hier horizontal geteilte - Gehäuse 4 mit seiner Längs­ mittelachse M.

Die Membran 2 ist auf ihrer Oberseite zum radial innenliegenden Gehäuserand hin mit einem zur Längsmittelachse M konzentrischen O-Ring 12 abgedichtet. In diesem Bereich ist eine Abdichtung erforderlich, falls ein flüssiges oder gel­ artiges, akustisches Übertragungsmedium (nicht dargestellt) mit der Membran 2 in Kontakt steht. Eine ausreichend elastische Abdichtung schränkt die axiale Beweglichkeit der Membran 2 am Rand ihres akustisch wirksamen Bereiches praktisch nicht ein.

Bezugszeichenliste

1

Stoßwellenquelle

2

Membran

3

Spule, elektrisch

4

Gehäuse

5

Einspannstelle

6

Membranbereich, akustisch wirksam

7

Verbindungszone

8

Membranrand

9

Aussparung

10

Spulenträger

11

Umlenkelement

12

O-Ring
AAußenkontur (der ebenen Membranscheibe)
DDurchmesser (des akustisch wirksamen Membranbereiches)
MLängsmittelachse (der Stoßwellenquelle)

Claims (4)

1. Stoßwellenquelle nach dem elektromagnetischen Prinzip, mit einer elektrisch leitfähigen, insbesondere metallischen Membran, welche als schei­ benförmiges, zumindest im akustisch wirksamen Bereich ebenes sowie in sei­ ner Dicke konstantes Bauteil ausgeführt ist, mit einer zur Membran benachbar­ ten, mit Stromimpulsen beaufschlagbaren, elektrischen Spule und mit einem die Membran und die Spule aufnehmenden Gehäuse, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (2) an mehreren, voneinander beabstandeten Stellen (5) ihres Randes fest eingespannt ist und zwischen den Einspannstellen (5) mit bis in die Nähe des akustisch wirksamen Membranbereiches (6, Durchmesser D) verlau­ fenden Aussparungen (9) versehen ist.

2. Stoßwellenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Membranrand (8) im Bereich jeder Aussparung (9) eine stetige, zumindest ab­ schnittsweise gekrümmte Kontur aufweist.

3. Stoßwellenquelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zug- und biegeelastischen Verbindungszonen (7) von den Einspannstel­ len (5) zum akustisch wirksamen Membranbereich (6) über Umlenkelemente (11) aus der Membranebene herausgeführt sind.

4. Stoßwellenquelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkelemente (11) ein gummielastisches Verhalten aufweisen.