DE29823797U1

DE29823797U1 - Einrichtung zur Messung der Schallleistung eines fokussierenden elektroakustischen Wandlers

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Publication number: DE29823797U1
Application number: DE29823797U
Authority: DE
Original assignee: Richard Wolf GmbH
Current assignee: Richard Wolf GmbH
Priority date: 1998-11-27
Filing date: 1998-11-27
Publication date: 2000-02-03
Anticipated expiration: 2008-11-28

Description

Anmelder: Richard Wolf GmbH
Pforzheimer Straße 32
75438 Knittlingen

Einrichtung zur Messung der Schalleistung eines fokussierenden
elektroakustischen Wandlers

Die Erfindung geht aus von einer Einrichtung zur Messung der Schalleistung eines fokussierenden elektroakustischen Wandlers als Schallerzeuger mit einem in das fokussierte Schallfeld des Schallerzeuger eingebrachten, akustoelektrischen Meßwandler als Schallempfänger.

Derartige Meßeinrichtungen sind bekannt. Zum Beispiel gibt es die Möglichkeit, mit einem Hydrophon außerhalb des Fokusbereichs im Schallfeld des Schallerzeugers zu messen. Dies hat jedoch den Nachteil, daß nicht die gesamte Schallenergie erfaßt wird. Aus der Patentschrift DE 41 02 551 C2 ist eine Meßeinrichtung zur Messung von Schallpegeln bekannt, bei der ein Reflexionskörper ins Schallfeld eines Stoßwellenerzeugers eingebracht wird, der bei genauer Justage einen großen Anteil der Schallwellen reflektiert. Die Schallwellen gelangen zum Wandler zurück, an dem dann ein meßbares Signal erzeugt wird. Als Nachteil ist hier zu sehen, daß keine direkte Messung durchführbar ist, sondern über den Stoßwellenerzeuger selbst gemessen wird, an dem das Meßsignal aus den Störsignalen selektiert werden muß. Die Schallpegelmessung erfolgt an den Wandlersteuerkabeln, die kurz zuvor mit einer Ansteuerspannung von mehreren kV beaufschlagt wurden. Außerdem liegen die Amplituden des Meßsignals nur im Millivoltbereich.

Es ist somit Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung zur Messung der Schalleistung eines elektroakustischen Wandlers zu schaffen, bei der der verwendete

Meßwandler eine hohe Langzeitkonstanz und Lebensdauer hat sowie einen hohen Störabstand des Meßsignals ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Einrichtung gelöst.

Dadurch, daß erfindungsgemäß der Meßwandler schallempfangsseitig eine räumlich gekrümmte Fläche derart aufweist, daß der geometrische Ort ihrer Erzeugenden einen Fokus des Meßwandlers bildet, und daß die Symmetrieachsen des Schallerzeugers und des Meßwandlers auf einer durch ihre beiden Fokusse verlaufenden Symmetrielinie liegen, können Meßsignale bezüglich der zu messenden Schalleistung von bis zu einigen hundert Volt vom Meßwandler abgeleitet werden. Diese hohe Meßspannung hebt sich als Nutzsignal weit von den Störsignalen ab, was eine einfache und genaue Auswertung zur Folge hat. Ermöglicht werden auch eine hohe Langzeitkonstanz und Lebensdauer, da sich eine Anordnung anbietet, bei der der Meßwandler selbst außerhalb des Fokus des Schallerzeugers liegt.

Unter dem Begriff "Fokus" soll hier jeweils der Fokuspunkt als Ort des Schallernergiemaximums zu verstehen sein, also nicht das räumlich ausgedehnte und in Fachkreisen auch als "Fokus" bezeichnete Schallfeld im Bereich des Fokuspunktes.

Zweckmäßigerweise haben der Schallerzeuger schallabstrahlseitig und der Meßwandler schallempfangsseitig jeweils die Form einer Kugelkalotte. Dann können der Schallerzeuger und der Meßwandler in bezug auf die Kugelkalotten konzentrisch angeordnet sein und im Schallfeld den Fokus am selben Ort haben. Ferner können dann auch die Aperturen des Schallerzeugers und des Meßwandlers übereinstimmen.

Es sind zwei grundsätzliche Meßanordnungen möglich. Zum einen kann der Meßwandler in bezug auf den Schallverlauf vor dem gemeinsamen Fokus angeordnet und schallempfangsseitig konvex ausgebildet sein. Zum anderen kann der Meßwandler in bezug auf den Schall verlauf hinter dem Fokus angeordnet und schallempfangsseitig konkav ausgebildet sein.

Bei einer ersten Ausführungsform weist der Meßwandler einen als Kugelkalotte ausgebildeten Träger auf, auf dessen konkaver Fläche Piezoelemente so angeklebt sind, daß sie über ihre Klebestellen leitend miteinander verbunden sind, wobei die Schalleinkopplung über den Kugelkalottenträger auf die Piezoelemente erfolgt. Dabei kann der Kugelkalottenträger vorteilhafterweise selbst metallisch leitend sein, wobei die Räume zwischen den Piezoelementen mit einer Vergußmasse vergossen sind.

Bei einer alternativen Ausführungsform weist der Meßwandler auf die konvexe Fläche eines Kugelkalottenträgers leitend aufgeklebte Piezoelemente auf, und die Räume zwischen den Piezoelementen sind auch hier mit einer Vergußmasse gefüllt, wobei die Schalleinkopplung in diesem Fall direkt über die Piezoelemente erfolgt.

Bei weiteren alternativen Ausführungsformen kann der Meßwandler eine in eine Vergußmasse eingebettete oder mit Isolierstoff überzogene kalottenförmige Piezokeramik oder eine auf die konvexe oder konkave Fläche eines Kalottenträgers aufgeklebte piezoelektrische Folie aufweisen.

Die erfindungsgemäße Meßeinrichtung läßt sich vorteilhaft zur Messung der Schalleistung medizinischer Therapiegeräte anwenden, zum Beispiel bei extrakorporalen Stoßwellenlithotripsiegeräten, die in bestimmten Zeitabständen auf Konstanz ihrer Ausgangsleistung kontrolliert werden müssen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Meßeinrichtung im Schnitt;
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Fig. 2 im Schnitt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemä

ßen Meßeinrichtung;

Fig. 3 eine Anwendung der gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel gestal

teten Meßeinrichtung zur Messung der Schalleistung eines als Untertisch-Applikator gestalteten Stoßwellenerzeugers im Schnitt;

Fig. 4 ebenfalls im Schnitt eine Anwendung der gemäß dem ersten

Ausführungsbeispiel gestalteten erfindungsgemäßen Meßeinrichtung
zur Messung der Schalleistung an einem frei
beweglichen, durch einen Koppelbalg abgeschlossenen
Stoßwellenerzeuger;

Fig. 5 im Schnitt die Anwendung einer gemäß dem ersten Ausführungs

beispiel gestalteten erfindungsgemäßen Meßeinrichtung bei einem Stoßwellenerzeuger mit einer Röntgenortungseinrichtung;

Fig.6a-6d verschiedene Ausführungsformen eines bei der erfindungsgemäßen . ■ Meßeinrichtung verwendbaren akustoelektrischen Meßwandlers

und

Fig. 7 blockschaltbildartig eine Auswerteeinrichtung zur Auswertung und

Anzeige der von der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung erzeugten

Meßsignale.

Gemäß Fig. 1 ist ein akustoelektrischer Meßwandler 2, der die Form einer Kugelkalotte hat, im Schallfeld eines als Schallerzeuger dienenden fokussierenden elektroakustischen Wandlers 1 derart angeordnet, daß die Aperturen des Schallerzeugers 1 und des Meßwandlers 2 übereinstimmen, der Meßwandler 2 und der Schallerzeuger 1 den Fokus am selben Ort haben und der Meßwandler 2 in bezug auf den Schallverlauf vor dem Fokus 3 angeordnet und schallempfangsseitig konvex ausgebildet ist. Bei dieser Meßeinrichtung und auch bei den anderen noch zu beschreibenden Meßeinrichtungen haben der Meßwandler und der Schallerzeuger eine gemeinsame Symmetrieachse, die als Symmetrielinie S duch den gemeinsamen Fokusort verläuft.

Der Meßwandler 2 hat zwei Anschlußleitungen, an denen bei 4 die Meßspannung U_M abgegriffen werden kann, die abhängig von der Größe des elektroakustischen Wandlers 1, der Meßwandlergröße und der beim Meßwandler verwendeten Piezokeramik mehrere 100 Volt betragen kann.

Bei der in Fig. 2 gezeigten Meßeinrichtung hat der verwendete Meßwandler 2 schallempfangsseitig wie auch der Schallerzeuger 1 schallabstrahlseitig genau wie bei dem oben beschriebenen und in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel die Form einer Kugelkalotte. Auch diesem Ausführungsbeispiel sind der Schallerzeuger 1 und der Meßwandler 2 in bezug auf ihre Kugelkalotten konzentrisch angeordnet und haben im Schallfeld denselben Fokusort. Ferner stimmen auch die Aperturen des Schaüerzeugers 1 und des Meßwandlers 2 überein.

Anders als bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführung gemäß Fig. 2 ist der Meßwandler 2 hinter dem Fokus 3 angeordnet und ist schallempfangsseitig konkav. Auch • diese Einrichtung kann eine sehr hohe Meßspannungen UM 4 von mehreren 100 Volt erzeugen. Zu erwähnen ist noch, daß bei den beiden in den Fig. 1 und 2 gezeigten Meßeinrichtungen ein Aufbau des Meßwandlers gewählt ist, bei dem das zu messende Schallfeld über eine Trägerkalotte 10 (vergleiche Figur 6a) auf Piezoelemente 7 eingekoppelt wird.

Fig. 3 zeigt eine erste praxisgerechte Anwendung einer gemäß Fig. 1 angeordneten Meßeinrichtung. Hier dient die Meßeinrichtung zur Schalleistungsmessung im Schallfeld eines Stoßwellentherapiegeräts, bei dem ein Ultraschallstoßwellen aussendender kugelkalottenförmiger Schallerzeuger 1 und ein kugelkalottenförmiger Meßwandler 2 unter einem Behandlungstisch angeordnet sind. Ihre Aperturen stimmen überein. Es sei erwähnt, daß in der EP 0606 548 Al ein Untertisch-Applikator als solcher beschrieben ist. Bei abgenommener Ankoppelmembrane wird die Halterung 17 aufgesetzt, welche im Zentrum innerhalb eines Rohres 16 den Meßwandler 2 trägt. Der Tisch kann längs eines X-Y-Z-Koordinatensystems verfahren werden, wobei der Meßwandler 2 bezüglich des elektroakustischen Wandlers 1 so bewegt werden kann, daß der Schallerzeuger 1 und der Meßwandler

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2 in bezug auf die Kugelkalotten konzentrisch angeordnet sind und im Schallfeld denselben Fokusort haben, so daß die bei 4 abgegriffene Meßspannung U_M ihr Maximum erreicht.

Fig. 4 zeigt eine gemäß Fig. 1 angeordnete Meßeinrichtung an einem freibeweglichen Stoßwellenerzeuger 1, der durch einen Koppelbalg 18 abgeschlossen ist. Eine Meßwandlerhalterung 19 ist derart gestaltet, daß der Fokus 3 des Meßwandlers 2 in der Symmetrieachse und im richtigen Abstand zum Stoßwellenerzeuger 1 liegt, so daß die Fokusorte in Deckung sind. Zur Kontrolle, ob der Wandler auf der Symmetrieachse liegt, kann die Meßeinrichtung auch derart gestaltet sein, daß sich im Zentrum eine Zieleinrichtung nach dem "Kimme und Korn"-Prinzip befindet. Zur Optimierung der Schalleinkopplung kann zwischen Koppelbalg 18 und Meßwandler 2 ein Koppelgel 20 eingebracht werden.

Dieses Prinzip wird nachstehend anhand der in Fig. 5 gezeigten Anordnung mit einer erfindungsgemässen Meßeinrichtung näher erläutert. Hier ist ein Stoßwellenerzeuger 1 mit einer Röntgenortungseinrichtung gezeigt, bei dem der Strahlengang 28 durch das Zentrum verläuft, so daß der Zentralstrahl 29 auf der Symmetrielinie S liegt und somit durch den dem Stoßwellenerzeuger 1 und dem Meßwandler gemeinsamen Fokusort geht. Wird am Meßwandler 2 im Zentrum eine Bohrung 15 angebracht und an der Halterung 19 eine röntgennegative Scheibe eingebracht, welche im Mittelpunkt eine röntgenpositive Metallkugel 21 enthält, so muß sich bei exakter Montage der Halterung 19 bei einer Röntgendurchleuchtung die Metallkugel 21 in der Bohrung des Wandlers befinden, und diese muß wiederum mit der Zielmarke auf dem Röntgenmonitor übereinstimmen, welche den Fokus 3 repräsentiert. Diese Röntgenkontrolle kann auch bei der Untertisch-Anordnung gemäß Fig. 3 verwendet werden.

Die Fig. 6a, 6b, 6c und 6d zeigen verschiedene Ausführungsformen eines bei einer erfindungsgemässen Meßeinrichtung vorteilhaft verwendbaren Meßwandlers 2.

Gemäß Fig. 6a besteht der Meßwandler 2 aus einer metallisch leitenden Kugelkalotte 10, auf deren konkaver Innenfläche eine Vielzahl von Piezozylindern 7

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aufgeklebt sind. Über die jeweiligen Klebestellen 11 sind die Piezozylinder 7 leitend miteinander verbunden. Die anderen Seiten der Piezozylinder 7 sind über einen Verbindungsdraht 8 miteinander verbunden und durch eine die Zwischenräume ausfüllende Vergußmasse 9 isoliert. An den Anschlußkabeln 5, 6 läßt sich die Meßspannung U_M abgreifen.

Die Fig. 6b zeigt eine andere Ausführungsform eines Meßwandlers 2, bei der die Schalleinkopplung nicht über die Trägerkalotte 10 erfolgt, sondern direkt über die Piezoelemente 7, die ebenfalls in eine die Zwischenräume ausfüllende Vergußmasse 9 eingebettet sind. Die Piezoelemente 7 sind wie zuvor auf der Trägerkugelkalotte 10 leitend aufgeklebt, und die anderen Pole der Piezoelemente sind mit einer dünnen Metallfolie 12 und einem leitenden Klebstoff, zum Beispiel Silberleitkleber, an der Klebestelle 11 miteinander leitend verbunden. Zur elektrischen Isolierung ist auf die dünne Metallfolie 12 eine Isolierfolie 13 aufgebracht. Die Anschlußleitungen 5 und 6 sind jeweils mit der Trägerkalotte 10 und mit der Metallfolie 12 leitend verbunden.

Eine weitere Ausführungsform eines bei der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung einsetzbaren Meßwandlers 2 ist in Fig. 6c dargestellt, bei der eine kugelkalottenförmige Piezokeramik 14 in eine Vergußmasse 9 eingebettet ist. Die Meßspannung U_M läßt sich an den Anschlußkabeln 5 und 6 abgreifen. In dieser Ausführungsform genügt es auch, anstatt die Piezoelemente zu vergießen, eine Isoliermasse aufzubringen, z. B. einen Isolierlack dünn aufzutragen.

Der Meßwandler 2, kann auch, wie Fig. 6d darstellt, mit piezoelektrischer Folie 27 aufgebaut sein, die auf der konkaven Seite einer Trägerkugelkalotte 10 aufgeklebt ist. Alternativ kann die piezoelektrische Folie 27 auch auf der konvexen Seite der Kalotte 10 aufgeklebt sein.

Fig. 7 zeigt in Form eines Blockschaltbilds eine Meßsignalauswerteeinrichtung zur Auswertung und graphischen Ausgabe der von einem erfindungsgemäßen Meßwandler 2 abgeleiteten Meßspannung U_M. Hierzu wird die relativ hohe Meß-

spannung U_M durch einen Spannungsteiler 22 reduziert und durch einen Analog/Digital-Wandler 23 digitalisiert und anschließend gespeichert. Die Ausgangswerte (Istwerte) des Analog/Digital-Wandlers 23 werden in einer Auswerteeinheit 25 mit einem Referenzsignal (Sollwert) 24 verglichen. Eine Sollwerterzeugungseinheit 30 kann das Referenzsignal 24 an unterschiedliche Bauformen und Größen eines Meßwandlers 2 und des elektroakustischen Wandlers 1 anpassen. Das von der Auswerteeinheit 25 ausgewertete Meßsignal kann an einer Ausgabeeinheit 26 graphisch angezeigt werden. Die Ausgabeeinheit 26 kann je nach Genauigkeitsvorgabe unterschiedlich ausgelegt sein. Für eine Gut/Schlecht-Entscheidung würden z. B. zwei Leuchtdioden als Anzeige ausreichen. Für eine genauere Auflösung sollte die graphische Ausgabeeinheit 26 aus einem Leuchtdiodenband oder einer numerischen Anzeige bestehen, an der die gemessene Leistung zum Beispiel in Prozentanteilen abgelesen werden kann.

Alternative Ausführungsformen können von der Kugelkalottenform des Meßwandlers und des Schallerzeugers abweichen und andere räumlich gekrümmte Flächen aufweisen, wobei übereinstimmende oder entsprechende Meßeffekte erzielt werden können, sofern der geometrische Ort ihrer Erzeugenden Fokusse bilden und die Symmetrieachse des Schallerzeugers und des Meßwandlers auf einer durch die beiden Fokusse verlaufenden Symmetrielinie liegen.

Claims

1. Einrichtung zur Messung der Schalleistung eines selbstfokussierenden elektroakustischen Wandlers (1) als Schallerzeuger mit einem in das fokussierte Schallfeld des Schallerzeugers (1) eingebrachten, akustoelektrischen Meßwandler (2) als Schallempfänger, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwandler (2) schallempfangsseitig eine räumlich gekrümmte Fläche derart aufweist, daß der geometrische Ort ihrer Erzeugenden einen Fokus (3) des Meßwandlers (2) bildet, und daß die Symmetrieachsen des Schallerzeugers (1) und des Meßwandlers (2) auf einer durch ihre beiden Fokusse (3) verlaufenden Symmetrielinie (S) liegen.

2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallerzeuger (1) schallabstrahlseitig und der Meßwandler (2) schallempfangsseitig die Form einer Kugelkalotte (10) haben.

3. Meßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallerzeuger (1) und der Meßwandler (2) in Bezug auf die Kugelkalotten (10) konzentrisch angeordnet sind und im Schallfeld den Fokus (3) am gleichen Ort haben.

4. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Aperturen des Schallerzeugers (1) und des Meßwandlers übereinstimmen.

5. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwandler (2) in Bezug auf den Schallverlauf vor dem Fokus (3) angeordnet und schallempfangsseitig konvex ausgebildet ist.

6. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwandler (2) in Bezug auf den Schallverlauf hinter dem Fokus (3) angeordnet und schallempfangsseitig konkav ausgebildet ist.

7. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwandler (2) einen als Kugelkalotte ausgebildeten Träger (10) aufweist, auf dessen konkaver Fläche Piezoelemente (7) so angeklebt sind, daß sie über ihre Klebestellen leitend miteinander verbunden sind, wobei die Schalleinkopplung über den Kugelkalottenträger (10) auf die Piezoelemente (7) erfolgt.

8. Meßeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kugelkalottenträger (10) metallisch leitend ist und die einzelnen Räume zwischen den Piezoelementen (7) mit einer Vergußmasse (9) gefüllt sind.

9. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwandler (2) auf die konvexe Fläche eines Kugelkalottenträgers (10) leitend aufgeklebte Piezoelemente (7) aufweist und die Räume zwischen den Piezoelementen mit einer Vergußmasse gefüllt sind, wobei die Schalleinkopplung direkt über die Piezoelemente (7) erfolgt.

10. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwandler (2) eine in eine Vergußmasse eingebettete kalottenförmige Piezokeramik (14) aufweist.

11. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwandler (2) eine mit Isolierstoff überzogene kalottenförmige Piezokeramik (14) aufweist.

12. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwandler (2) eine auf die konvexe oder konkave Fläche eines Kalottenträgers aufgeklebte piezoelektrische Folie aufweist.