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DE3437488C2
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Rainer Dr.-Ing. 7500 Karlsruhe De Riedlinger
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RICHARD WOLF GmbH 7134 KNITTLINGEN DE
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RICHARD WOLF GMBH, 7134 KNITTLINGEN, DE
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    • G10K11/04Acoustic filters ; Acoustic resonators
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
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    • Y10S310/00Electrical generator or motor structure
    • Y10S310/80Piezoelectric polymers, e.g. PVDF

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Schallsender mit einer An­ ordnung zur Unterdrückung negativer Schallimpulse.

Schallsender können in bekannter Weise auf vielfältige Art aus­ gebildet sein, z. B. als elektroakustische Wandler (elektrody­ namischer Wandler, elektromagnetischer Wandler, elektrostati­ scher Wandler, piezoelektrischer Wandler, magnetostriktiver Wandler usw.) oder auf anderen Schallerzeugungsprinzipien ba­ sierend, wie z. B. Explosionssender, hydraulische Schallerzeuger, thermische Schallgeneratoren usw., bei denen nicht unmittelbar elektrische Energie in mechanische Energie umgeformt wird und deren Wandlereigenschaft in der Regel nicht umkehrbar ist, d. h. daß solche Schallsender in der Regel nicht zugleich auch als Empfänger dienen können.

Zur vereinfachten Beschreibung ist im folgenden auf "elektro­ akustische Wandler" Bezug genommen, ohne daß hierdurch eine Einschränkung der Erfindung erfolgen soll.

Bei elektroakustischen Wandlern ist in der Regel nicht zu ver­ meiden, daß jeder positiven Impulshalbwelle eine negative Im­ pulshalbwelle oder umgekehrt folgt. Es ist nun in vielen Fäl­ len bei Anwendung elektroakustischer Wandler erforderlich, entweder nur mit den positiven oder negativen Wellenteilen der erzeugten akustischen Ultraschallschwingungen zu arbeiten. Es sind verschiedene Methoden bekannt, um die negative Impuls­ welle zu unterdrücken, z. B. durch eine starke mechanische oder elektrische Dämpfung des elektroakustischen Wandlersystems selbst oder die Nachregelung der Wandlerbewegung durch Rück­ führung der gemessenen Ausgangsgröße.

Gegenüber bekannten Lösungen besteht die Aufgabe der Erfindung darin, bei Schallsendern auf besonders einfache Weise nur die positiven Halbwellen zur Anwendung zu bringen und die negativen Halbwellen zu unterdrücken.

Diese Aufgabe wird gegenüber den bekannten, einen äußerst hohen Aufwand erfordernden Maßnahmen nach der Erfindung dadurch ge­ löst, daß unmittelbar vor dem Schallsender oder in seinem aku­ stischen Signalweg eine akustische Diode geschaltet ist, die aus mindestens zwei aneinanderliegenden, am Umfang befestigten Folien besteht, deren einander zugekehrte Flächen durch Adhäsion und/oder Kohäsion als beeinflußbarem Schwellwert aneinanderhaften und bei ne­ gativem Schalldruck ein Auseinanderziehen der Folien erlauben, während positive Schalldrucke infolge des bestehenden mechanischen Kontaktes der Folien in nahezu unver­ änderter Höhe übertragen werden können.

Durch diese Lösung wird die negative Halbwelle jedes Schallim­ pulses infolge des zeitlich und räumlich begrenzten Auseinan­ derziehens der Folien mindestens teilweise unterdrückt bzw. gegen den Durchgang durch die Diode gesperrt, und damit können die positiven Halbwellen bzw. unipolaren Impulse mit relativ geringem Aufwand hergestellt und benutzt werden. Die Lösung nach der Erfindung arbeitet auf akustischem Gebiet ähnlich wie eine elektrische Diode und wird daher hier als akustische Diode bezeichnet.

Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Adhäsion und/oder Kohäsion zwischen den Folien einer akusti­ schen Diode kann auf vielfache Weise, und zwar je nach Anwen­ dungszweck bestimmt werden, z. B. durch Art und Wahl des Folien­ materials, durch den Abstand der Folien, durch Erteilung einer Oberflächenstruktur bzw. Aufrauhung der Folien, durch zwischen die Folien eingeführte feste, pulverförmige, flüssige oder gas­ förmige Stoffe und besonders einfach durch ein Vakuum, welches auch in der Höhe durch eine Vakuumpumpe einstellbar ist. Schließ­ lich ist eine Adhäsion auch durch eine elektrostatische Einwir­ kung einstellbar.

Nach einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung bestehen die mindestens zwei erforderlichen Folien der akustischen Diode, und soweit vorgesehen, auch evtl. Zwischenlagen, aus Metall oder Kunststoff oder einer Kombina­ tion, wobei bei Anwendung von mehr als zwei Folien mindestens eine Folie vorteilhaft elektrostatische Wandlereigenschaften aufweisen soll. Die elektroakustische Wandlereigenschaft die­ ser Folie bzw. Folien erlaubt einerseits die Messung des Schall­ druckes unmittelbar an der akustischen Diode (an der dem Schall­ sender zugewandten oder abgewandten Seite, je nach deren Posi­ tion in der gesamten Folienanordnung) und andererseits erlaubt eine Folie mit elektroakustischer Wandlereigenschaft eine (zu­ sätzlich zur sowieso bestehenden mechanischen Wirkung der aku­ stischen Diode) elektrische Steuerbarkeit der Schalldurchgangs­ eigenschaften.

Die Foliendicken sind vorteilhaft kleiner als die Wellenlänge der vom Schallsender abgestrahlten Schallwelle zu wählen, da­ mit bei einer von der Schallkennimpedanz des schallführenden Mediums abweichenden Schallkennimpedanz der Folien keine nen­ nenswerte Durchgangsverluste auftreten.

Bei Anwendung der akustischen Diode kann sie gekrümmt der Schall­ wellenfront eines akustischen Wandlers angepaßt werden und es können zur Erhöhung ihrer Wirkung mehrere akustische Dioden unter elektrischer Isolierung (soweit dies schaltungstechnisch erforderlich erscheint) gegeneinander parallel nebeneinander zur Anwendung kommen, wobei die beiden Enden von einer Hülle abgeschlossen werden, deren mit Gas gefüllte Räume einen leich­ ten, einstellbaren Unterdruck aufweisen. Die Hüllen bilden ei­ nen geschlossenen Raum mit den Folien zur Evakuierung des Rau­ mes.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen piezoelektrischen Wandler zum Zertrümmern von Steinen in menschlichen Körpern,

Fig. 1a einen Teil der Diode als umkreister Teil der Fig. 1 in starker Vergrößerung,

Fig. 1b den gleichen vergrößerten Diodenteil in abgeändertem Aufbau,

Fig. 2 einen gegenüber Fig. 1 vergrößerten Querschnitt durch die akustische Sonde,

Fig. 3 einen üblichen Schallimpuls eines akustischen Wand­ lers,

Fig. 4 den unter Verwendung der Diode nach Fig. 2 abge­ wandelten Schallimpuls,

Fig. 5 eine abgeänderte, schematisch dargestellte Diode mit drei Folien,

Fig. 6, 7 einen üblichen und einen mittels einer akustischen Diode ausgestrahlten Schallimpuls,

Fig. 8 ein akustischer Diodenaufbau mit Regelung im Sperr­ zustand.

In den Fig. 1, 1b, 2, 5, 8 ist die akustische Diode im Zu­ stand der Sperrphase dargestellt, während die Fig. 1a die aku­ stische Diode im Zustand der Durchlaßphase wiedergegeben ist.

Der Schallsender wird vor allem anhand eines Beispieles nach Fig. 1 erläutert. In diesem Beispiel handelt es sich um einen piezo­ elektrischen Wandler zur Zertrümmerung von Nierensteinen oder anderen Steinen in menschlichen Körperhöhlen. Dieser Wandler besteht z. B. entsprechend der Ausführung nach der Patentanmel­ dung P 33 19 871.3 aus einer Kugelschale 1 als Träger für eine piezoelektrische Schicht 2 aus piezokeramischen Körpern. Nach Anlegen einer Spannung werden aus diesem Wandler Ultraschall­ wellen mit einem Brennpunkt 3 ausgestrahlt, der in der Praxis mit dem zu zertrümmernden Stein in Überdeckung gebracht wird. Der Träger 1 mit piezoelektrischer Schicht 2 bildet mit einem seitlichen Abschluß 4 ein mit Wasser gefülltes Gehäuse, welches von einer akustischen Diode 5 abgeschlossen ist, die also im Strahlengang zwischen der piezoelektrischen Schicht 2 und dem Brennpunkt 3 liegt.

Die akustische Diode 5 besteht z. B. nach Fig. 1a aus zwei, auf dem Umfang durch einen Ring 6 dicht eingefaßten Folien 7 und 8, deren Dicke vorteilhaft kleiner ist als die Wellenlänge der vom Wandler ausgestrahlten Schallwelle und die auf ihren Flächen eine Aufrauhung 9 besitzen, durch die ein punktförmi­ ger oder auch flächenförmiger Kontakt zwischen den beiden Fo­ lien 7, 8 besteht, deren in Fig. 2 mit 10 bezeichneter Zwi­ schenraum mit festen, pulverigen, flüssigen oder gasförmigen Stoffen ausgefüllt werden kann, wodurch eine gewollte Adhäsion und/oder Kohäsion zwischen den Folien erreicht wird, die unter­ halb eines Schwellwertes der negativen Halbwellen der ausge­ strahlten Ultraschallimpulse ein Auseinanderziehen der Folien ermöglichen und dadurch schädliche Auswirkungen dieser negati­ ven Halbwellen (Kavitationen) verhindern. Es ist auch möglich, die Räume zwischen den beiden Folien neben den oder ohne die vorerwähnten Maßnahmen an ein Vakuum zu legen und besonders vorteilhaft auch an eine Vakuumpumpe anzuschließen, um die Höhe des Vakuums und damit die Sperrwirkung der akustischen Diode einstellen zu können. Es ist auch möglich, unter den Folien, die aus Metall oder Kunststoff bestehen, eine Auswahl je nach den Eigenschaften des Metalles oder des Kunststoffes zu treffen. Es ist weiter möglich, die gewollte Adhäsion durch eine elektro­ statische Einwirkung zu erreichen.

Die normal ohne die akustische Diode 5 ausgestrahlten Ultra­ schall-Schwingungen besitzen die Wellenform nach Fig. 3. Durch die Zwischenschaltung der akustischen Diode 5 in den Strahlen­ weg des Wandlers wird die negative Halbwelle entsprechend Fig. 4 unterdrückt, d. h. die Diode sperrt die negative Halbwel­ le dadurch, daß die Folien 7, 8 (infolge ihrer Adhäsion oder Kohäsion mit einem Schwellwert behaftet) auseinandergezogen werden können, so daß die übertragbaren negativen Schalldrucke den Betrag des Umgebungsdruckes (CA 1 bar) bei evakuierten Fo­ lienzwischenräumen nicht übersteigen können, also maximal 1 bar betragen, wenn man die Adhäsionskräfte zu Null annimmt.

Wie Fig. 5 zeigt, ist es auch möglich, die Wirkung der akusti­ schen Sonde zu verstärken, z. B. durch Verwendung von mehr als zwei Folien, z. B. drei Folien 7, 8, 11, wobei es vorteilhaft ist, eine der Folien, z. B. die mittlere 11, mit piezoelektri­ schen Eigenschaften zu verwenden. Im Fall nach dem Beispiel Fig. 5 wird die übliche Ultraschallwelle nach Fig. 6 durch Anwendung der Diode so geändert, daß im Prinzip nur noch die positive Halbwelle nach Fig. 7 zur Wirkung kommen kann.

In Fig. 8 ist ein Aufbau einer aus den Lagen 12 bis 18 beste­ henden akustischen Diode gezeigt, welche mit einer elektrischen Regelung 20 versehen ist. Zweck dieser Regelung 20 ist, die Absenkung des Betrages des aus den Fig. 4 und 7 ersichtlichen Begrenzungswertes. Dies geschieht auf folgende Weise.

Die dem Schallsender zugewandten Folien 12, 13 sind Bestandteil eines elektrostatischen Druckaufnehmers (Kondensatorempfänger mit festem Dielektrikum) und liefern über den Eingang 21 eine druckproportionale Größe an den Regler 20. Dieser hält über seinen Ausgang 22 so lange gegensinnige Ladungen an den Fo­ lienelektroden 14, 16, wie der von den Folien 12, 13 festge­ stellte Druck positiv ist. Beim Entstehen negativen Druckes an der Folie 12 wird über die Eingänge 21 dem Regler eine Eingangsgröße zugeführt, welche über dessen Ausgang 22 gleich­ sinnige Ladungen auf die Folienelektroden 14, 17 bringt und somit in einstellbarer Höhe den Häsionskräften zwischen 14, 15, 16 entgegenwirkt und die mechanische Trennung der Folien 14, 16 (ggf. 15) unterstützt. Die Folie 15 ist eine elektrisch isolierende, nach Material und Oberflächenbeschaffenheit als geeignet ausgesuchte Zwischenlage, z. B. eine Teflon-Schälfolie. Die Folien 17, 18 sind Bestandteile eines weiteren Kondensa­ torwandlers mit festem Dielektrium zur Messung des Druckes auf der abgewandten Seiten.

Claims (8)

1. Schallsender mit einer Anordnung zur Unterdrückung negati­ ver Schallpulse, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar vor dem Sender oder in seinem akustischen Signalweg eine akustische Diode geschaltet ist, die aus mindestens zwei aneinanderliegenden, am Umfang befestigten Folien (7, 8) besteht, deren einander zugekehrte Flächen durch Adhäsion und/oder Kohäsion als beeinflußbarem Schwellwert anein­ ander haften und bei negativem Schalldruck ein Auseinanderziehen der Fo­ lien (7, 8) erlauben, während positive Schalldrucke infolge des bestehenden mechanischen Kontaktes der Folien (7, 8) in nahezu unveränderter Höhe übertragen werden können.
2. Schallsender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Adhäsion und/oder Kohäsion der Folien (7, 8) je nach Anwendungszweck des Senders durch die Art und die Wahl des Folienmaterials, durch einen gegen die Schallauslenkungen des schallführen­ den Mediums kleinen Folienabstand, durch die Folienober­ flächenstruktur, durch eingeführte feste, flüssige oder gasförmige Stoffe, durch Vakuum oder durch elektrostatische Einwirkung bestimmbar ist.
3. Schallsender nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Folien (7, 8) aus Metall oder Kunststoff bestehen und bei Vorsehen von mehr als zwei Folien mindestens eine piezoelektrische Eigenschaften hat.
4. Schallsender nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Foliendicke der Folien (7, 8) kleiner ist als die Schall­ wellenlänge des Wandlers.
5. Schallsender nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der statische Druck zwischen den Folien (7, 8) durch eine anschließbare Vakuumpumpe einstellbar ist.
6. Schallsender nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Folien der akustischen Diode eine der Schallwellenfront angepaßte Krümmung besitzen.
7. Schallsender nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mehrere akustische Dioden unter Isolierung voneinander parallel nebeneinander angeordnet sind und an den Enden von einer Hülle abgedeckt sind, deren mit Gas ge­ füllte Räume einen leichten einstellbaren Unterdruck aufwei­ sen.
8. Schallsender nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die akustische Diode den Ultraschallaus­ gang eines piezoelektrischen Wandlers abschließt, der in bekannter Weise aus einer piezoelektrischen Schicht (2) aus zy­ lindrischen piezokeramischen Körpern besteht, die auf einem den Ultraschall in einem Brennpunkt konzentrierenden Träger in Form einer Kugelschale (1) angeordnet ist.
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