DE4433224C1 - Ansteuerschaltung für eine Impulsschallquelle - Google Patents
Ansteuerschaltung für eine ImpulsschallquelleInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Ansteuerschaltung für eine Impulsschall
quelle, insbesondere eine Hochleistungsimpulsschallquelle gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Eine solche Ansteuerschaltung ist
z. B. aus der DE-A-39 37 904 bekannt.
Impulsschallquellen werden seit einigen Jahren in der Medizin zur
Zertrümmerung von Konkrementen im Körperinneren eingesetzt. Neue
Anwendungen der Beschallung von Körperteilen durch impulsförmige
Schallwellen werden im Bereich der Osteotherapie, Tumortherapie
sowie der Behandlung von Weichteilschmerzen erschlossen. Deshalb
werden für eine effiziente und erfolgreiche Behandlung Schallquellen
mit hoher Leistungsreserve bei gleichzeitig möglichst hoher Lebens
dauer benötigt. Allgemein sind als Impulsschallquellen solche mit
piezoelektrischen, elektromagnetischen, elektrohydraulischen sowie
magnetostriktiven Wandlern bzw. Wandlerelementen bekannt.
In Fig. 1 ist eine Grundschaltung zur Ansteuerung elektro-akustischer
Impulsschallquellen 1 dargestellt. Zur Ansteuerung wird ein hoch
spannungsfester Stoßkondensator 2 über einen Ladewiderstand 3
aufgeladen. Die impulsartige Anregung der Schallquelle 1 erfolgt
durch Schließen eines Hochspannungsschalters 4. Ein Widerstand 6
dient im wesentlichen zur Dämpfung der aufgrund unvermeidlicher
Zuleitungsinduktivitäten auftretenden Schwingungen und begrenzt
gleichzeitig den maximalen Entladestrom, der durch die Impulsschall
quelle 1 fließen kann. Als Hochspannungsschalter 4 finden beispiels
weise Triggerschaltfunkenstrecken, Überspannungsschaltfunkenstrecken,
Vakuumrelais, Schaltröhren (z. B. Thyratrons), Transistor- und
Thyristorschalter Verwendung.
Abgesehen von einer in Fig. 1 gleichfalls gezeigten Triggerschaltung
5 zur Triggerung des Hochspannungsschalters 4 entspricht die in Fig. 1
gezeigte Schaltung weitgehend der aus der oben genannten DE-A-39 37 904
bekannten Ansteuerschaltung. Als Impulsschallquelle zeigt
diese Druckschrift eine Funkenstrecke, und zur Verbesserung des
Zündverhaltens der Funkenstrecke wird zwischen den Elektroden der
Funkenstrecke eine Spannung angelegt, die sehr viel kleiner als die
Durchschlagspannung ist und die einen kleinen elektrischen Strom
zwischen den Elektroden fließen läßt, wodurch eine lokale Aufhei
zung im Bereich der Spitzen der Elektroden bewirkt wird. Außerdem
führt dieser Strom zur Hydrolyse, wobei an den Elektrodenoberflä
chen kleine Gasbläschen entstehen, die die Leaderbildung begün
stigen.
Die Fig. 2a, 2b, 2c, 2d stellen jeweils in Form eines vereinfachten
elektrischen Ersatzschaltbildes die oben genannten, prinzipiell zum
Einsatz kommenden elektroakustischen Impulsschallquellen dar.
Die Fig. 2a zeigt eine piezoelektrische Impulsschallquelle 1a als
kapazitive Last mit parallel geschaltetem Entladewiderstand 12.
Der in Fig. 1 gezeigte Dämpfungswiderstand 6 wird so dimensio
niert, daß die Wandlerspannung ihr Maximum innerhalb der ein
fachen Laufzeit T des Schalls in der Keramik (gemessen in Schall
abstrahlrichtung) erreicht. Um den hohen elektroakustischen
Wirkungsgrad der piezoelektrischen Impulsschallquelle auszunut
zen, wird der Wert des Entladewiderstandes 12 so gewählt, daß
die durch ihn gegebene Entladezeitkonstante mindestens das
zehnfache, besser das zwanzig- bis dreißigfache der einfachen
Laufzeit T des Schalls in der Keramik erreicht.
Die Fig. 2b zeigt eine elektromagnetische Impulsschallquelle 1b,
die eine induktive Last darstellt und vereinfacht als Transformator
mit kurzgeschlossener Sekundärwicklung dargestellt ist. In Fig. 2c
ist eine elektrohydraulische Schallquelle 1c mit einer Flüssigkeits-
Funkenstrecke gezeigt, die im wesentlichen eine ohmsche Last ist.
Die Fig. 2d zeigt eine magnetostriktive Impulsschallquelle 1d, die
aus mindestens einer Erregerspule besteht, deren Magnetfeld
einen z. B. zylindrischen magnetostriktiven Werkstoff auslenkt.
Aus der DE-A-42 12 809 ist eine Therapieeinrichtung zur Behand
lung eines Lebewesens mit fokussierten, akustischen Wellen be
kannt. Diese Einrichtung weist eine Ansteuerschaltung auf, wie sie
aus den Figuren erkennbar ist. Es ist eine Druckimpulsquelle mit
einem Hochspannungskabel und einem Hochspannungsschalter
(Entladekreis) vorhanden sowie eine Ladestromquelle (Ladekreis),
gemäß Fig. 1. Ferner ist in der Beschreibung in Spalte 7, Zeile 3
bis Zeile 9 angegeben, daß zur Auslösung eines Druckimpulses die
Steuer- und Rechenelektronik über die Steuerleitung jeweils den
Hochspannungsschalter kurzzeitig schließt, so daß sich die in der
Kondensatorbank des Hochspannungsimpulsgenerators gespeicher
te Energie in die Druckimpulsquelle entlädt. Durch dieses kurz
zeitige Schließen des Hochspannungsschalters wird nach erfolgter
Entladung ein erneutes Aufladen des Energiespeichers durch die
Ladestromquelle bei geöffnetem Schalter gewährleistet. In dieser
Druckschrift findet sich kein Hinweis, daß die Zeitdauer der
elektrischen Schwingung auf einen vorgegebenen, gewünschten
Wert begrenzt wird bzw. daß eine unvollständige Entladung des
Energiespeichers beabsichtigt oder vorteilhaft wäre. Die Zeitdauer
der gedämpften elektrischen Schwingung wird in der beschriebe
nen Anordnung durch die Kapazität, Induktivität und die Werte
der ohmschen Widerstände bestimmt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die gattungsgemäße
Ansteuerschaltung für Impulsschallquellen so zu verbessern, daß
die mechanische Belastung der schallabstrahlenden Bauteile der
Impulsschallquellen verringert, dadurch die Lebensdauer der
Schallquelle erhöht und die Gleichförmigkeit der während ihrer
Lebensdauer erzeugten Impulsleistung verbessert wird. Dabei soll
als Impulsschallquelle eine der in den Fig. 2a-2d gezeigten Schall
quellen verwendbar sein.
Die obige Aufgabe wird bei einer Ansteuerschaltung für eine Im
pulsschallquelle, insbesondere Hochleistungsimpulsschallquelle, die
aus einem Ladekreis zur Ladung eines Stoßkondensators und
einem zum Stoßkondensator parallel geschalteten Entladekreis
besteht, der wenigstens einen ersten, elektrisch steuerbaren Hoch
spannungsschalter und die Impulsschallquelle enthält, erfindungs
gemäß dadurch gelöst, daß der Entladekreis eine Begrenzerschal
tung aufweist, welche die Zeitdauer der von der im Stoßkondensa
tor gespeicherten Ladung nach dem Schließen des ersten Hoch
spannungsschalters an der Impulsschallquelle erregten elektrischen
Schwingung auf einen vorgegebenen zur Abstrahlung eines er
wünschten Druckpulses erforderlichen vorgegebenen Wert
begrenzt.
Durch die erfindungsgemäße Ansteuerschaltung wird eine höhere
Lebensdauer bei gleicher Leistung bzw. eine höhere Leistung bei
unveränderter Lebensdauer der Impulsschallquelle ermöglicht. Die
mechanische Belastung der schallabstrahlenden Bauteile der Im
pulsschallquellen wird dadurch minimiert, daß durch die Begren
zerschaltung die Zeitdauer der elektrischen Erregung auf das zur
Abstrahlung des erwünschten Druckpulses erforderliche Mindest
maß reduziert wird.
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Ansteuer
schaltung für Impulsschallquellen, wie sie in Patentanspruch 1
gekennzeichnet ist, sind in den Unteransprüchen angegeben.
Im folgenden wird die Erfindung in mehreren prinzipiellen und
einigen bevorzugten Ausführungsformen anhand der beiliegenden
Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 die bereits erläuterte gattungsgemäße Ansteuerschal
tung;
Fig. 2a, 2b, 2c und 2d bereits erläuterte Ersatzschaltbilder der pie
zoelektrischen, elektromagnetischen, elektrohydraulischen
und magnetostriktiven Impulsschallquellen;
Fig. 3 eine erste Variante einer erfindungsgemäßen Ansteuerschal
tung, bei der die Begrenzerschaltung in Form eines Kurz
schlußkreises ausgeführt ist;
Fig. 4 eine zweite Variante der vorgeschlagenen Ansteuerschal
tung, ebenfalls mit einer als Kurzschlußkreis realisierten
Begrenzerschaltung;
Fig. 5 eine dritte Variante einer Ansteuerschaltung, ebenfalls mit
einer als Kurzschlußkreis realisierten Begrenzerschaltung;
Fig. 6a eine vierte Variante einer erfindungsgemäßen Ansteuer
schaltung für eine elektromagnetische Impulsschallquelle,
bei der die Begrenzerschaltung Teil einer Triggerschaltung
für den ersten elektrisch steuerbaren Hochspannungsschalter
ist;
Fig. 6b eine der vierten Variante gemäß Fig. 6a ähnliche Ausfüh
rung einer elektrohydraulischen Impulsschallquelle, bei der
die Begrenzerschaltung ebenfalls ein Teil einer Trigger
schaltung für den ersten Hochspannungsschalter ist;
Fig. 6c eine den Varianten gemäß Fig. 6a und 6b ähnliche An
steuerschaltung für eine magnetostriktive Impulsschallquel
le, wobei auch hier die Begrenzerschaltung Teil einer
Triggerschaltung für den ersten elektrisch steuerbaren
Hochspannungsschalter ist;
Fig. 7a, 7b, 7c jeweils Schwingungskurven der eine piezoelektrische
Impulsschallquelle erregenden elektrischen Spannung und
die daraus resultierenden Pulsformen des von der piezo
elektrischen Impulsschallquelle erzeugten Schalldrucks
jeweils ohne Kurzschluß (Fig. 7a), bei vollständigem Kurz
schluß (Fig. 7b) und bei teilweisem Kurzschluß (Fig. 7c);
Fig. 8a und 8b jeweils Kurvenformen des elektrischen Erregerstroms
an einer elektromagnetischen Impulsschallquelle und die
daraus resultierenden Kurven des erzeugten Schalldrucks
jeweils ohne und mit Kurzschluß- bzw. Begrenzerfunktion;
Fig. 9a, 9b und 9c jeweils Schwingungsformen des elektrischen Erre
gerstroms einer elektrohydraulischen Impulsschallquelle
und die daraus resultierenden Druckimpulsverläufe jeweils
ohne Begrenzungs- bzw. Kurzschlußwirkung und beim
Kurzschluß zu zwei unterschiedlichen Zeitpunkten;
Fig. 10a eine erfindungsgemäße Ansteuerschaltung mit einem Kurz
schlußkreis für eine piezoelektrische Impulsschallquelle mit
Überspannungsfunkenstrecke;
Fig. 10b ein Beispiel eines RC-Netzwerkes zur Verzögerung der
Überspannungsfunkenstrecke;
Fig. 10c ein Beispiel RLC-Netzwerks zur Verzögerung der Überspan
nungsfunkenstrecke;
Fig. 11 die Realisierung eines Kurzschlußkreises durch entspre
chende Dimensionierung des Entladewiderstandes;
Fig. 12 eine erste Ausführungsform einer Ansteuerschaltung mit
Kurzschlußkreis für eine piezoelektrische Impulsschallquel
le;
Fig. 13 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen An
steuerschaltung mit einem Kurzschlußkreis für eine piezo
elektrische Impulsschallquelle, bei der der Kurzschlußkreis
lediglich aus passiven Bauelementen besteht; und
Fig. 14 ein Schaltungsbeispiel einer Ansteuerschaltung für eine pie
zoelektrische Impulsschallquelle, die einen Kurzschlußkreis
für eine partielle Kurzschlußentladung aufweist.
Die in den Fig. 3 bis 5 gezeigten Varianten der Grundschaltung der
erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung weisen in Ergänzung zu der in
Fig. 1 dargestellten, bereits beschriebenen Ansteuerschaltung zusätz
lich einen Kurzschlußkreis auf, der aus einem zweiten Hochspan
nungsschalter 7 und einem den Kurzschlußstrom durch den Hochspan
nungsschalter 7 begrenzenden Widerstand 9 besteht. Der Hochspan
nungsschalter 7 wird durch eine Triggerschaltung 8 betätigt. Das
verzögerte Einschalten des zweiten Hochspannungsschalters 7 gegen
über dem Einschalten des ersten Hochspannungsschalters 4 bestimmt
die Zeitdauer der elektrischen Erregung.
Bei der in Fig. 3 gezeigten ersten Grundschaltungsvariante liegt der
Kurzschlußkreis unmittelbar parallel zur Impulsschallquelle 1. Bei der
in Fig. 4 gezeigten zweiten Grundschaltungsvariante liegt der Kurz
schlußkreis parallel zu der Reihenschaltung aus der Impulsschallquel
le 1 und dem Widerstand 6 der zur Strombegrenzung und zur
Schwingungsdämpfung dient. Bei der in Fig. 5 gezeigten dritten
Grundschaltungsvariante liegt der Kurzschlußkreis unmittelbar par
allel zum Stoßkondensator 2.
Anhand der Spannungs-Zeit, Strom-Zeit sowie der Druck-Zeitdia
gramme, die in den Fig. 7a, 7b, 7c, 8a, 8b, 9a, 9b und 9c darge
stellt sind, werden nun die Funktionen der mit dem Kurzschlußkreis
versehenen erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung gemäß den Grund
schaltungen von Fig. 3 bis 5 bei Verwendung der verschiedenen
elektroakustischen Impulsschallquellen erläutert:
Der zeitliche Verlauf der elektrischen Spannung UPE an einer piezo
elektrischen Impulsschallquelle 1a wird durch die Schwingung der
elektrischen Ladung zwischen dem Stoßkondensator 2 und der Im
pulsschallquelle 1a sowie durch das mechanische Einschwingen der
Impulsschallquelle bestimmt (vgl. die Kurve 70 in Fig. 7a). Für die
Abstrahlung des durch die Kurve 71 in Fig. 7a dargestellten unipola
ren Druckpulses ist der Spannungsverlauf UPE im Zeitintervall 0 t τ
maßgebend. τ ist die Summe der in Fig. 7a veranschaulichten
einfachen Laufzeit T des Schalls im piezoelektrischen Material und
der Anstiegszeit T′ der elektrischen Erregung, wobei, wie zu Fig. 2a
erläutert wurde, T′ < T gilt.
Durch Kurzschließen der elektrischen Erregung zu Zeitpunkten t τ,
bevorzugt zu t = τ wird die Erregung der Impulsschallquelle 1a
abgebrochen, ohne daß sich der Verlauf des im Zeitintervall 0 t τ
abgestrahlten, unipolaren Druckpulses wesentlich verändert.
Hierdurch wird eine schnelle Rückkehr des piezoelektrischen Materi
als in seine Ausgangslage eingeleitet. Dies ist, wie die Kurve 73 in
Fig. 7b zeigt, mit der Abstrahlung eines an sich unerwünschten Zug
wellenanteils verbunden, der durch den Verlauf der Kurve 73 im
negativen Bereich der P-Ordinate dargestellt ist. Wählt man den Wert
des Dämpfungswiderstands 9 jedoch so, daß die Spannung UPE in
einem Zeitintervall Δt′ mit τ Δt′ < 10 T abklingt, so bleibt der
durch das Kurzschließen verursachte Zugwellenanteil klein gegenüber
dem Zugwellenanteil, der durch den in der Praxis meist realisierten
schallweichen rückseitigen Abschluß des piezoelektrischen Materials
gegeben ist. Durch das Kurzschließen der Schallquelle zum Zeitpunkt
t τ wird die Auslenkung des Piezomaterials auf das zeitlich erfor
derliche Mindestmaß begrenzt. Somit wird die mechanische Belastung
von Anpaß-, Verguß- und Klebeschichten sowie des Piezomaterials
vermindert und dadurch eine höhere Lebensdauer erzielt.
Um den hohen elektroakustischen Wirkungsgrad der piezoelektrischen
Schallquelle auszunutzen, darf für t τ keine elektrische Ladung
abfließen. Andererseits soll sie, um die mechanisch-elektrische Bela
stung gering zu halten, für t τ möglichst schnell abgebaut werden.
Aus diesem Grund wird die beste gewünschte Wirkung erzielt, wenn
der Kurzschlußkreis zum Zeitpunkt t = τ eingeschaltet wird und
dann den Kurzschluß bewirkt.
Zu erwähnen ist, daß anstatt der bisher beschriebenen vollständigen
Kurzschlußentladung auf Nullpotential die Kurzschlußentladung auch
nur partiell, d. h. auf ein Zwischenpotential Uz durchgeführt werden
kann. Auf diese Weise wird einerseits die für die Lebensdauer der
Schallquelle maßgebliche Spitzenbelastung schnellstmöglich abgebaut,
andererseits wird der als Folge des Kurzschlusses abgestrahlte Zug
wellenanteil vermindert. In den Fig. 7b und 7c sind die Spannungs
verläufe 72 und 74 bei vorgegebenem Spannungsgradienten sowie die
zugeordneten Druck- und Zugwellenverläufe 73, 75 jeweils für die
vollständige und die partielle Kurzschlußentladung dargestellt. Am
plitude und Pulsbreite des Zugwellenanteils gehen bei partieller
Kurzschlußentladung merklich zurück. Hierbei gelingt, wie dies in
Fig. 7c dargestellt ist, die Reduktion der Zugwellenamplitude bevor
zugt dadurch, daß die partielle Kurzschlußentladung auf ein Zeitinter
vall kleiner als T beschränkt wird. Eine anschließende Entladung
vom Zwischenpotential Uz auf Nullpotential erfolgt mit einer höheren
Zeitkonstanten und demzufolge vernachlässigbarer Zugwellenamplitu
de.
Als Beispiel einer Schaltung zur partiellen Kurzschlußentladung einer
piezoelektrischen Impulsschallquelle ist die Ansteuerschaltung in Fig.
14 dargestellt. Der im Kurzschlußkreis befindliche zweite Hochspan
nungsschalter 7 wird gegenüber dem ersten Hochspannungsschalter 4
um das Zeitintervall Δt τ verzögert betätigt. Dadurch entlädt sich
die Schallquelle kurzschlußartig über den Widerstand 9 in den Kon
densator 25, wobei sich das Zwischenpotential Uz einstellt. Der
Widerstand 26 ist erforderlich, falls eine Entladung des Kondensators
25 über den zweiten Hochspannungsschalter 7 und den Entladewider
stand 12 nicht gewährleistet ist. Dies gilt insbesondere bei der Reali
sierung des zweiten Hochspannungsschalters als Schaltfunkenstrecke.
Des weiteren kann es vorteilhaft sein, die Begrenzerschaltung bzw.
den Kurzschlußkreis wahlweise zu aktivieren oder zu deaktivieren.
Für eine piezoelektrische Impulsschallquelle ist es beispielsweise
sinnvoll, die Begrenzerschaltung für niedere und mittlere Leistung zu
deaktivieren, um einen besonders gewebeschonenden Druckpuls mit
minimalem Zugwellenanteil (vgl. Fig. 7a) abzustrahlen. Bei hoher
Leistung und entsprechend hoher mechanischer Belastung muß die
Begrenzerschaltung aktiviert werden (vgl. Fig. 7b bzw. 7c), um eine
ausreichende Lebensdauer zu erzielen. Die höchste Lebensdauer wird
in jedem Fall bei permanent aktivierter Begrenzerschaltung erreicht.
Die elektrische Erregung der elektromagnetischen Impulsschallquelle
1b (Fig. 6a) erfolgt durch Entladung des Stoßkondensators 2 über die
Induktivität der Schallquelle in Form einer gedämpften Schwingung
mit der Periode T₁. Der Verlauf des elektrischen Stromes IEM durch
die Schallquelle ist als Kurve 80 in Fig. 8a dargestellt. Der als
Kurve 81 in Fig. 8a dargestellte zeitliche Verlauf des Schalldrucks P
ist proportional dem Quadrat des elektrischen Stromes IEM durch die
Schallquelle. Folglich liefert die erste Halbwelle des elektrischen
Stromes IEM im Zeitintervall 0 t T₁/2 den erwünschten ersten
Druckpuls hoher Amplitude, dem für jede weitere Halbwelle weitere
Druckpulse mit jeweils abnehmender Amplitude folgen (Fig. 8a). Die
Gesamtauslenkung der schwingenden Membran ist, bedingt durch ihre
Trägheit, im wesentlichen die Summe der den aufeinanderfolgenden
Druckpulsen zugeordneten Einzelauslenkungen.
Erfindungsgemäß wird deshalb die gedämpfte elektrische Schwingung
durch Kurzschließen der Schallquelle 1b bzw. des Stoßkondensators
2 unmittelbar nach der ersten Halbwelle des Entladestromes mittels
des Kurzschlußkreises unterbrochen, so daß die Kurven 82 und 83
des zeitlichen Verlaufs des Stromes IEM und des Druckes P in Fig. 8b
entstehen. Dadurch wird die Gesamtauslenkung der Membran auf
das erforderliche Minimum begrenzt und aufgrund der reduzierten
mechanischen Belastung eine höhere Lebensdauer erzielt.
Die Fig. 6a zeigt eine für eine elektromagnetische Impulsschallquelle
verwendbare alternative Ansteuerschaltung, die anstatt eines Kurz
schlußkreises eine Begrenzerschaltung enthält, die einer Trigger
schaltung 11 für einen ein- ausschaltbaren Hochspannungsschalter 10
zugeordnet ist. Der Hochspannungsschalter 10 wird durch die Trig
gerschaltung 11 zur Ansteuerung der Impulsschallquelle 1b geschlos
sen und nach dem Zeitintervall T₁/2 wieder geöffnet. Das Zeitinter
vall T₁/2 kann 100 ns bis 10 µs betragen. Nach dem heutigen Stand
der Technik sind hierfür beispielsweise Lösch-Funkenstrecken, Hoch
spannungsschaltröhren (z. B. Tyrathrons), Hochspannungstransistor
schalter oder ein- ausschaltbare Thyristoren geeignet.
Die elektrische Erregung der elektrohydraulischen Impulsschallquelle
1c (Fig. 6b) erfolgt durch Entladung des Stoßkondensators 2 in einen
nichtlinearen, zeitabhängigen elektrischen Widerstand der als Flüssig
keits-Funkenstrecke realisierten Impulsschallquelle. Dabei wird Schall
durch die Ausdehnung des in der Flüssigkeit erzeugten Plasmas in
Form einer Stoßwelle abgestrahlt.
Bedingt durch die unvermeidliche Induktivität der Funkenstrecke und
der Zuleitungen zwischen dem Stoßkondensator und der Impulsschall
quelle entsteht eine durch den Widerstand der Funkenstrecke ge
dämpfte elektrische Schwingung des Stromes IEH mit der Halbperiode
T₂ (vgl. Kurve 90 in Fig. 9a). Die Druckamplitude der in die Flüs
sigkeit abgestrahlten Druckwelle, wie sie durch die Kurve 91 in Fig. 9a
dargestellt ist, ist im wesentlichen durch die Amplitude und die
Anstiegszeit und somit durch die erste Viertelperiode 0 t T₂/2
der Stromschwingung IEH(t) gegeben. Die zweite Viertelperiode T₂/2 t T₂
beeinflußt die abfallende Flanke der Druckwelle P(t)
gemäß Kurve 91. Der sich an die erste Halbperiode T₂ anschließende
Stromfluß heizt das Plasma zwar weiter auf, er ist aber für die
Amplitude und die Pulsform der zu diesem Zeitpunkt bereits ausgelö
sten Druckwelle ohne Bedeutung.
Um den Abbrand der Elektroden der Flüssigkeits-Funkenstrecke zu
minimieren und damit die Lebensdauer und die Gleichmäßigkeit über
die Zeit der Funktion der Elektroden zu erhöhen, wird erfindungs
gemäß die gedämpfte elektrische Schwingung durch Kurzschließen
der Elektroden entweder unmittelbar nach der ersten Viertelperiode
t T₂/2 (vgl. die Kurven 92 und 93 in Fig. 9b) bzw. nach der
ersten Halbperiode t T₂ (vgl. die Kurven 94 und 95 in Fig. 9c)
unterbrochen. Bei dem Druckverlauf P(t) gemäß Kurve 93 in Fig. 9b
ist die Druckamplitude unverändert, die Pulsform jedoch anders als
in Fig. 9a, während bei dem Druckverlauf P(t) gemäß Kurve 95 in
Fig. 9c die Amplitude und Pulsform gegenüber dem Druckverlauf 91
gemäß Fig. 9a unverändert bleiben.
Ähnlich wie für die elektromagnetische Impulsschallquelle kann statt
des Einsatzes eines Kurzschlußkreises auch bei der elektrohydrauli
schen Impulsschallquelle die Begrenzerschaltung in Form einer Trig
gerschaltung 11 für einen ein- und ausschaltbaren Hochspannungs
schalter 10 realisiert werden, welcher ein Schließen und wieder
Öffnen nach Ablauf des Zeitintervalls T₂/2 bzw. T₂ in der Größen
ordnung von beispielsweise 100 ns . . . 10 µs erlaubt (vgl. Fig. 6b).
Magnetostriktive Impulsschallquellen werden zur Leistungsschaller
zeugung bisher nicht eingesetzt. Sobald jedoch geeignete magneto
striktive Werkstoffe zur Verfügung stehen, ist zu erwarten, daß das
am Beispiel der piezoelektrischen, elektromagnetischen und elek
trohydraulischen Impulsschallquellen beschriebene Unterbrechen der
elektrischen Anregung möglichst unmittelbar, nachdem die gewünsch
te Druckpulsform akustisch abgestrahlt wurde, sich auch entsprechend
günstig auf die Lebensdauer einer magnetostriktiven Impulsschallquel
le auswirkt. Das Vorzeichen der Längenänderung ist ein Parameter
des jeweiligen magnetostriktiven Werkstoffs. Eine Ansteuerschaltung
gemäß der Erfindung nach den Fig. 3 bis 6 erlaubt beispielsweise bei
einem Werkstoff mit positiver Längenänderung die Abstrahlung eines
Druckpulses, während bei einem Werkstoff mit negativer Längen
änderung ein Zugpuls abgestrahlt wird.
Fig. 6c zeigt eine Ansteuerschaltung für eine magnetostriktive Im
pulsschallquelle 1d, bei welcher der anhand der Fig. 3 bis 5 be
schriebene Kurzschlußkreis durch eine Begrenzerschaltung ersetzt ist,
die in einer Triggerschaltung 11 für einen Hochspannungsschalter 10
realisiert ist.
Die Fig. 10a, 10b, 10c und 11 zeigen Schaltungsvarianten einer An
steuerschaltung für eine piezoelektrische Impulsschallquelle 1a, die
einen Kurzschlußkreis unter Verwendung rein passiver Bauelemente
enthält.
Gemäß Fig. 10a besteht der Kurzschlußkreis aus einer Überspan
nungsfunkenstrecke 13, die gegebenenfalls ergänzt wird durch einen
Widerstand 9 zur Begrenzung des Kurzschlußstromes. Die Funken
strecke ist so ausgelegt, daß sie aufgrund ihrer Eigenverzögerung
zum Zeitpunkt t τ (vgl. die Fig. 7a bis 7c) anspricht. Selbstver
ständlich ist es auch möglich und in den Fig. 10b und 10c gezeigt,
in bekannter Weise ein Netzwerk aus passiven Bauelementen 14, 15,
16 zur Verzögerung der Zündung der Funkenstrecke einzusetzen.
Der Kurzschlußkreis liegt bei den Schaltungsvarianten der Ansteuer
schaltung gemäß den Fig. 10a, 10b, 10c und 11 unmittelbar parallel
zur piezoelektrischen Impulsschallquelle 1a, was der oben anhand der
Fig. 3 beschriebenen Prinzipschaltung entspricht.
In Fig. 10b ist ein aus einem Widerstand 14 und einer Kapazität 15
bestehendes RC-Glied zwischen die Impulsschallquelle 1a und die
Überspannungsfunkenstrecke 13 zur Verzögerung der Zündung ge
schaltet; in Fig. 10c ist ein aus einem Widerstand 14, einer Induk
tivität 16 und einer Kapazität 15 bestehendes RLC-Netzwerk zwi
schen die piezoelektrische Impulsschallquelle 1a und die Überspan
nungsfunkenstrecke 13 zur Verzögerung der Zündung geschaltet.
Fig. 11 zeigt, daß es möglich ist, die Wirkung des Kurzschlußkreises
für eine piezoelektrische Impulsschallquelle in einfachster Weise
dadurch zu realisieren, daß der Entladewiderstand 12a so klein wie
möglich gewählt wird.
Bei bekannten Ansteuerschaltungen nimmt der Entladewiderstand 12
(Fig. 2a) mindestens den zehnfachen Wert des Dämpfungswiderstan
des 6 an, um dadurch den elektroakustischen Wirkungsgrad der
piezoelektrischen Quelle nicht durch deren äußere Beschaltung unnö
tig herabzusetzen. Um die Wirkungsweise eines Kurzschlußkreises
nachzubilden, wird gemäß Fig. 11 für den Entladewiderstand 12a ein
Wert kleiner als der zehnfache Widerstandswert des Dämpfungswider
standes 6, bevorzugt kleiner oder gleich dem sechsfachen Wert des
Dämpfungswiderstandes 6 gewählt. Selbstverständlich muß dann, um
die Spannung an der Impulsschallquelle und damit die akustisch
abgestrahlte Energie konstant zu halten, mit abnehmendem Entladewi
derstand 12a die Ladespannung des Stoßkondensators 2 zunehmen.
Die Fig. 12 zeigt eine vorteilhafte Schaltungsvariante einer erfin
dungsgemäßen Ansteuerschaltung für eine piezoelektrische Impuls
schallquelle 1a. Eine triggerbare Schaltfunkenstrecke 17 wird zeitlich
verzögert gegenüber dem ersten Hochspannungsschalter 4 gezündet.
Dazu wird ein Hochspannungspuls zwischen dem ersten Hochspan
nungsschalter 4 und dem Dämpfungswiderstand 6 abgegriffen und
über eine LC-Laufzeitkette 18a, 18b, 18c, 19a, 19b, 19c, einen
Koppelkondensator 20 sowie einen Widerstand 21 der Triggerelek
trode der Schaltfunkenstrecke 17 zugeführt. Die Amplitude des an
der Triggerelektrode angelegten Triggerimpulses wird durch die
Laufzeitkette überhöht. Die Zündverzögerung der Schaltfunkenstrecke
ist durch die LC-Laufzeitkette sowie durch die Eigenverzögerung der
Schaltfunkenstrecke gegeben. Bei Wahl einer Schaltfunkenstrecke mit
entsprechend hoher Eigenverzögerung kann die Anzahl der Glieder
der LC-Laufzeitkette reduziert oder die Laufzeitkette sogar ganz
entfallen. Insbesondere im letzteren Fall muß der Triggerstrom über
den Widerstand 21 bzw. die abfließende Ladung über den Koppelkon
densator 20 begrenzt werden. Der Widerstand 22 dient dem Potential
ausgleich zwischen der Triggerelektrode und der benachbarten Haupt
elektrode der Schaltfunkenstrecke 17.
Die Fig. 12 enthält weiter einen Schalter 27, der dazu dient, den
Kurzschlußkreis für niedere und mittlere Leistungen der Impulsschall
quelle zu deaktivieren, falls, wie bei der Beschreibung der Fig. 7
bereits erwähnt wurde, ein besonders gewebeschonender Druckpuls
abgestrahlt werden soll.
Die in Fig. 12 gezeigte Schaltung macht auch deutlich, daß es zur
Zündung des zweiten Hochspannungsschalters 7 bzw. der triggerbaren
Schaltfunkenstrecke 17 aufgrund der sich bei einem Hochspannungs
schalter, insbesondere bei Schaltfunkenstrecken ergebenden unter
schiedlichen Zündverzögerung in der Größenordnung von 100 ns bis
zu einigen µs für eine definierte Verzögerung der Zündung bzw. der
Kurzschlußentladung in der Regel nicht ausreichend ist, die Ansteuer
signale für den ersten und zweiten Hochspannungsschalter 4 und 7,
die jeweils die Triggerschaltung 5 und 8 erzeugen, einfach im Ver
hältnis zueinander zu verzögern. Vielmehr ist es, wie Fig. 12 zeigt,
erforderlich, ein mit dem Schaltzeitpunkt vom ersten Hochspannungs
schalter 4 verknüpftes Meßsignal abzugreifen und dieses entsprechend
verzögert und elektronisch aufbereitet dem zweiten Hochspannungs
schalter 7, insbesondere der triggerbaren Schaltfunkenstrecke 17, als
Triggersignal zuzuführen. Ein solches Meßsignal läßt sich beispiels
weise aus dem beim Schließen des ersten Hochspannungsschalters 4
einsetzenden Stromfluß, der Spannungsänderung am Stoßkondensator
oder der Impulsschallquelle 1 sowie im Falle einer Schaltfunken
strecke als ersten Hochspannungsschalter 7 auch auf optischem Wege
aus dem Lichtblitz der Plasmaentladung gewinnen.
Aus dem Meßsignal für den Schaltzeitpunkt des ersten Hochspan
nungsschalters 4 sowie einem zweiten entsprechenden Meßsignal für
den Schaltzeitpunkt des zweiten Hochspannungsschalters 7 läßt sich
die Verzögerung der durch den Kurzschlußkreis bewirkten Kurzschluß
entladung regeln. Auf diese Weise kann beispielsweise eine Drift
des Zeitpunkts der Kurzschlußentladung bei fortschreitendem Ver
schleiß der beiden Hochspannungsschalter 4 und 7 kompensiert wer
den.
Fig. 13 zeigt eine besonders einfache und kostengünstige Realisierung
eines Kurzschlußkreises einer Ansteuerschaltung für eine piezoelek
trische Impulsschallquelle mittels passiver Bauelemente. Der Kurz
schluß erfolgt über die Hochfrequenzspule 23, deren Induktivität den
zeitlichen Verlauf und damit die Verzögerung sowie den maximalen
Strom im Kurzschlußkreis bestimmt. Die parallel zur Hochfrequenz
spule 23 liegende Diode 24 unterbindet eine Schwingung der elek
trischen Energie zwischen der Spule 23 und der Kapazität der Im
pulsschallquelle 1a. Dadurch wird die im Impulsbetrieb unerwünschte
Ansteuerung der Schallquelle mit einer negativen Halbwelle vermie
den.
Ein zusätzlicher Serienwiderstand 9, dessen Widerstandswert in
jedem Fall so bemessen ist, daß in Verbindung mit der Spule 23 die
Spannung UPE in einem Zeitintervall Δt′ mit Δt′ < 10 T auf den
Wert 1/e abklingt, kann das Durchschaltverhalten der Diode 24
günstig beeinflussen. Der Entladewiderstand 12 ist bei der oben
beschriebenen und in Fig. 13 dargestellten Schaltung entbehrlich. Es
sei darauf hingewiesen, daß Fig. 13 nur eine der möglichen Kom
binationen von Widerstand 9, Spule 23 und Diode 24 darstellt. Äqui
valent zu Fig. 13 wäre beispielsweise eine parallel zur Reihenschal
tung von Widerstand 9 und Spule 23 angeordnete Diode 24 oder eine
Reihenschaltung von Widerstand 9, Spule 23 und Diode 24.
Die Fig. 14 zeigt beispielhaft eine der denkbaren Schaltungsvarian
ten zur partiellen Kurzschlußentladung einer piezoelektrischen Im
pulsschallquelle. Hierbei wird der Schalter 7 gegenüber dem Schal
ter 4 um das Zeitintervall Δt τ verzögert betätigt. Die Schall
quelle entlädt sich dadurch kurzschlußartig über den Widerstand 9
in den Kondensator 25. Hierbei stellt sich das Zwischenpotential
Uz ein. Der Widerstand 26 ist erforderlich, falls eine Entladung
des Kondensators 25 über den Schalter 7 und den Entladewider
stand 12 nicht gewährleistet ist. Dies gilt insbesondere bei Verwen
dung einer Schaltfunkenstrecke.
Bei den Kurvenverläufen im Kurzschlußfall gemäß den Fig. 7, 8
und 9 handelt es sich jeweils um idealisierte Darstellungen der
Strom- bzw. Spannungsverläufe. Es ist jedoch selbstverständlich,
daß mit heute verfügbaren Bauelementen und aufgrund der bei den
hier betroffenen Schallquellen vorliegenden Spannungs- und Strom
verhältnissen kein plötzlicher Kurzschluß möglich ist, sondern
immer Zeitspannen einzuhalten sind, bis die abzuschaltenden Strö
me jeweils auf Null zurückgegangen sind.
Claims (20)
1. Ansteuerschaltung für eine Impulsschallquelle (1), insbesondere
Hochleistungsimpulsschallquelle, bestehend aus einem Ladekreis
zur Ladung eines Stoßkondensators (2) und einem zum Stoßkon
densator (2) parallel geschalteten Entladekreis, der wenigstens
einen ersten, elektrisch steuerbaren Hochspannungsschalter (4)
und die Impulsschallquelle (1) enthält, dadurch gekennzeichnet,
daß der Entladekreis eine Begrenzerschaltung aufweist, welche die
Zeitdauer der von der im Stoßkondensator (2) gespeicherten La
dung nach dem Schließen des ersten Hochspannungsschalters (4)
an der Impulsschallquelle (1) erregten elektrischen Schwingung
auf einen zur Abstrahlung eines erwünschten Druckpulses erfor
derlichen vorgegebenen Wert (Δt) begrenzt.
2. Ansteuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß die Begrenzerschaltung einen zum Stoßkondensator (2)
und zur Impulsschallquelle (1) parallel geschalteten Kurzschluß
kreis (7, 8, 9, 13-16) aufweist zum wenigstens partiellen Kurz
schließen des vom Stoßkondensator (2) zur Impulsschallquelle (1)
fließenden Entladestromes bzw. der Spannung über der Impuls
schallquelle (1) zu einem der vorgegebenen Zeitdauer (Δt) ent
sprechenden Zeitpunkt nach dem Zeitpunkt des Schließens des
ersten Hochspannungsschalters (4).
3. Ansteuerschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich
net, daß der Kurzschlußkreis (7, 8, 9) wenigstens einen zweiten,
elektrisch steuerbaren Hochspannungsschalter (7) und eine diesen
ansteuernde Triggerschaltung zum Schließen des zweiten Hoch
spannungsschalters (7) zu dem der erwähnten Zeitdauer (Δt)
entsprechenden Zeitpunkt aufweist.
4. Ansteuerschaltung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Kurzschlußkreis (7, 8, 9) unmittelbar parallel
zur Impulsschallquelle (1) liegt (Fig. 2).
5. Ansteuerschaltung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß ein Dämpfungswiderstand (6) in Reihe zur Impuls
schallquelle (1) geschaltet ist und der Kurzschlußkreis (7, 8, 9)
parallel zur Reihenschaltung aus Impulsschallquelle (1) und
Dämpfungswiderstand (6) liegt (Fig. 4).
6. Ansteuerschaltung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Kurzschlußkreis (7, 8, 9) unmittelbar parallel
zum Stoßkondensator (2) geschaltet ist (Fig. 5).
7. Ansteuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß der erste Hochspannungsschalter (10) elektrisch ein- und
ausschaltbar ist und dessen Ein/Ausschaltzeitpunkte von einer
Triggerelektronik (11) bestimmt werden, welche die Begrenzer
schaltung umfaßt (Fig. 6a, 6b, 6c).
8. Ansteuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da
durch gekennzeichnet, daß die Impulsschallquelle eine piezoelek
trische Impulsschallquelle (1a) ist und daß der Wert der von der
Begrenzerschaltung bestimmten Zeitdauer (Δt) zu Δt τ, bevor
zugt Δt = τ gewählt ist, wobei τ etwa gleich der Summe der ein
fachen Laufzeit T des Schalls im piezoelektrischen Material und
der Anstiegszeit T′ der elektrischen Erregung (UPE) des piezoelek
trischen Materials ist (Fig. 7a, 7b, 7c).
9. Ansteuerschaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich
net, daß die Begrenzerschaltung so ausgelegt ist, daß die Span
nung UPE an der Impulsschallquelle nach Verstreichen der vor
gegebenen Zeitdauer Δt in einem darauf folgenden Zeitintervall
Δt′ mit τ Δt′ < 10 T zumindest teilweise abgebaut wird.
10. Ansteuerschaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich
net, daß die Begrenzerschaltung so ausgelegt ist, daß die erwähnte
Spannung UPE nach Verstreichen der vorgegebenen Zeitdauer Δt
in einem darauf folgenden Zeitintervall Δt′ < τ auf ein Zwischen
potential Uz abgesenkt wird.
11. Ansteuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da
durch gekennzeichnet, daß die Impulsschallquelle eine elektroma
gnetische Impulsschallquelle (1b) ist und daß der Wert (Δt) der
von der Begrenzerschaltung bestimmten Zeitdauer zu Δt T₁/2,
bevorzugt Δt = T₁/2 gewählt ist, wobei T₁ die Periodendauer
einer durch die Induktivität der elektromagnetischen Impulsschall
quelle (1b) bei Entladung des Stoßkondensators (2) verursachten
gedämpften Schwingung (IEM) ist (Fig. 8a, 8b).
12. Ansteuerschaltung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich
net, daß die Begrenzerschaltung so ausgelegt ist, daß der Strom
IEM durch die elektromagnetische Impulsschallquelle nach Ver
streichen der vorgegebenen Zeitdauer Δt in einem darauf folgen
den Zeitintervall Δt′ < T₁/2 auf annähernd Null abnimmt.
13. Ansteuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da
durch gekennzeichnet, daß die Impulsschallquelle eine elektrohy
draulische Impulsschallquelle (1c) ist und daß der Wert Δt der
von der Begrenzerschaltung bestimmten Zeitdauer zu Δt T₂/2
oder zu Δt T₂ gewählt ist, wobei T₂ die Dauer einer Halbperi
ode der durch die Induktivität der Zuleitungen und der elektrohy
draulischen Impulsschallquelle (1c) bei Entladung des Stoßkon
densators (2) verursachten gedämpften Schwingung (IEH) ist (Fig. 9a, 9b, 9c).
14. Ansteuerschaltung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich
net, daß die Begrenzerschaltung so ausgelegt ist, daß der Strom
IEH durch die elektrohydraulische Impulsschallquelle nach Ver
streichen der vorgegebenen Zeitdauer Δt in einem darauf folgen
den Zeitintervall Δt′ < T₂ auf annähernd Null abnimmt.
15. Ansteuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da
durch gekennzeichnet, daß die Impulsschallquelle eine magneto
striktive Impulsschallquelle (1d) ist.
16. Ansteuerschaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, da
durch gekennzeichnet, daß der Kurzschlußkreis parallel zu der
piezoelektrischen Impulsschallquelle (1a) eine Überspannungs
funkenstrecke (13) und ein Verzögerungsnetzwerk (9; 14, 15; 14,
15, 16) zur verzögerten Zündung der Überspannungsfunkenstrecke
(13) zu einem dem Wert Δt der vorerwähnten Zeitdauer entspre
chenden Zeitpunkt aufweist (Fig. 10a, 10b, 10c).
17. Ansteuerschaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, da
durch gekennzeichnet, daß der Kurzschlußkreis eine triggerbare
Schaltfunkenstrecke (17) parallel zu der piezoelektrischen Impuls
schallquelle (1a) und eine mit dem Triggereingang der Schalt
funkenstrecke (17) gekoppelte LC-Laufzeitkette (18a, 18b, 18c,
19a, 19b, 19c, 20, 21) aufweist, welche an ihrem Eingang einen
zwischen dem ersten Hochspannungsschalter (4) und einem in
Reihe zur Impulsschallquelle (1a) eingeschalteten Dämpfungs
widerstand (6) erzeugten Hochspannungsimpuls abgreift und dar
aus einen verzögerten Triggerimpuls für die Schaltfunkenstrecke
(17) erzeugt (Fig. 12).
18. Ansteuerschaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, da
durch gekennzeichnet, daß der Kurzschlußkreis eine Spule (23)
parallel zur piezoelektrischen Impulsschallquelle (1) aufweist,
wobei eine der Spule (23) zugeschaltete Diode (24) zur Unter
bindung einer elektrischen Schwingung zwischen der Spule (23)
und der Kapazität der piezoelektrischen Impulsschallquelle (1a)
vorgesehen ist, wobei diese Spule (23) die vorgegebene Zeitdauer
(Δt) und den maximalen Strom im Kurzschlußkreis bestimmt (Fig. 13).
19. Ansteuerschaltung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeich
net, daß weiterhin ein Widerstand (9) in Reihe zwischen der Im
pulsschallquelle (1a) und der Spule (23) liegt, deren Widerstand
so bemessen ist, daß in Verbindung mit der Spule (23) die Span
nung UPE innerhalb eines Zeitintervalles Δt′ mit Δt′ < 10 T auf
den Wert 1/e abklingt.
20. Ansteuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 19,
dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzerschaltung aktivierbar
und deaktivierbar ist.
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