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Die
vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet der Erzeugung
von Ultraschallimpulsen sehr hoher Intensität, d.h. in der Größenordnung
von mehreren hundert Bar, sogar Tausenden.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Anwendungen insbesondere auf dem
Gebiet der nicht destruktiven Kontrolle eines Materials oder einer
Struktur oder auf dem medizinischen Gebiet (Zertrümmerung, Gewebezerstörung durch
Kavitation, ...).
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Die
Ultraschallimpulse werden in einem Kopplungsmedium mit Hilfe einer
Quelle erzeugt, die einen Wandler vom piezoelektrischen Typ umfaßt, der,
wenn auf ihn eine elektrische Spannung angewandt wird, eine akustische
Welle erzeugt, die im Allgemeinen im Hinblick darauf fokussiert
ist, hohe Drucke zu erreichen. Unter diesem Aspekt muß man anmerken,
daß das
Verhältnis,
das zwischen dem Druck im Fokus und dem Druck an der Oberfläche des
Wandlers Antennengewinn genannt wird. Ein solcher Antennengewinn
ist abhängig
von der ausgesandten Frequenz sowie dem Öffnungswinkel, d.h. dem Verhältnis zwischen
der Fokussierdistanz und dem Durchmesser des Wandlers. Beispielhaft
kann die Erzeugung einer Welle mit 1000 bar Druck im Vorraum eines
Lithotripters mit einer Quelle in Kapselform erhalten werden, deren
Durchmesser annähernd
45 cm ist und deren Druck an der Oberfläche etwa 10 bar ist mit einer
Frequenz von 400 kHz.
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Es
muß daher
festgestellt werden, daß eine solche
Quelle zur Erzeugung von Ultraschallimpulsen einen beträchtlichen
Aufwand darstellt, was die Ausführung
von tragbaren oder halbtragbaren Vorrichtungen nicht erlaubt. Die
Verminderung der Größe einer
solchen Quelle läuft über die
Vergrößerung des
Oberflächendrucks
auf der Ebene der Ausstrahlungskapsel.
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Um
zu versuchen, dieses Ziel zu erreichen, hat der Stand der Technik
vorgeschlagen, Materialien von Komposittypen zu verwenden, genannt
Piezokompositen, die es ermöglichen,
den Oberflächendruck
um einen Faktor von etwa 1,5 bis 2 zu erhöhen, verglichen mit klassischen
piezokeramischen Materialien. Daher erzeugt dieser Materialtyp,
der im Wesentlichen der Dicke vibriert, seitliche Modi, deren Amplitude
geringer ist als im Fall der klassischen piezoelektrischen Materialien.
Dieser Gewinn erweist sich, obgleich interessant, als noch unzureichend.
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In
der von Luc CHOFFLET an der Universität Paris VIII präsentierten
Doktorarbeit über "Die Untersuchung
der Optimierung der Ultraschallwandler und gestapelte mehrfachpiezoelektronische
Strukturen" ist
gezeigt worden, daß es
möglich
war, den Oberflächendruck
zu erhöhen
unter zusammenfügen
von zwei Wandlern in einer Sandwichform. Vom theoretischen Gesichtspunkt
ist der Gewinn tatsächlich
proportional zur Anzahl von Stapelungslagen. Hingegen haben die
praktischen Studien gezeigt, daß der
Gewinn in der Realität
schwächer
ist, aufgrund der Tatsache, daß der
Wandler frontal die gesamte Kraft empfängt, was den Bruch des Elements
mit sich zieht, das am meisten vorne gelegen ist. Wenn die Ausführung eines
Wandlers vom Stapelungstyp im übrigen
bereits komplex für
einen Wandlerentwurf ist, wird sie extrem schwierig, wenn es sich
darum handelt, eine Kapsel auszuführen, die dieses Prinzip ausführt.
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Im
Stand der Technik sind auch Wandler vom Typ Tonpilz (akustischer
Pilz) bekannt, die hauptsächlich
dazu vorgesehen sind, eine monochromatische Welle zu erzeugen, die
insbesondere für
die Fischerei- oder Armeesonare verwendbar sind. Die Patente
FR 2 640 455 und
FR 2 728 755 beschreiben verschiedene
Ausführungsformen
von einer auf das piezoelektrische Material angewandten mechanischen
Belastung, um hohe Drucke zu erzeugen.
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Man
muß feststellen,
daß das
Verdichten eines piezoelektrischen Materials des Wandlers in drastischer
Weise die Resonanzfrequenz der Anordnung vermindert. Daher arbeitet
ein solcher Wandler einzig bei einer Resonanzfrequenz von einigen
zehn kHz maximal, derart, daß seine
Anwendung sich auf Sonare beschränkt.
In dem Maße,
wie der Wandler aus einer Stapelung von Lagen gebildet ist, ermöglicht es
im übrigen
eine solche Quelle, einzig die Frequenz zu übertragen, für die die
Anordnung von Lagen Resonanz ergibt, was es nicht ermöglicht,
einen Druckimpuls zu übertragen,
der ein breites Frequenzspektrum darstellt und daher einen kurzen
Impuls. Ferner ist die Ausführung
eines Wandlers, der eine Stapelung von Lagen einsetzt, nicht einfach
auszuführen.
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Im
Stand der Technik ist auch durch das Patent
US 5 549 110 eine Vorrichtung zur
Erzeugung von Schallimpulsen bekannt, die einen Wandler vom piezokeramischen
Typ umfaßt,
ausgerüstet
mit Elektroden, die mit Mitteln zur Anwendung einer elektrischen
Spannung auf die Elektroden verbunden sind. Gemäß einer Ausführungsform
gewährleisten
diese Mittel zur Anwendung einer elektrischen Spannung die Anwendung
eines elektrischen Feldes in entgegengesetzter Richtung zur Polarisationsrichtung
des Wandlers und danach die Anwendung eines elektrischen Übergangsfeldes
in derselben Richtung, wie jenem der Polarisation, um die Aussendung
einer Schallwelle zu erhalten.
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Der
Einsatz einer elektrischen Vorspannung auf dem piezoelektrischen
Wandler ermöglicht
es, die Probleme zu vermeiden, die der Anwendung einer mechanischen
Vorspannung inhärent
sind. In dem Maße,
wie der Wandler vorkomprimiert ist, bevor er einer Ausdehnung unterzogen
wird, um eine Ultraschallwelle großen Drucks zu erzeugen, tritt
im übrigen
keine Dehnung auf, die geeignet ist, ihn zu zerbrechen.
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Dennoch
kann die Vorrichtung zur Erzeugung von Schallimpulsen, die in diesem
Patent beschrieben ist, nicht in der Praxis in einer Anwendung, insbesondere
zur Zertrümmerung
verwendet werden. Daher respektiert die Form der durch eine solche
Vorrichtung erzeugten Welle nicht die mit einer akustischen Schockwelle
verbundenen Zwänge.
Insbesondere die auf den Wandler angewandte Vorkraft führt zur
Erzeugung einer Entspannungswelle mit im Wesentlichen gleichem Wert
zu jenem der in Folge erzeugten Kompressionswelle. Diese Entspannungswelle
zieht eine Kavitation mit sich, was der guten Fortpflanzung der
folgenden Kompressionswelle schadet. Ferner führt die auf dem Wandler angewandte
Vorspannung unvermeidlich zu seiner Depolarisierung.
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Die
Aufgabe der Erfindung zielt darauf ab, die Nachteile des Standes
der Technik zu beheben, indem eine Vorrichtung vorgeschlagen wird,
die dazu geeignet ist, Ultraschallimpulse hohen Drucks zu erzeugen,
ohne eine vorherige Entspannungswelle zu erzeugen und vorgesehen,
um den piezoelektrischen Wandler zu depolarisieren, wobei er einfach
ausgeführt
ist.
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Um
ein solches Ziel zu erreichen, umfaßt die Vorrichtung zur Erzeugung
von Hochdruckultraschallimpulsen gemäß der Erfindung:
- – eine
Ultraschallquelle, welche einen mit piezoelektrischen Elektroden
versehenen Wandler umfaßt
und eine Polarisierungsrichtung in einer gegebenen Richtung aufweist,
- – und
Mittel zum Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektroden
des Ultraschallwandlers, wobei – um
das Ausstrahlen einer Ultraschallwelle zu erhalten – folgendes
gewährleistet
wird:
- – Anlegen
eines elektrischen Feldes der Richtung, welche der Polarisierungsrichtung
entgegengesetzt ist, um den Ultraschallwandler zu komprimieren,
- – danach
Anlegen eines vorübergehenden
elektrischen Feldes in derselben Richtung wie der Polarisierungsrichtung,
um das Ausstrahlen einer Ultraschallkompressionswelle im Kopplungsmedium
zu erhalten,
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Gemäß der Erfindung
gewährleisten
die Mittel das Anlegen einer progressiven elektrischen Spannung
mit einer Anstiegszeit, um ein elektrisches Feld mit einer Richtung
zu erzeugen, die der Polarisierungsrichtung entgegengesetzt ist,
während
einer Anlegezeit, die geringer ist, als jene, die zur Depolarisierung
des piezoelektrischen Ultraschallwandlers führt.
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Eine
andere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Erzeugung
von Ultraschallimpulsen hohen Drucks vorzuschlagen, die ausgelegt
ist, um die Depolarisierung des Wandlers zu vermeiden, der insbesondere
eine Polarisierung mit starker Amplitude aufweist, die in der Lage
ist, fortschreitend seine Depolarisierung mit sich zu ziehen.
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Um
ein solches Ziel zu erreichen, umfaßt die Vorrichtung zur Erzeugung
von Ultraschallimpulsen gemäß der Erfindung
Mittel zur Anwendung einer elektrischen Spannung, die die Anwendung
eines vorübergehenden
elektrischen Feldes für
eine Anwendungszeit größer oder
gleich der Anwendungszeit des elektrischen Feldes entgegen zur Polarisationsrichtung
sicherstellen, um die eventuelle Repolarisierung des Ultraschallwandlers
zu erlauben.
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Verschiedene
andere Merkmale werden bei der hierunter in Bezug auf die anliegenden
Zeichnungen gemachten Beschreibung hervortreten, welche beispielhaft
nicht begrenzend Ausführungs-
und Einsatzformen des Gegenstandes der Erfindung zeigen.
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Die 1 bis 3 sind
verschiedene schematische Ansichten einer Vorrichtung zur Erzeugung von
Ultraschallimpulsen gemäß der Erfindung
gemäß verschiedenen
charakteristischen Arbeitspositionen.
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Die 4 ist
ein Chronogramm, das es ermöglicht,
das Funktionsprinzip der Vorrichtung gemäß der Erfindung zu veranschaulichen.
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Wie
dies genauer in der 1 erscheint, umfaßt die Vorrichtung
zur Erzeugung von Ultraschallimpulsen hohen Drucks, die mit dem
allgemeinen Bezugszeichen 1 bezeichnet ist, einen Ultraschallwandler 2 vom
piezoelektrischen Typ, der eine Quelle zur Erzeugung einer akustischen
Welle in einem Kopplungsmedium bildet. Dieser Wandler 2 umfaßt Elektroden 3,
die parallel zueinander und mit Mitteln 4 zur Anwendung
einer elektrischen Spannung verbunden sind.
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Der
Wandler 2 ist genauer durch seine Konstitution beschrieben
und ist dem Fachmann bekannt. Darüber hinaus kann der Ultraschallwandler 2 als
aktives Element zur Erzeugung einer akustischen Welle jeden piezoelektrischen
Materialtyp umfassen, wie Piezokeramik, Piezokomposit, piezoelektrisches Polymer.
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In
bekannter Weise zeigt der Wandler 2 eine Polarisation,
deren Richtung durch den Pfeil f1 dargestellt
ist, in einer Richtung, die senkrecht zu den Elektroden 3 ist.
Der Wandler 2 arbeitet daher im Kompressions-/Ausdehnungs-Modus
in dem Maße,
wie die Polarisationsrichtung, passend zum piezoelektrischen Material,
parallel zum durch die Elektroden 3 erzeugten elektrischen
Feld bei der Anwendung einer elektrischen Spannung in ihren Grenzen
ist. Die Deformation des piezoelektrischen Materials des Wandlers
geschieht im Wesentlichen in einer Richtung parallel zum elektrischen
Feld.
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Gemäß der Erfindung
gewährleisten
Mittel 4 die Anwendung einer elektrischen Vorspannung auf den
Wandler 2 vor der Erzeugung einer Ultraschallwelle hohen
Drucks. Wie 2 veranschaulicht, werden Mittel 4 gesteuert,
um eine progressive elektrische Spannung auf die Elektroden 3 des
Wandlers 2 derart anzuwenden, daß in dem piezoelektrischen Material
ein elektrisches Feld erzeugt wird, das durch einen Pfeil f2 dargestellt ist, gemäß einer Richtung, die zur Polarisationsrichtung
f1 entgegengesetzt ist, um fortschreitend
den Wandler 2 zu komprimieren. So wie es klar aus der 2 im
Vergleich mit 1 hervortritt, wird so die progressiv
auf die Elektroden 3 angewandte elektrische Spannung ebenso
wie der Wandler 2 einem elektrischen Feld unterzogen in Richtung
f2, entgegengesetzt zur Polarisation, derart, daß der Wandler 2 sich
fortschreitend komprimiert. Daher wird der Wandler 2 fortschreitend
komprimiert, da erinnert sei, daß der erzeugte Druck proportional zur
(abgeleiteten) Variationsgeschwindigkeit der Spannung ist. Wie dies
aus der 4 hervortritt, führt die
Steuerspannung V2 mit einer Dauer T zur
Anwendung von einer progressiven elektrischen Spannung auf die Elektroden 3 des
Wandlers mit einer Anstiegszeitdauer t2m,
dargestellt durch den der Spannung V4 entsprechenden
Teil.
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Anschließend gewährleisten
die Mittel 4 die Anwendung einer elektrischen Spannung
V3, die es ermöglicht, in dem piezoelektrischen
Material ein elektrisches vorübergehendes
Feld in derselben Richtung wie jener der Polarisation zu erzeugen.
Wie es genauer in der 3 erscheint, wird so der Wandler 2 einem
elektrischen Feld unterzogen, das durch den Pfeil f3 dargestellt
ist, in selber Richtung wie jener der Polarisation f1.
Der Wandler unterliegt von diesem vorhergehenden Zustand aus einer
Entspannung derart, daß eine
Kompressionswelle 5 in dem Kopplungsmedium ausgesandt wird.
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Wie
dies aus der obigen Beschreibung hervortritt, ist die Aufgabe der
Erfindung ein einfaches Verfahren, um die Aussendung einer Ultraschallwelle 5 zu
gewährleisten,
unter fortschreitendem Komprimieren des Wandlers 2, indem
ihm mittels einer progressiven elektrischen Spannung ein elektrisches Feld
in entgegengesetzter Richtung zur Polarisationsrichtung des Wandlers
angelegt wird und dann ein elektrisches Feld in gleicher Richtung
jener der Polarisation, was zu seiner Ausdehnung führt. In
dem Maße,
wie der Wandler 2 anfangs bevor er gedehnt worden ist,
komprimiert war, kann betrachtet werden, daß der Wandler 2 sich
wenig von seinem Anfangszustand entfernt, was in 1 veranschaulicht
ist. Der Wandler 2 unterliegt einer genügend geringen Dehnung, um nicht
zu zerbrechen. Die Tatsache, den Wandler 2 progressiv vorzuspannen,
führt im übrigen nicht
zum Auftreten einer Entspannungswelle, die geeignet ist, der Fortpflanzung
der Kompressionswelle zu schaden.
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Gemäß einem
Merkmal der Erfindung gewährleisten
die Mittel 4 die Anwendung einer elektrischen Spannung,
die die Anwendung eines elektrischen Feldes in Richtung f2 erlaubt, entgegengesetzt der Polarisationsrichtung
f1 für
eine Anwendungsdauer T unterhalb jener, die zur Depolarisierung
des piezoelektrischen Wandlers 2 führt (4). Zum
Beispiel ist die Anwendungsdauer T dieser progressiven elektrischen
Spannung, die die Anwendung eines elektrischen Feldes im zur Polarisationsrichtung
entgegengesetzten Sinn gewährleistet,
größer als
10 μs und
ist vorzugsweise in der Größenordnung
von 100 μs.
So erlaubt es die Anwendung einer über eine begrenzte Zeit fortschreitenden
Spannung, den Wandler 2 progressiv vorzuspannen, ohne ihn
zu depolarisieren.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsmerkmal
gewährleisten
die Mittel 4 die Anwendung einer elektrischen Spannung
V3, um das vorübergehende elektrische Feld
in derselben Richtung f3 wie jener der Polarisation
f1 für
eine Anwendungszeit t3 zu erzeugen, die
zwischen 1 μs
und 1 s liegt, und vorzugsweise in der Größenordnung von 100 ms.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsmerkmal
ist die Anwendungszeit t3 des vorübergehenden
elektrischen Feldes größer oder
gleich der Anwendungsdauer T des elektrischen Feldes mit entgegengesetzter
Richtung f2 zur Polarisationsrichtung f1, um die Repolarisierung des piezoelektrischen
Ultraschallwandlers 2 zu erlauben in dem eventuellen Fall,
wo eine minimierte Depolarisierung aufgetreten wäre, insbesondere in dem speziellen
Fall einer Polarisation des Wandlers 2 mit einer starken
Amplitude. Wie dies aus der 4 klar wird,
kehrt die elektrische Spannung V3, die die
Kompressionswelle erzeugt, fortschreitend auf ihren Anfangswert
(0 Volt) zurück,
um die Repolarisierung des Wandlers zu erlauben.
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Gemäß einer
anderen bevorzugten Ausführungsform
gewährleisten
die Mittel 4 die Anwendung einer elektrischen Spannung
V3, die die Anwendung eines vorübergehenden
elektrischen Feldes in derselben Richtung f3 wie
jener der Polarisation f1für eine Anstiegszeit
t3m zwischen 0,1 und 20 μs und vorzugsweise zwischen
1 und 10 μs
im Falle der Zertrümmerung.
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Das
dritte Chronogramm der 4 zeigt die Form der elektrischen
Spannung V4 bei den Grenzen des Wandlers 2.
Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsmerkmal
zeigt die progressive elektrische Spannung, die die Anwendung eines
elektrischen Feldes in Richtung f2 entgegengesetzt
zur Polarisationsrichtung f1 gewährleistet,
eine Anstiegszeit t2m oberhalb der Anstiegszeit
t3m des vorübergehenden elektrischen Feldes,
derart, daß der
Einfluß einer
parasitären,
nämlich
Entspannungs-Welle minimiert wird. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
ist diese Anstiegszeit t2m größer als
wenigstens zehnmal der Anstiegszeit t3m des
elektrischen vorübergehenden
Feldes.
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Der
Gegenstand der Erfindung ermöglicht
es so, über
eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Ultraschallwelle starken Drucks
zu verfügen.
Es ist so ein Maximaldruck von 35 bar (vor Abnutzung) erhalten worden,
für einen
Wandler, der den Gegenstand der Erfindung nicht einsetzt. Mit einem
Wandler, dem eine elektrische Vorspannung angewandt worden ist, konnte
ein Maximaldruck von 60 bar erhalten werden.
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Wohlgemerkt
können
die Mittel zur Anwendung 4 der elektrischen Spannungen
in den Grenzen der Elektroden auf jede geeignete Weise durch beispielsweise
einen oder zwei Generatoren ausgeführt werden. Darüber hinaus
kann der Wandler irgendeine Form annehmen, wie eine Ausführung in
Kapselform.
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Die
Erfindung ist nicht auf die beschriebenen und gezeigten Beispiele
begrenzt, da verschiedene Modifikationen dort hinzugefügt werden
können, ohne
ihren Rahmen zu verlassen.
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Die
Erfindung ist durch die folgenden Ansprüche definiert.