DE60203922T2 - Vorrichtung und verfahren zur erzeugung von hochdruckultraschallimpulsen - Google Patents

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    • B06GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06BMETHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/0207Driving circuits
    • B06B1/0215Driving circuits for generating pulses, e.g. bursts of oscillations, envelopes

Description

  • 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.
  • 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, ...).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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,
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die 1 bis 3 sind verschiedene schematische Ansichten einer Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschallimpulsen gemäß der Erfindung gemäß verschiedenen charakteristischen Arbeitspositionen.
  • Die 4 ist ein Chronogramm, das es ermöglicht, das Funktionsprinzip der Vorrichtung gemäß der Erfindung zu veranschaulichen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen und gezeigten Beispiele begrenzt, da verschiedene Modifikationen dort hinzugefügt werden können, ohne ihren Rahmen zu verlassen.
  • Die Erfindung ist durch die folgenden Ansprüche definiert.

Claims (7)

  1. Vorrichtung zur Erzeugung von Hochdruckultraschallimpulsen, umfassend: – eine Ultraschallquelle, welche einen mit piezoelektrischen Elektroden (3) versehenen Wandler (2) umfaßt und eine Polarisierungsrichtung (f1) in einer gegebenen Richtung aufweist, – Mittel (4) zum Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektroden (3) des Ultraschallwandlers (2), wobei – um das Ausstrahlen einer Ultraschallwelle zu erhalten – folgendes gewährleistet wird: – Anlegen eines elektrischen Feldes der Richtung (f2), welche der Polarisierungsrichtung (f1) entgegengesetzt ist, um den Ultraschallwandler (2) zu komprimieren, – danach Anlegen eines vorübergehenden elektrischen Feldes in derselben Richtung (f3) wie der Polarisierungsrichtung (f1), um das Ausstrahlen einer Ultraschallkompressionswelle im Ankoppelmittel zu erhalten, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (4) das Anlegen einer elektrischen Spannung mit einer Anstiegszeit (t2m) gewährleisten, um ein elektrisches Feld mit einer Richtung (f2) zu erzeugen, die der Polarisierungsrichtung (f1) entgegengesetzt ist, während einer Anlegezeit (T), die geringer ist, als jene, die zur Depolarisierung des piezoelektrischen Ultraschallwandlers führt.
  2. Vorrichtung zur Erzeugung von Hochdruckultraschallimpulsen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlegdauer (T) einer elektrischen Spannung, welche das Anlegen eines elektrischen Feldes mit der Richtung (f2), die der Polarisierungsrichtung (f1) entgegengesetzt ist, gewährleistet, über 10 μs und vorzugsweise in der Größenordnung von 100 μs liegt.
  3. Vorrichtung zur Erzeugung von Hochdruckultraschallimpulsen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (4) zum Anlegen einer elektrischen Spannung (V3) das Anlegen eines vorübergehenden elektrischen Feldes in derselben Richtung (f3) wie der Polarisierungsrichtung (f1) während einer Anlegzeit (t3) gewährleisten, welche zwischen 1 μs und 1 s und vorzugsweise in der Größenordnung von 100 ms liegt.
  4. Vorrichtung zur Erzeugung von Hochdruckultraschallimpulsen nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (4) zum Anlegen einer elektrischen Spannung (V3) das Anlegen eines vorübergehenden elektrischen Feldes in derselben Richtung (f3) wie der Polarisierungsrichtung (f1) während einer Anstiegszeit (t3m) gewährleisten, die zwischen 0,1 und 20 μs liegt.
  5. Vorrichtung zur Erzeugung von Hochdruckultraschallimpulsen nach Anspruch 1 oder 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die progressive elektrische Spannung, welche das Anlegen eines elektrischen Feldes in der Richtung (f2), die der Polarisierungsrichtung (f1) entgegengesetzt ist, gewährleistet, eine Anstiegszeit (t2m) aufweist, die über der Anstiegszeit (t3m) des vorübergehenden elektrischen Feldes liegt.
  6. Vorrichtung zur Erzeugung von Hochdruckultraschallimpulsen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anstiegszeit (t2m) über mindestens dem Zehnfachen der Anstiegszeit (t3m) des vorübergehenden elektrischen Feldes liegt.
  7. Vorrichtung zur Erzeugung von Hochdruckultraschallimpulsen nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlegzeit (t3) des vorübergehenden elektrischen Feldes größer oder gleich der Anlegdauer (T) des elektrischen Feldes der Richtung (f2) ist, die der Polarisierungsrichtung (f1) entgegengesetzt ist, um eine eventuelle Repolarisierung des Ultraschallwandlers (2) zu ermöglichen.
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