DE942722C

DE942722C - Anordnung zur UEbertragung von Ultraschall

Info

Publication number: DE942722C
Application number: DEP3028D
Authority: DE
Inventors: Dr Theodor Hueter
Original assignee: Siemens Reiniger Werke AG
Current assignee: Siemens Reiniger Werke AG
Priority date: 1948-10-01
Filing date: 1948-10-01
Publication date: 1956-05-09
Also published as: GB698795A; US2668529A

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 9. MAI 1956

p 3028 IX j 42 s D

Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung langgestreckter (stabförmiger) Festkörper zur Übertragung von Ultraschall, Derartige Ultraschalleiter sind für die verschiedensten Anwendungsgebiete des Ultraschalls von Bedeutung. In der Ultraschalltherapie und -diagnostik sind sie zur Übertragung der Schallenergie auf schwer zugängliche Stellen des Behandlungsobjektes (Körperhöhlen) ein dringendes Bedürfnis.

Es ist eine auf dem Gebiet der Beschallungstechnik bekannte Forderung, die Ultraschallübertragung vom Sender auf den zu beschallenden Körper über stabförmige Festkörper mittels Longitudinalwellen zu bewirken, so daß am Ende des Stabes kolbenartige Schwingungen auftreten.

Bei der Herstellung derartiger Ultraschalleiter bestehen jedoch insbesondere dann erhebliche Schwierigkeiten, wenn der Stabdurchmesser größenordnungsmäßig mit der Schallwellenlänge im Stab übereinstimmt. Hier treten neben den axialen Schwingungen radiale Schwingungen stark hervor, was zu Dispersionserscheinungen Anlaß gibt. Mit abnehmender Wellenlänge nähert sich die Schallgeschwindigkeit einem konstanten Wert. Über die Art der Wellen in diesem Gebiet bestanden jedoch Unklarheiten. Während einige Forscher meinten, in diesem Gebiet werde die Schallenergie allein durch Transversalwellen fortgeleitet, waren andere Forscher der Ansicht, daß im wesentlichen die Ausbreitung der Schallwellen in der Stabrichtung durch Rayleighsche Oberflächenwellen erfolge. Noch andere Forscher meinten, daß auch Longitudinalwellen an der Schallfortleitung beteiligt seien, weshalb vorgeschlagen wurde, weitere Untersuchungen zur Klärung dieser Frage vorzunehmen.

Diese Untersuchungen sind vom Erfinder vorgenommen worden in einem Frequenzgebiet zwischen 300 und 1000 kHz in zylindrischen Stäben von einem Durchmesser von 8 bis 20 mm (s. »Über die Fortleitung von Ultraschallwellen in festen Stäben« abgedruckt in der »Zeitschrift für angewandte Physik«, Bd. i, 1949, Heft 6, S. 274 bis 288). Diese Untersuchungen ergaben, daß für hohe Frequenzen neben Transversalwellen bisher nicht beobachtete neue ίο Wellentypen auftreten, deren Fortpflanzungsgeschwindigkeiten gleich der von Longitudinalwellen ist, wobei kolbenartige Schwingungen entstehen. Bezieht man die Fortpflanzungsgeschwindigkeit auf den

Quotienten -y, wobei d der Stabdurchmesser und λ die Wellenlänge bedeutet, die gegeben ist durch die Formel /I = — Ί/— (f = Frequenz, E = Elastizitätsmodul, ρ = Dichte), so ergibt sich, daß diese kolbenförmigen Longitudinalwellen bei ganz bestimmten

diskreten -γ-Werten auftreten. Mit zunehmenden

-^-Werten, insbesondere von etwa

_T=2,5 ab, wird die Häufigkeit der Aufeinanderfolge dieser diskreten Werte und damit die Wahrscheinlichkeit

größer, daß von -5- = 2,5 ab an der Schallenergie-

fortleitung im wesentlichen kolbenförmige Longitudinalwellen beteiligt sind.

Aber auch bei Einhaltung der Bedingung -r- !> 2,5 und bei sorgfältigster Abstimmung der Stablänge entsprechend der Längsresonanz j I = η · —; η = ι, 2,3...J \ ² /

treten jedoch mit zunehmender Länge des Stabes Schwierigkeiten auf. Bei einem Verhältnis der Stablänge zur Wellenlänge der Ültraschallstrahlung —- —10 ist z. B. die übertragene Ultraschalleistung schon auf etwa ein Viertel, bei -r-= 14 auf etwa ein Siebentel

der bei einem Verhältnis von -j- = 2 übertragenen

Leistung abgesunken. Offenbar wird bei wachsender Zylinderlänge infolge Querkontraktion ein immer größer werdender Teil der Energie in nicht longitudinale Schwingungen umgesetzt, die bei den betreffenden Frequenzen ein anderes Phasenmaß ""als die Longitudinalschwingungen besitzen und den Quarz verstimmen. Der große Strahlungswiderstand, den somit ein langgestreckter Festkörper von einem der Schallwellenlänge größenordnungsmäßig entsprechenden Durchmesser von der Länge I > 10 λ für den Schwingquarz darstellt, kann gemäß weiterer Erfindung dadurch herabgesetzt werden, daß der Festkörper senderseitig (mit seiner " Schalleintritts-

fläche) an eine η · — («= 1,3/5...) dicke Schicht 4

aus einem Stoff angrenzt, dessen· Schallwiderstand Ζ_Ίί, Meiner als der Schallwiderstand Z_st des Festkörpers und gleich oder kleiner als der Schallwiderstand des an den Festkörper angrenzenden Mediums (Behandlungsobjekt) ist. Eine solche Zwischenschicht kommt in ihrer Wirkung der Einschaltung einer —Leitung in eine Lecherleitung gleich. Sie setzt, wenn sie genau — dick ist, die Wirkkomponente des Strahlungswiderstandes des Schwingers im Verhältnis ·—

herab. Mit einer solchen Zwischenschicht aus Öl an einem Messingstab durchgeführte Messungen ergaben

bei einem Verhältnis von -j- = i'o noch etwa drei Viertel und bei -=- ■= 14 noch etwa einhalb der bei

einem Verhältnis χ = 2 übertragenen Leistung, also

eine Steigerung der Leistung der Anordnung bei Ver-Wendung einer Zwischenschicht unter sonst gleichen Verhältnissen um den Faktor 3.

Bei geringen Abweichungen vom —Wert bei der

Dicke der Zwischenschicht ergibt sich zwar eine Verringerung der Herabsetzung der Wirkkomponente des Strahlungswiderstandes, dafür wird aber in diesem Fall die Blindkomponente dieses Widerstandes teilweise kompensiert. Geringe Abweichungen vom

—Wert -können somit durchaus zweckmäßig sein. 4

Eine auch im Hinblick hierauf besonders ■ sinnvolle Bemessung der Dicke der Zwischenschicht ist dann gegeben, wenn die Dicke der Zwischenschicht vom λ

Wert — in ihrer Mitte nach ihrem Rande zu z. B.' 4

bis zum Wert Null abnimmt. Das ist z. B. erreicht, wenn die an den Festkörper angrenzende Fläche der Zwischenschicht und die senderseitige Stirnfläche des Festkörpers entsprechend gewölbt sind. Diese Wölbung der Grenzfläche Zwischenschicht—Festkörper hat den weiteren Vorteil, daß sie durch Brechung die praktisch parallele Ultraschallstrahlung in eine konvergente Strahlung umwandelt. Damit wird der Rand des Stabes weitgehend strahlungsfrei. Durch geeignete Bemessung der Wölbung kann die Lage des Konvergenzpunktes in der Stabachse beliebig, z. B. so gewählt werden, daß er innerhalb der empfängerseitigen (dem Behandlungsobjekt zugewandten) Stirnfläche des Festkörpers liegt, die Energiedichte an dieser Stelle also am größten ist.

Die Erfindung geht aus von einer Anordnung zur Übertragung von Ultraschall von einem abgeschlossenen Ultraschallerzeuger auf ein Behandlungsobjekt mittels eines langgestreckten, stabförmigen, in der Längsrichtung durchschallten Festkörpers, dessen Durchmesser größenordnungsmäßig mit der Schallwellenlänge übereinstimmt. Sie besteht darin, daß bei einer solchen Anordnung das Verhältnis von Stabdurchmesser zur Schallwellenlänge gleich oder größer als 2,5 gewählt ist und daß der langgestreckte Festkörper senderseitig (mit seiner Schalleintrittsfläche) an eine etwa η — (η = ι, 3, 5... )-dicke,

;wischen dem abgeschlossenen Ultraschallerzeuger und der Schalleintrittsfläche angeordnete Schicht

aus einem Stoff angrenzt, dessen Schallwiderstand kleiner als der Schallwiderstand des Festkörpers und gleich oder kleiner als der Schallwiderstand des an den Festkörper empfängerseitig angrenzenden Mediums ist und daß ferner die Dicke der Zwischenschicht von dem Wert — in ihrer Mitte nach ihrem

Rande zu abnimmt, so daß der langgestreckte Festkörper mit dem Rand seiner Schalleintrittsfläche der Senderfläche des Ultraschallerzeugers anliegt.

Da die Zwischenschicht die Belastung, die die Übertragungsleitung und das sich daran anschließende Medium für den Schwinger darstellen, erheblich herabsetzt, ist es für den Übertragungswirkungsgrad nicht mehr ausschlaggebend, daß die an der empfängerseitigen Stirnfläche des Festkörpers reflektierte Strahlung an seiner Schalleintrittsfläche die gleiche Phase hat wie die dort eintretende Strahlung. Man kann deshalb gemäß weiterer Erfindung den stabförmigen Leiter an seinem schallabstrahlenden Ende schräg zu seiner Achse abschneiden. Eine schräg zu seiner Längsachse gestellte schallabstrahlende Fläche kommt insbesondere für eine Sonde für die Ultraschallbehandlung in Körperhöhlen in Betracht.

Man kann gemäß weiterer Ausgestaltung der Erfindung ferner den stabförmigen Festkörper auch kegelsturnpfförmig gestalten und seine kleinere Stirnfläche, an der die Energiedichte größer ist als an seiner Schalleintrittsstelle, als schallabstrahlende Fläche benutzen, ohne befürchten zu müssen, daß die an der zu seiner Längsachse schrägen Mantelfläche reflektierte Strahlung den Übertragungswirkungsgrad auf einen untragbaren Wert herabsetzt. Besonders vorteilhaft ist es, einen kegelstumpfförmigen gestreckten Leiter in Verbindung mit einer derart gewölbten Zwischenschicht zu benutzen, daß die konvergente Ultraschallstrahlung den kegelstumpfförmigen Ultraschalleiter gerade ausfüllt.

Im Rahmen der Erfindung kann der langgestreckte Festkörper auch aus einem kurzen kegelstumpfförmigen Teil bestehen, dessen größere Stirnfläche an die Zwischenschicht angrenzt und an dessen kleinere Stirnfläche sich ein längerer zylindrischer Teil gleichen Durchmessers wie diese Stirnfläche anschließt. Die durch Reflexion an der zu seiner Achse schrägen Mantelfläche im kegelstumpfförmigen Teil verdichtete Ultraschallstrahlung verläuft zwar in dem zylindrischen Teil nicht parallel zur Mantelfläche, sondern wird wegen ihres schrägen Einfalles in diesen Teil an dessen zylindrischer Mantelfläche reflektiert. Der Übertragungswirkungsgrad wird jedoch, wie Versuche ergeben haben, auch hierdurch nicht wesentlich beeinträchtigt. Auch für derartig geformte langgestreckte Festkörper als Ultraschalleiter gilt, daß ihre Verwendung in Verbindung mit einer wie oben angegeben gewölbten Zwischenschicht besonders vorteilhaft ist.
Durch jede Berührung der Mantelfläche des langgestreckten Ultraschalleiters gemäß der Erfindung mit einem schalleitenden Medium würde dem Ultraschalleiter in unerwünschtem Maße Energie entzogen werden. Es ist deshalb vorteilhaft, nach der weiteren Erfindung dafür zu sorgen, daß die Mantelfläche in jedem Fall an einen Stoff angrenzt, dessen Schallwiderstand sehr stark von dem Schallwiderstand des Festkörpers und von dem Schallwiderstand des Mediums abweicht, auf das die Schallstrahlung von der schallabstrahlenden Stirnfläche des Leiters aus übertragen werden soll. Am zweckmäßigsten ist es, dafür zu sorgen, daß an die Mantelfläche des Leiters stets eine dünne Luftschicht angrenzt. Das kann durch eine Hülse aus Metall od. dgl. erreicht werden, die die Mantelfläche mit Abstand umgibt. Da schon sehr dünne Luftschichten eine fast ioo%ige Reflexion bewirken, genügt es auch, die Mantelfläche des Leiters aufzurauhen, z. B. zu sandeln, und darüber eine Hülse zu schieben, die an dieser aufgerauhten Oberfläche anliegt. Von den festen Stoffen sind als Reflexionsschicht insbesondere lufthaltige Stoffe wie Ton und Kork geeignet. Schwammgummi ist wegen seiner großen Absorption weniger gut brauchbar.

Weitere Merkmale der Erfindung werden im nachfolgenden an Hand der Figur erläutert, die als Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung eine mittels Bajonettverschluß mit dem Ultraschallerzeuger verbindbare, vorn abgeschrägte zylindrische Sonde mit kegelstumpfförmigem Unterteil und Strahlenschutzhülse zum Teil in schaubildlicher Darstellung, zum Teil im Schnitt zeigt.

Die zylindrische Sonde 1 aus Aluminium ist für Ultraschall von einer Frequenz von 800 kHz bestimmt. Sie hat einen Durchmesser von etwa 4 λ und erweitert sich nach ihrer Schalleintrittsfläche 2 zu kegelstumpfförmig. Ihr zylindrischer Teil ist durch die schräg zu ihrer Längsachse liegende schallabstrahlende Stirnfläche 3 abgeschlossen. Die Grundfläche des Kegelstumpfes hat die gleichen Abmessungen wie die schallabstrahlende Fläche des Ultraschallerzeugers und ist in Richtung der Schallstrahlung so gewölbt, daß ein Hohlraum entsteht, der bei Ausfüllung mit einer Flüssigkeit, z. B. Öl, eine Dicke hat, die in der

Mitte — beträgt und nach seinem Rande zu sich bis

zum Wert Null verringert. An ihrem dem Ultra-Schallerzeuger zugewandten Ende ist die Sonde mit dem Messingring 4 verschraubt. Eine an der Verschraubungsstelle angebrachte Nut ist mit dem

Gummiring 5 ausgefüllt, der den — hohen Flüssigkeitsraum seitlich abschließt. Auf der ringförmigen Schulter 6 des Ringes 4 liegt um ihre Längsachse drehbar der nach innen abgebogene Rand der Überwurfhülse 7 auf, die so weit über das den Ultraschallerzeuger umgebende Gehäuse geschoben wird, daß der äußere Rand 8 der Sonde 1 fest an der schallabstrahlenden Fläche des Ultraschallerzeugers anliegt. Durch Bajonettverschluß wird die Hülse 7 in dieser Stellung an dem Gehäuse des Ultraschallerzeugers festgehalten. Mit dem Messingring 4 ist unter Zwischenschaltung des Gummiringes 9 die Messinghülse 10 flüssigkeitsdicht verschraubt, die die Mantelfläche der Sonde 1 in geringem Abstand umgibt und in der Nähe der Schallaustrittsfläche 3 der Sonde 1 mittels der ringförmigen Gummidichtung 11 flüssigkeitsdicht auf der Sonde abgestützt ist.

Claims

Patentansprüche:

ι. Anordnung zur Übertragung von Ultraschall von einem abgeschlossenen Ultraschallerzeuger auf ein Behandlungsobjekt mittels eines langgestreckten (stabförmigen), in der Längsrichtung durchschauten Festkörpers, dessen Durchmesser größenordnungsmäßig mit der Schallwellenlänge übereinstimmt, dadurch gekennzeichnet, daß das ίο Verhältnis von Stabdurchmesser zur Schallwellenlänge gleich oder größer als 2,5 gewählt ist und daß der langgestreckte Festkörper senderseitig (mit seiner Schalleintrittsfläche) an eine etwa

% · — (w = ι, 3, 5... )-dicke, zwischen dem abge-

^X5 " 4

schlossenen Ultraschallerzeuger und der Schalleintrittsfläche angeordnete Schicht aus einem Stoff angrenzt, dessen Schallwiderstand kleiner als der Schallwiderstand des Festkörpers und gleich oder kleiner als der Schallwiderstand des an den Festkörper empfängerseitig angrenzenden Mediums ist, und daß ferner die Dicke derZwischen-

λ
schicht von dem Wert — in ihrer Mitte nach ihrem

4 ■

Rande zu abnimmt, so daß der langgestreckte Festkörper mit dem Rand seiner Schalleintrittsfläche der Senderfläche des Ultraschallerzeugers anliegt.
2. Anordnung nach Anspruch 1, insbesondere Sonde für die Ultraschallbehandlung in'Körperhöhlen, dadurch gekennzeichnet, daß die schallabstrahlende Fläche des Festkörpers schräg zu seiner Längsachse Hegt.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der langgestreckte Festkörper

kegelstumpfförmig gestaltet und seine kleinere Stirnfläche zur Schallabstrahlung benutzt ist.
4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich an die kleinere Fläche des kegelstumpfförmigen Teiles ein zylindrischer Teil

gleichen Durchmessers wie diese Fläche anschließt.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelfläche des langgestreckten Festkörpers an eine Reflexionsschicht angrenzt.
6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der langgestreckte Festkörper nur wenig aus einer Hülse herausragt, die ihn mit geringem Abstand umgibt und an ihren Enden flüssigkeitsdicht auf dem Festkörper abgestützt ist.
7. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelfläche des stabförmigen Festkörpers aufgerauht, z. B. gesandelt ist und von einer an der aufgerauhten Oberfläche anliegenden Hülse aus Metall od. dgl. umgeben ist.
8. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der langgestreckte Festkörper mit Ausnahme seiner Schalleintritts- und Schallaustrittsfläche mit einem reflektierenden, insbesondere lufthaltigen Stoff, z. B. Ton oder Kork, überzogen ist.
9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der langgestreckte Festkörper mit einer das den Ultraschaüerzeuger enthaltende Gehäuse wenigstens teilweise umfassenden und an diesem Gehäuse z. B. mittels Bajonettverschluß zu befestigenden Überwurfhülse vorzugsweise derart verbunden ist, daß die Hülse unabhängig von dem Festkörper um die Längsachse des Festkörpers drehbar ist.

Angezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschrift Nr. 656 468;

französische Patentschrift Nr. 745 611;

USA.-Patentschrift Nr. 2 283 285;

Hiedemann: »Ultraschallforschungtf, 1939, S. 126 bis 132;

L. Bergmann: »Der Ultraschall und seine Anwendung in Wissenschaft und Technik<ir, 1944, S. 78 und 283 ;

Zeitschrift für Physik, Bd. 73, 1931, S. 813 bis 832; Physical Review, Bd. 59, 1941, S. 590;

Fiat Review, Physics of Solids, I, 1947, S. 156, 157 und 170, 171;

Dissertation Fritz Kruse: »Zur Werkstoffprüfung mittels Ultraschall«, Hannover, 1937, S. 17.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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