RU2130292C1 - Electric-discharge generator of shock-acoustic waves - Google Patents
Electric-discharge generator of shock-acoustic waves Download PDFInfo
- Publication number
- RU2130292C1 RU2130292C1 RU95107922/28A RU95107922A RU2130292C1 RU 2130292 C1 RU2130292 C1 RU 2130292C1 RU 95107922/28 A RU95107922/28 A RU 95107922/28A RU 95107922 A RU95107922 A RU 95107922A RU 2130292 C1 RU2130292 C1 RU 2130292C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- electrode
- generator according
- electrodes
- shock
- active
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
- G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G10K15/00—Acoustics not otherwise provided for
- G10K15/04—Sound-producing devices
- G10K15/06—Sound-producing devices using electric discharge
Abstract
Description
Изобретение относится к технике генерирования ударно-акустических волн в жидких средах и может найти применение в медицине для неинвазивной литотрипсии и физиотерапии, научных исследованиях, гидролокации, океанологии, микробиологии и т.д. The invention relates to techniques for generating shock-acoustic waves in liquid media and can find application in medicine for non-invasive lithotripsy and physiotherapy, scientific research, sonar, oceanology, microbiology, etc.
Известны устройства для генерирования ударно-акустических волн (УВ) в жидких средах, выполненные в виде набора пьезоэлектрических излучателей, мозаично закрепленных на заданной поверхности, подключенных к генераторам импульсного напряжения, которые управляются по моменту включения для получения УВ с практически любой заданной формой фронта. Общим у рассматриваемого устройства с предлагаемым изобретением является то, что излучаемая УВ является суперпозицией УВ от системы источников [1, 2]. Known devices for generating shock acoustic waves (HC) in liquid media, made in the form of a set of piezoelectric emitters, mosaic mounted on a given surface, connected to pulse voltage generators, which are controlled at the moment of switching on to obtain a shock wave with almost any given shape of the front. A common feature of the device with the invention is that the radiated hydrocarbon is a superposition of the hydrocarbon from a source system [1, 2].
Недостатком пьезоэлектрических генераторов является сравнительно низкая амплитуда давления излучаемой УВ и ненадежность, обусловленная большим количеством излучающих элементов и источников питания для них, дороговизна и сложность технологической обработки пьезоэлектриков. The disadvantage of piezoelectric generators is the relatively low pressure amplitude of the emitted HC and the unreliability due to the large number of radiating elements and power sources for them, the high cost and complexity of the processing of piezoelectrics.
Другой известный тип генераторов УВ выполнен на основе электромагнитного излучателя, метающего металлическую мембрану заданной формы. Теоретически возможно, придавая мембране заданную форму, получать ударные волны с различным профилем, фронта, однако из-за сложности изготовления на практике используются только плоские, сферические и цилиндрические мембраны. Кроме того, такие генераторы требуют создания устройства с малым зазором (10-100 мкм) между электромагнитным излучателем и метаемой мембраной, а также источников питания с малой индуктивностью [2, 3]. Another known type of HC generators is made on the basis of an electromagnetic emitter throwing a metal membrane of a given shape. It is theoretically possible, giving the membrane a given shape, to receive shock waves with a different profile of the front, however, due to the complexity of manufacturing, in practice only flat, spherical and cylindrical membranes are used. In addition, such generators require the creation of a device with a small gap (10-100 μm) between the electromagnetic emitter and the missile membrane, as well as power sources with low inductance [2, 3].
Наиболее близким к описываемому является устройство для генерации ударно-акустических волн, содержащее корпус, заполненный электропроводящей жидкостью, первый и второй разрядные металлические электроды и активные электропроводящие элементы-штырьки (обострители), установленные на одном из электродов и подключенные к генератору импульсного напряжения, включающего в себя емкостный накопитель и управляемый разрядник [4]. Closest to the described is a device for generating shock-acoustic waves, comprising a housing filled with an electrically conductive liquid, first and second discharge metal electrodes and active electrically conductive pin elements (sharpeners) mounted on one of the electrodes and connected to a pulse voltage generator, including a capacitive storage device and a controlled arrester [4].
В этом устройстве использовано небольшое число активных обострителей, выполненных в виде острий электрода, размещенных в слабопроводящей жидкости и расположенных в варианте обычной ориентации электродов, т.е. когда электрод-пластина располагается напротив электродов-обострителей. При подаче на электроды импульсного напряжения на обострителях образуется плазменный пузырек, являющийся источником ударной волны. При достаточно большом расстоянии между электродами формирование ударной волны с необходимо заданной геометрией волнового фронта без дополнительных приспособлений таким устройством невозможно. В таком устройстве разряд происходит в закрытом (электродами) пространстве для выхода ударно-акустических волн с необходимой формой фронта и геометрией волнового поля. Такое расположение электродов не выгодно с точки зрения вывода ударно-акустических волн с излучающей поверхности электродов-обострителей, так как при выходе УВ во внешнюю среду через противоположный электрод-пластину теряется часть энергии. Кроме того, генерируемая вблизи активных элементов-штырьков ударная волна отражается от противоположного электрода, возникают дополнительные сигналы-помехи из-за многократных отражений ударной волны в промежутке между электродами. This device used a small number of active sharpeners made in the form of electrode tips placed in a weakly conductive liquid and located in a variant of the usual orientation of the electrodes, i.e. when the electrode plate is located opposite the sharpening electrodes. When a pulse voltage is applied to the electrodes, a plasma bubble is formed on the sharpeners, which is the source of the shock wave. With a sufficiently large distance between the electrodes, the formation of a shock wave with the required geometry of the wave front without additional devices by such a device is impossible. In such a device, a discharge occurs in a closed (electrodes) space for the output of shock-acoustic waves with the necessary front shape and wave field geometry. Such an arrangement of the electrodes is not advantageous from the point of view of the output of shock-acoustic waves from the radiating surface of the sharpening electrodes, since when the shock wave enters the external environment through the opposite electrode plate, some of the energy is lost. In addition, the shock wave generated near the active pin elements is reflected from the opposite electrode, additional interference signals appear due to multiple reflections of the shock wave in the gap between the electrodes.
Таким образом, к недостаткам известного технического решения относятся невозможность получения одиночных ударно-акустических волн с требуемой формой фронта и геометрией волнового поля, относительно малая выходная амплитуда ударно-акустической волны из-за прохождения через один из электродов. Thus, the disadvantages of the known technical solutions include the impossibility of obtaining single shock acoustic waves with the desired front shape and wave field geometry, the relatively small output amplitude of the shock acoustic wave due to passage through one of the electrodes.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является получение ударно-акустической волны большой амплитуды с наперед заданной геометрической формой фронта и геометрией волнового поля. The problem to which the invention is directed, is to obtain a shock-acoustic wave of large amplitude with a predetermined geometric shape of the front and the geometry of the wave field.
Сущность изобретения состоит в том, что в отличие от известного электроразрядного генератора ударно-акустических волн, содержащего установленные в заполненном электропроводной жидкостью корпусе два разрядных электрода и активные электропроводные элементы (обострители), электрически соединенные с одним и электродов, а также подключенный к электродам генератор импульсного напряжения, включающий в себя управляемый разрядник и емкостный накопитель, в предлагаемом техническом решении корпус выполнен с акустически призрачным окном, первый разрядный электрод выполнен в виде ячеистой структуры и размещен на поверхности диэлектрической подложки с отверстиями напротив акустически прозрачного окна, а второй электрод установлен за диэлектрической подложкой, при этом рабочие поверхности активных электропроводных элементов размещены вдоль поверхности, геометрически подобной требуемой пространственной форме фронта ударной волны, а суммарная рабочая площадь активных электропроводных элементов не менее чем в 3 раза меньше площади отверстий в подложке и не менее чем в 30 раз меньше площади противоположного электрода. The essence of the invention lies in the fact that, in contrast to the known electric-discharge generator of shock-acoustic waves, which contains two discharge electrodes and active conductive elements (sharpeners) electrically connected to one of the electrodes and also a pulse generator connected to the electrodes voltage, including a controlled arrester and capacitive storage, in the proposed technical solution, the housing is made with an acoustically ghostly window, per the first discharge electrode is made in the form of a cellular structure and is placed on the surface of the dielectric substrate with holes opposite the acoustically transparent window, and the second electrode is installed behind the dielectric substrate, while the working surfaces of the active conductive elements are placed along a surface geometrically similar to the required spatial shape of the shock wave front, and the total working area of the active conductive elements is not less than 3 times smaller than the area of the holes in the substrate and not less than 30 times less area of the opposite electrode.
Активные электропроводные элементы могут быть укреплены на первом электроде в промежутках между отверстиями. Active conductive elements can be mounted on the first electrode in the spaces between the holes.
Активные электропроводные элементы могут быть также жестко закреплены на поверхности второго электрода и размещены в отверстиях диэлектрической подложки соосно с ними. Active conductive elements can also be rigidly fixed to the surface of the second electrode and placed in the holes of the dielectric substrate coaxially with them.
Кроме того, первый электрод может быть выполнен в виде сетки, например металлической, активные элементы - в виде узлов сетки, а поверхность последней может быть покрыта диэлектриком за исключением ее узлов со стороны акустически прозрачного окна. In addition, the first electrode can be made in the form of a grid, for example, metal, the active elements in the form of grid nodes, and the surface of the latter can be coated with a dielectric except for its nodes from the side of an acoustically transparent window.
Вместе с тем, в электроразрядном генераторе ударно-акустических волн первый электрод может быть выполнен в виде множественной регулярной структуры по типу сот с равноотстоящими друг от друга электропроводными выступами разнообразной геометрии, например, в форме дисков, колец, звездочек, которые являются активными электропроводными элементами, при этом поверхность электрода и выступов, кроме торцов выступов, может быть покрыта диэлектриком. At the same time, in an electric-discharge generator of shock-acoustic waves, the first electrode can be made in the form of a multiple regular structure of the type of cells with equally spaced electrically conductive protrusions of various geometries, for example, in the form of disks, rings, sprockets, which are active electrically conductive elements, the surface of the electrode and protrusions, in addition to the ends of the protrusions, can be coated with a dielectric.
Кроме того, диэлектрическая подложка первого электрода может быть выполнена из пластичного диэлектрика, например резины. In addition, the dielectric substrate of the first electrode may be made of a plastic dielectric, for example rubber.
Первый электрод может быть выполнен из электропроводного эластичного или пластичного материала. The first electrode may be made of electrically conductive elastic or plastic material.
Также в электроразрядном генераторе ударно-акустических волн и второй электрод может быть выполнен в виде сетки. Also in the electric-discharge generator of shock-acoustic waves, the second electrode can also be made in the form of a grid.
Кроме того, оба электрода и диэлектрическая подложка могут быть выполнены из эластичного материала. In addition, both electrodes and the dielectric substrate can be made of elastic material.
Электроразрядный генератор ударно-акустических волн может быть снабжен блоком регулирования и изменения формы поверхности подложки и электродов. The electric-shock generator of shock-acoustic waves can be equipped with a unit for regulating and changing the shape of the surface of the substrate and electrodes.
Дополнительно также в электроразрядный генератор ударно-акустических волн может быть введена система прокачки рабочей жидкости. Additionally, a system for pumping a working fluid can also be introduced into an electric-discharge generator of shock-acoustic waves.
Наконец, в электроразрядный генератор ударно-акустических волн может быть дополнительно введен программный блок управления разрядниками и N-1 дополнительных генераторов импульсного напряжения, а электроды разделены на N секций, каждая из которых подключена к отдельному генератору импульсного напряжения. Finally, a software control unit for arresters and N-1 additional pulse voltage generators can be additionally introduced into the electric-discharge shock-wave generator, and the electrodes are divided into N sections, each of which is connected to a separate pulse voltage generator.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в том, что данное техническое решение позволяет исключить потери энергии при прохождении ударно-акустической волны через электрод, получать ударно-акустические волны с широким диапазоном амплитудно-временных параметров, произвольно заданной формой фронта и геометрией волнового поля, осуществлять изменение положения фокуса ударной волны при фокусировке и самой формы фронта при генерировании ударно-акустических волн произвольной конфигурации в процессе работы генератора, обеспечивает большую надежность и долговечность и за счет этого расширяет область применения подобной аппаратуры. The technical result that can be obtained by carrying out the invention lies in the fact that this technical solution allows to eliminate energy losses during the passage of the shock acoustic wave through the electrode, to produce shock acoustic waves with a wide range of amplitude-time parameters, an arbitrary given shape of the front and the geometry of the wave field, to change the position of the focus of the shock wave during focusing and the very shape of the front when generating shock-acoustic waves of arbitrary configuration and during operation of the generator, it provides greater durability and reliability and thus extends the scope of such equipment.
На фиг. 1 показана схема устройства, например, для формирования полусферической геометрии УВ. In FIG. 1 shows a diagram of a device, for example, for forming a hemispherical HC geometry.
Устройство содержит первый электрод 1 и второй электрод 2, которые, например, для формирования ударной волны со сферической формой фронта, выполнены в форме подобной требуемой форме фронта, т.е. в виде сегментов сферы; первый электрод находится на диэлектрической подложке 3 с отверстиями 4, на первом электроде находятся активные электропроводные (излучающие) элементы 5, система электродов заключена в корпус 6, имеющий акустически прозрачное окно 7 и заполненный электропроводящий жидкостью 8. The device comprises a
На фиг. 2 показано, например, устройство для формирования ударной волны с плоским фронтом. Первый электрод 1 и второй электрод 2 - плоские. Первый электрод 1 находится на диэлектрической подложке 3 с отверстиями 4, на втором электроде 2 предусмотрены активные элементы 5, выполненные в виде электропроводящих штырьков, расположенных в отверстиях 4. In FIG. 2 shows, for example, a device for generating a shock wave with a flat front. The
Устройство может быть осуществлено, например, следующим образом. В заполненном электропроводной жидкостью корпусе 6 /фиг. 1/ установлены первый разрядный электрод 1 и второй разрядный электрод 2, а также активные электропроводящие элементы 5, электрически соединенные с одним из электродов [1]. Разрядные электроды подключены к генератору импульсного напряжения, который включает в себя управляемый разрядник и емкостный накопитель. Корпус 6 выполнен с акустически прозрачным окном. Первый разрядный электрод 1 выполнен в виде ячеистой структуры, размещен на поверхности диэлектрической подложки 3 с отверстиями 4 и установлен напротив акустически прозрачного окна, выполненного из тефлоновой пленки. Второй электрод 2 установлен за диэлектрической подложкой 3. Рабочие поверхности активных электропроводных элементов 5 размещены вдоль поверхности, геометрически подобной требуемой пространственной форме фронта ударной волны, а суммарная рабочая площадь излучающих элементов в 5 раз меньше площади отверстий в подложке и в 80 раз меньше площади противоположного электрода. The device can be implemented, for example, as follows. In the case 6 filled with electrically conductive liquid / FIG. 1 / a
Верхний предел отношений упомянутых площадей для достижения указанного технического результата в принципе не ограничен, что подтверждено экспериментально, и все зависит только от технологических возможностей конкретного устройства. The upper limit of the ratio of the mentioned areas to achieve the specified technical result is in principle not limited, which is confirmed experimentally, and it all depends on the technological capabilities of a particular device.
Устройство работает следующим образом. При подаче запускающего импульса на управляемый разрядник происходит подключение емостного накопителя к цепи, состоящей из разрядных электродов и рабочей жидкости между ними. В разрядном контуре возникает импульс тока, скорость нарастания которого ограничена индуктивностью разрядной цепи. Повышенная плотность тока на ограниченной проводящей поверхности каждой ячейки приводит к интенсивному джоулевому нагреву рабочей жидкости вблизи поверхности обострителя (ячейки), вскипанию рабочей жидкости, образованию парогазовой прослойки и искрового разряда в этой прослойке, обеспечивающего ее дополнительный разогрев. Расширяющиеся жидкость и парогазовый каналы на каждой ячейке формируют в жидкости расходящиеся сферические акустические или ударные волны, суперпозиция которых от всех ячеек приводит к образованию суммарной ударно-акустической волны, пространственная форма которой геометрически подобна форме поверхности ячеистого профилированного электрода. Использование в качестве рабочей жидкости электролитов, например, 5-20% раствора NaCl, позволяет разрядиться конденсаторной батарее раньше, чем произойдет образование плазменной перемычки между электродами. Химический состав электролита на течение разряда и излучение ударной волны влияние не оказывает, имеет значение лишь его проводимость. The device operates as follows. When a triggering pulse is applied to a controlled arrester, a capacitive storage device is connected to a circuit consisting of discharge electrodes and a working fluid between them. A current pulse arises in the discharge circuit, the slew rate of which is limited by the inductance of the discharge circuit. The increased current density on the limited conductive surface of each cell leads to intense Joule heating of the working fluid near the surface of the sharpener (cell), boiling of the working fluid, the formation of a gas-vapor layer and a spark discharge in this layer, which ensures its additional heating. The expanding liquid and the vapor-gas channels on each cell form diverging spherical acoustic or shock waves in the liquid, the superposition of which from all cells leads to the formation of a total acoustic shock wave, the spatial shape of which is geometrically similar to the shape of the surface of a profiled cellular electrode. The use of electrolytes as a working fluid, for example, a 5-20% NaCl solution, allows the capacitor bank to discharge before the formation of a plasma jumper between the electrodes. The chemical composition of the electrolyte during the discharge and the radiation of the shock wave does not affect, only its conductivity matters.
По сравнению с известными техническими решениями, преимуществом использования данного изобретения, вкупе с развитием и/или уточнением совокупности его существенных признаков применительно к частным случаям выполнения или использования изобретения, является получение ударно-акустических волн с произвольно заданной пространственно-временной формой фронта УВ, возможность изменения в процессе работы генератора формы фронта УВ и в том числе фокусного расстояния фокусируемой УВ, обеспечение большей надежности и долговечности за счет уменьшения числа источников тока, подводящих линий и уменьшения динамических и тепловых нагрузок на разрядные электроды. В конструкции изобретения нет узлов, для изготовления которых требуются сложные технологии и дорогие материалы, а также узлов, требующих замены в процессе эксплуатации. Compared with the known technical solutions, the advantage of using this invention, coupled with the development and / or clarification of the set of its essential features as applied to particular cases of performing or using the invention, is the production of shock-acoustic waves with an arbitrarily specified spatio-temporal shape of the shock wave front, the possibility of changing during operation of the generator, the shape of the front of the shock wave, including the focal length of the focused shock wave, ensuring greater reliability and durability due to the mind reducing the number of current sources, supply lines and reducing dynamic and thermal loads on the discharge electrodes. In the construction of the invention there are no nodes for the manufacture of which complex technologies and expensive materials are required, as well as nodes requiring replacement during operation.
Предложенное техническое решение обеспечивает достижение нового положительного эффекта, ранее не имевшего места ни в одном из известных устройств, и за счет этого расширяет область применения генераторов ударных волн. The proposed technical solution ensures the achievement of a new positive effect, which had not previously occurred in any of the known devices, and thereby expands the scope of application of shock wave generators.
Литература
1. Патент США N 4526168 кл. A 61 B 17/22, 1985.Literature
1. US patent N 4526168 C. A 61 B 17/22, 1985.
2. Х.Райхенбергер. Литотрипторы. - ТИИЭР, Т. 76, N 9, сентябрь 1988 г. 2. H. Reichenberger. Lithotriptors. - TIIER, T. 76, No. 9, September 1988.
3. H.Reichenberger and G.Naser. Electromagnetic acoustic source for the exteracorporeal generation of shock waves in litrhotripsy. - Siemens Forsch. - u. Futwickl. - Ber., vol. 15, pp. 187-194, Apr. 1986. 3. H. Reichenberger and G. Naser. Electromagnetic acoustic source for the exteracorporeal generation of shock waves in litrhotripsy. - Siemens Forsch. - u. Futwickl. - Ber., Vol. 15, pp. 187-194, Apr. 1986.
4. Теляшов Л.Л. Особенности развития беспробойного разряда в жидкости. - Электронная обработка материалов, 1989, N 2. 4. Telyashov L.L. Features of the development of a break-free discharge in a liquid. - Electronic Material Processing, 1989,
Claims (12)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU95107922/28A RU2130292C1 (en) | 1995-05-16 | 1995-05-16 | Electric-discharge generator of shock-acoustic waves |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU95107922/28A RU2130292C1 (en) | 1995-05-16 | 1995-05-16 | Electric-discharge generator of shock-acoustic waves |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU95107922A RU95107922A (en) | 1997-02-20 |
| RU2130292C1 true RU2130292C1 (en) | 1999-05-20 |
Family
ID=20167806
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU95107922/28A RU2130292C1 (en) | 1995-05-16 | 1995-05-16 | Electric-discharge generator of shock-acoustic waves |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2130292C1 (en) |
-
1995
- 1995-05-16 RU RU95107922/28A patent/RU2130292C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Теляшов Л.Л. Особенности развития беспробойного разряда в жидкости. - Электронная обработка материалов, 1989, N 2. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU95107922A (en) | 1997-02-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6554826B1 (en) | Electro-dynamic phased array lens for controlling acoustic wave propagation | |
| JP3798302B2 (en) | Thermally induced pressure wave generator | |
| US4968395A (en) | Method and apparatus for increasing catalytic efficiency of electrodes | |
| CA2590057A1 (en) | Ultrasonic medical treatment device with variable focal zone | |
| JPH06285106A (en) | Ultrasonic therapeutic device | |
| CN101675469B (en) | Methods and apparatuses of microbeamforming with adjustable fluid lenses | |
| EP0954847B1 (en) | Method and device for producing shock waves for technical and specially medico-technical applications | |
| US6869407B2 (en) | Acoustic wave device | |
| US20210325280A1 (en) | Ultrasound system for shearing cellular material | |
| Podbevšek et al. | Experimental evaluation of methodologies for single transient cavitation bubble generation in liquids | |
| CN105676293A (en) | Plasma epicenter emission array based on micropore electrode structure | |
| RU2130292C1 (en) | Electric-discharge generator of shock-acoustic waves | |
| US7048699B2 (en) | Non-cylindrical acoustic wave device | |
| US4840166A (en) | Shock wave source with increased degree of effectiveness | |
| US20030028129A1 (en) | Method and apparatus for producing shock waves for medical applications | |
| US3728671A (en) | Multiple-electrode, directional, acoustic source | |
| JP2020526910A (en) | Multilayer electrode assembly | |
| RU2000086C1 (en) | Beam shock-wave generator | |
| US7410464B2 (en) | Wave generating device | |
| RU2343449C1 (en) | Electroexplosive device for shock wave generation | |
| Sankin et al. | A multisite electric-discharge diaphragm generator of shock waves in a liquid | |
| RU201355U1 (en) | MULTI-ELEMENT PIEZOELECTRIC APPLICATOR FOR SHOCK WAVE THERAPY DEVICES | |
| JP2001518386A (en) | Equipment for the generation of ultrasonic sound fields | |
| KR100521247B1 (en) | A thermo-hydraulic shock wave generator | |
| Drozhzhin et al. | Self-synchronization and auto-oscillations in discharge phenomena |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| NF4A | Reinstatement of patent | ||
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20080517 |