EP0702350A2

EP0702350A2 - Ansteuerschaltung für eine Impulsschallquelle

Info

Publication number: EP0702350A2
Application number: EP95112715A
Authority: EP
Inventors: Joachim Dr. Rer. Nat. Staudenraus
Original assignee: Richard Wolf GmbH
Current assignee: Richard Wolf GmbH
Priority date: 1994-09-17
Filing date: 1995-08-11
Publication date: 1996-03-20
Also published as: EP0702350A3; DE4433224C1

Abstract

Die Erfindung betrifft die Verbesserung einer Ansteuerschaltung für Hochleistungsimpulsschallquellen (2). Einem von einem Stoßkondensator (2) über einen Hochspannungsschalter (4) zur Impulsschallquelle führenden Entladekreis ist eine Begrenzerschaltung, z.B. ein Kurzschlußkreis (7,8,9) zugeordnet. Diese begrenzt die Zeitdauer der von der im Stoßkondensator (2) gespeicherten Ladung nach dem Schließen des ersten Hochspannungsschalters (4) an der Impulsschallquelle (1) erzeugten elektrischen Schwingung auf einen bestimmten Wert, so daß die elektrische Erregung und damit der mechanisch elektrische Verschleiß auf das zur Abstrahlung des Druckpulses erforderliche Minimum reduziert werden. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Ansteuerschaltung für eine Impulsschallquelle, 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 Lebensdauer 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 hochspannungsfester 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 Impulsschallquelle 1 fließen kann. Als Hochspannungsschalter 4 finden beispielsweise Triggerschaltfunkenstrecken, Überspannungschaltfunkenstrekken, 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 Aufheizung im Bereich der Spitzen der Elektroden bewirkt wird. Außerdem führt dieser Strom zur Hydrolyse, wobei an den Elektrodenoberflächen kleine Gasbläschen entstehen, die die Leaderbildung begünstigen.
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 dimensioniert, daß die Wandlerspannung ihr Maximum innerhalb der einfachen Laufzeit T des Schalls in der Keramik (gemessen in Schallabstrahlrichtung) erreicht. Um den hohen elektroakustischen Wirkungsgrad der piezoelektrischen Impulsschallquelle auszunutzen, 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.
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 Schallquellen verwendbar sein.
Die obige Aufgabe wird bei einer Ansteuerschaltung für eine Impulsschallquelle, insbesondere Hochleistungsimpulsschallquelle, die aus einem Ladekreis zur Ladung eines Stoßkondensators und einem zum Stoßkondensator parallel geschalteten Entladekreis besteht, der wenigstens einen ersten, elektrisch steuerbaren Hochspannungsschalter und die Impulsschallquelle enthält, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Entladekreis eine Begrenzerschaltung aufweist, welche die Zeitdauer der von der im Stoßkondensator gespeicherten Ladung nach dem Schließen des ersten Hochspannungschalters an der Impulsschallquelle erregten elektrischen Schwingung auf einen 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 Impulsschallquellen wird dadurch minimiert, daß durch die Begrenzerschaltung die Zeitdauer der elektrischen Erregung auf das zur Abstrahlung des erwünschten Druckpulses erforderliche Mindestmaß reduziert wird.
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung 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 Ansteuerschaltung;
Fig. 2a, 2b, 2c und 2d: bereits erläuterte Ersatzschaltbilder der piezoelektrischen, elektromagnetischen, elektrohydraulischen und magnetostriktiven Impulsschallquellen;
Fig. 3: eine erste Variante einer erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung, bei der die Begrenzerschaltung in Form eines Kurzschlußkreises ausgeführt ist;
Fig. 4: eine zweite Variante der vorgeschlagenen Ansteuerschaltung, 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 Ansteuerschaltung für eine elektromagnetische Impulsschallquelle, bei der die Begrenzerschaltung Teil einer Triggerschaltung für den ersten elektrisch steuerbaren Hochspannungschalter ist;
Fig. 6b: eine der vierten Variante gemäß Fig. 6a ähnliche Ausführung einer elektrohydraulischen Impulsschallquelle, bei der die Begrenzerschaltung ebenfalls ein Teil einer Triggerschaltung für den ersten Hochspannungsschalter ist;
Fig. 6c: eine den Varianten gemäß Fig. 6a und 6b ähnliche Ansteuerschaltung für eine magnetostriktive Impulsschallquelle, 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 piezoelektrischen Impulsschallquelle erzeugten Schalldrucks jeweils ohne Kurzschluß (Fig. 7a), bei vollständigem Kurzschluß (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 Erregerstroms 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 Kurzschlußkreis 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 Überspannungsfunkenstrecke;
Fig. 11: die Realisierung eines Kurzschlußkreises durch entsprechende Dimensionierung des Entladewiderstandes;
Fig. 12: eine erste Ausführungsform einer Ansteuerschaltung mit Kurzschlußkreis für eine piezoelektrische Impulsschallquelle;
Fig. 13: eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung mit einem Kurzschlußkreis für eine piezoelektrische Impulsschallquelle, bei der der Kurzschlußkreis lediglich aus passiven Bauelementen besteht; und
Fig. 14: ein Schaltungsbeispiel einer Ansteuerschaltung für eine piezoelektrische 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 zusätzlich einen Kurzschlußkreis auf, der aus einem zweiten Hochspannungsschalter 7 und einem den Kurzschlußstrom durch den Hochspannungsschalter 7 begrenzenden Widerstand 9 besteht. Der Hochspannungsschalter 7 wird durch eine Triggerschaltung 8 betätigt. Das verzögerte Einschalten des zweiten Hochspannungsschalters 7 gegenüber 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 Kurzschlußkreis parallel zu der Reihenschaltung aus der Impulsschallquelle 1 und dem Widerstand 6 der zur Strombegrenzung und zur Schwingungsdämpfung dient. Bei der in Fig. 5 gezeigten dritten Grundschaltungsvariante liegt der Kurzschlußkreis unmittelbar parallel zum Stoßkondensator 2.
Anhand der Spannungs-Zeit, Strom-Zeit sowie der Druck-Zeitdiagramme, die in den Fig. 7a, 7b, 7c, 8a, 8b, 9a, 9b und 9c dargestellt sind, werden nun die Funktionen der mit dem Kurzschlußkreis versehenen erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung gemäß den Grundschaltungen von Fig. 3 bis 5 bei Verwendung der verschiedenen elektroakustischen Impulsschallquellen erläutert:

1. Piezoelektrische Impulsschallquelle

Der zeitliche Verlauf der elektrischen Spannung U_PE an einer piezoelektrischen Impulsschallquelle 1a wird durch die Schwingung der elektrischen Ladung zwischen dem Stoßkondensator 2 und der Impulsschallquelle 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 unipolaren Druckpulses ist der Spannungsverlauf U_PE 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 Materials in seine Ausgangslage eingeleitet. Dies ist, wie die Kurve 73 in Fig. 7b zeigt, mit der Abstrahlung eines an sich unerwünschten Zugwellenanteils 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 U_PE 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 erforderliche 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 Belastung 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 U_Z 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 Zugwellenanteil vermindert. In den Fig. 7b und 7c sind die Spannungsverläufe 72 und 74 bei vorgegebenem Spannungsgradienten sowie die zugeordneten Druck- und Zugwellenverläufe 73, 75 jeweils für die vollständige und die partielle Kurzschlußentladung dargestellt. Amplitude und Pulsbreite des Zugwellenanteils gehen bei partieller Kurzschlußentladung merklich zurück. Hierbei gelingt, wie dies in Fig. 7c dargestellt ist, die Reduktion der Zugwellenamplitude bevorzugt dadurch, daß die partielle Kurzschlußentladung auf ein Zeitintervall kleiner als T beschränkt wird. Eine anschließende Entladung vom Zwischenpotential U_Z auf Nullpotential erfolgt mit einer höheren Zeitkonstanten und demzufolge vernachlässigbarer Zugwellenamplitude.
Als Beispiel einer Schaltung zur partiellen Kurzschlußentladung einer piezoelektrischen Impulsschallquelle ist die Ansteuerschaltung in Fig. 14 dargestellt. Der im Kurzschlußkreis befindliche zweite Hochspannungsschalter 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 Kondensator 25, wobei sich das Zwischenpotential U_Z einstellt. Der Widerstand 26 ist erforderlich, falls eine Entladung des Kondensators 25 über den zweiten Hochspannungsschalter 7 und den Entladewiderstand 12 nicht gewährleistet ist. Dies gilt insbesondere bei der Realisierung 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.

2. Elektromagnetische Impulsschallquelle

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 I_EM 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 I_EM durch die Schallquelle. Folglich liefert die erste Halbwelle des elektrischen Stromes I_EM im Zeitintervall ${0 ≦ t ≦ T}_{1} /2$
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 I_EM 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 Kurzschlußkreises eine Begrenzerschaltung enthält, die einer Triggerschaltung 11 für einen ein- ausschaltbaren Hochspannungsschalter 10 zugeordnet ist. Der Hochspannungsschalter 10 wird durch die Triggerschaltung 11 zur Ansteuerung der Impulsschallquelle 1b geschlossen und nach dem Zeitintervall T₁/2 wieder geöffnet. Das Zeitintervall T₁/2 kann 100 ns bis 10 µs betragen. Nach dem heutigen Stand der Technik sind hierfür beispielsweise Lösch-Funkenstrecken, Hochspannungsschaltröhren (z.B. Tyrathrons), Hochspannungstransistorschalter oder ein- ausschaltbare Thyristoren geeignet.

3. Elektrohydraulische Impulsschallquelle

Die elektrische Erregung der elektrohydraulischen Impulsschallquelle 1c (Fig. 6b) erfolgt durch Entladung des Stoßkondensators 2 in einen nichtlinearen, zeitabhängigen elektrischen Widerstand der als Flüssigkeits-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 Impulsschallquelle entsteht eine durch den Widerstand der Funkenstrecke gedämpfte elektrische Schwingung des Stromes I_EH mit der Halbperiode T₂ (vgl. Kurve 90 in Fig. 9a). Die Druckamplitude der in die Flüssigkeit 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 ${0 ≦ t ≦ T}_{2} /2$
der Stromschwingung I_EH(t) gegeben. Die zweite Viertelperiode $T_{2} /2 ≦ t ≦ T₂$
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 ausgelösten 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 erfindungsgemäß die gedämpfte elektrische Schwingung durch Kurzschließen der Elektroden entweder unmittelbar nach der ersten Viertelperiode ${t ≧ T}_{2} /2$
(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 elektrohydraulischen Impulsschallquelle die Begrenzerschaltung in Form einer Triggerschaltung 11 für einen ein- und ausschaltbaren Hochspannungsschalter 10 realisiert werden, welcher ein Schließen und wieder Öffnen nach Ablauf des Zeitintervalls T₂/2 bzw. T₂ in der Größenordnung von beispielsweise 100 ns ... 10 µs erlaubt (vgl. Fig. 6b).
Elektrohydraulische Impulsschallquellen werden in der Medizin zur extrakorporalen sowie zur intrakorporalen Steintherapie eingesetzt. Im Fall der intrakorporalen Steintherapie erfolgt eine elektrische Funkenentladung zwischen zwei Elektroden, die über ein Endoskop in den Körper des Patienten eingeführt und adjazent zum Stein positioniert werden. Wird die Funkenentladung gezündet, so bildet sich eine Plasmablase, die sich mit Überschallgeschwindigkeit ausdehnt. Die dabei in die umgebende Körperflüssigkeit abgestrahlte Druckwelle trifft auf den Stein und führt zu dessen Zerstörung. Abhängig von der Entladespannung und dem zeitlichen Verlauf des Entladestromes kann diese Blase Durchmesser > 1 mm erreichen.
Einer Anwendung elektrohydraulischer Impulsschallquellen im Harnleiter (Harnleiterstein) oder auch in Blutgefäßen (z.B. Abtrag von Kalkablagerungen, Thrombolyse, Thromboisierung) stand bisher entgegen, daß das Anwachsen der Plasmablase zu einer Dehnung und gegebenenfalls zum Zerreißen der empfindlichen Wandungen führen kann. Nach heutigem Stand der Technik hält man die Plasmablase dadurch klein, daß die Amplitude des Entladestromes I_EH gesenkt oder die Frequenz der gedämpften elektrischen Schwingung durch Einsatz von Stoßkondensatoren mit reduzierter Kapazität erhöht wird. Beide Maßnahmen sind mit einem grundsätzlich unerwünschten Rückgang von Amplitude bzw. Energie der abgestrahlten Druckwelle verknüpft.
Wie bereits beschrieben, heizt der Entladestrom für t > T₂ (vgl. Fig. 9a) das Plasma zwar weiter auf, er besitzt aber keinen Einfluß auf die bereits abgestrahlte Druckwelle. Somit führt der Stromfluß für t > T₂ zu einem unnötigen Anwachsen der Plasmablase. Durch Kurzschließen der Elektroden wird der Stromfluß nach Fig. 9c für t > T₂ unterbrochen und dadurch das Anwachsen der Plasmablase, bei unveränderter Amplitude und Energie der abgestrahlten Druckwelle, auf das Minimum begrenzt. Wird der Kurzschlußkreis nach Fig. 9b für ${t > T}_{2} /2$
aktiviert, so bleibt die Amplitude der abgestrahlten Druckwelle unverändert, und die Energie der Druckwelle und ebenso das Volumen der Plasmablase werden reduziert. Durch Steuerung des Zeitpunktes für die Aktivierung des Kurzschlußkreises im Intervall $T_{2} /2 ≦ t ≦ T₂$
bzw. allgemeiner im Intervall 0 ≦ t ≦ T₂ läßt sich die Energie der abgestrahlten Druckwelle bei konstanter Ladespannung U_L regeln.

4. Magnetostriktive Impulsschallquelle

Magnetostriktive Impulsschallquellen werden zur Leistungsschallerzeugung bisher nicht eingesetzt. Sobald jedoch geeignete magnetostriktive Werkstoffe zur Verfügung stehen, ist zu erwarten, daß das am Beispiel der piezoelektrischen, elektromagnetischen und elektrohydraulischen Impulsschallquellen beschriebene Unterbrechen der elektrischen Anregung möglichst unmittelbar, nachdem die gewünschte Druckpulsform akustisch abgestrahlt wurde, sich auch entsprechend günstig auf die Lebensdauer einer magnetostriktiven Impulsschallquelle 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 Längenänderung ein Zugpuls abgestrahlt wird.
Fig. 6c zeigt eine Ansteuerschaltung für eine magnetostriktive Impulsschallquelle 1d, bei welcher der anhand der Fig. 3 bis 5 beschriebene 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 Ansteuerschaltung für eine piezoelektrische Impulsschallquelle 1a, die einen Kurzschlußkreis unter Verwendung rein passiver Bauelemente enthält.
Gemäß Fig. 10a besteht der Kurzschlußkreis aus einer Überspannungsfunkenstrecke 13, die gegebenenfalls ergänzt wird durch einen Widerstand 9 zur Begrenzung des Kurzschlußstromes. Die Funkenstrecke ist so ausgelegt, daß sie aufgrund ihrer Eigenverzögerung zum Zeitpunkt t ≧ τ (vgl. die Fig. 7a bis 7c) anspricht. Selbstverständlich 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 Ansteuerschaltung 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 geschaltet; in Fig. 10c ist ein aus einem Widerstand 14, einer Induktivität 16 und einer Kapazität 15 bestehendes RLC-Netzwerk zwischen die piezoelektrische Impulsschallquelle 1a und die Überspannungsfunkenstrecke 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 Dämpfungswiderstandes 6 an, um dadurch den elektroakustischen Wirkungsgrad der piezoelektrischen Quelle nicht durch deren äußere Beschaltung unnötig herabzusetzen. Um die Wirkungsweise eines Kurzschlußkreises nachzubilden, wird gemäß Fig. 11 für den Entladewiderstand 12a ein Wert kleiner als der zehnfache Widerstandswert des Dämpfungswiderstandes 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 Entladewiderstand 12a die Ladespannung des Stoßkondensators 2 zunehmen.
Die Fig. 12 zeigt eine vorteilhafte Schaltungsvariante einer erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung für eine piezoelektrische Impulsschallquelle 1a. Eine triggerbare Schaltfunkenstrecke 17 wird zeitlich verzögert gegenüber dem ersten Hochspannungsschalter 4 gezündet. Dazu wird ein Hochspannungspuls zwischen dem ersten Hochspannungsschalter 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 Triggerelektrode 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 Koppelkondensator 20 begrenzt werden. Der Widerstand 22 dient dem Potentialausgleich zwischen der Triggerelektrode und der benachbarten Hauptelektrode der Schaltfunkenstrecke 17.
Die Fig. 12 enthält weiter einen Schalter 27, der dazu dient, den Kurzschlußkreis für niedere und mittlere Leistungen der Impulsschallquelle 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 Hochspannungsschalter, insbesondere bei Schaltfunkenstrecken ergebenden unterschiedlichen 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 Ansteuersignale für den ersten und zweiten Hochspannungsschalter 4 und 7, die jeweils die Triggerschaltung 5 und 8 erzeugen, einfach im Verhältnis zueinander zu verzögern. Vielmehr ist es, wie Fig. 12 zeigt, erforderlich, ein mit dem Schaltzeitpunkt vom ersten Hochspannungsschalter 4 verknüpftes Meßsignal abzugreifen und dieses entsprechend verzögert und elektronisch aufbereitet dem zweiten Hochspannungsschalter 7, insbesondere der triggerbaren Schaltfunkenstrecke 17, als Triggersignal zuzuführen. Ein solches Meßsignal läßt sich beispielsweise aus dem beim Schließen des ersten Hochspannungsschalters 4 einsetzenden Stromfluß, der Spannungsänderung am Stoßkondensator oder der Impulsschallquelle 1 sowie im Falle einer Schaltfunkenstrecke als ersten Hochspannungsschalter 7 auch auf optischem Wege aus dem Lichtblitz der Plasmaentladung gewinnen.
Aus dem Meßsignal für den Schaltzeitpunkt des ersten Hochspannungsschalters 4 sowie einem zweiten entsprechenden Meßsignal für den Schaltzeitpunkt des zweiten Hochspannungsschalters 7 läßt sich die Verzögerung der durch den Kurzschlußkreis bewirkten Kurzschlußentladung regeln. Auf diese Weise kann beispielsweise eine Drift des Zeitpunkts der Kurzschlußentladung bei fortschreitendem Verschleiß der beiden Hochspannungsschalter 4 und 7 kompensiert werden.
Fig. 13 zeigt eine besonders einfache und kostengünstige Realisierung eines Kurzschlußkreises einer Ansteuerschaltung für eine piezoelektrische Impulsschallquelle mittels passiver Bauelemente. Der Kurzschluß erfolgt über die Hochfrequenzspule 23, deren Induktivität den zeitlichen Verlauf und damit die Verzögerung sowie den maximalen Strom im Kurzschlußkreis bestimmt. Die parallel zur Hochfrequenzspule 23 liegende Diode 24 unterbindet eine Schwingung der elektrischen Energie zwischen der Spule 23 und der Kapazität der Impulsschallquelle 1a. Dadurch wird die im Impulsbetrieb unerwünschte Ansteuerung der Schallquelle mit einer negativen Halbwelle vermieden.
Ein zusätzlicher Serienwiderstand 9, dessen Widerstandswert in jedem Fall so bemessen ist, daß in Verbindung mit der Spule 23 die Spannung U_PE 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 Kombinationen von Widerstand 9, Spule 23 und Diode 24 darstellt. Äquivalent zu Fig. 13 wäre beispielsweise eine parallel zur Reihenschaltung 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 Schaltungsvarianten zur partiellen Kurzschlußentladung einer piezoelektrischen Impulsschallquelle. Hierbei wird der Schalter 7 gegenüber dem Schalter 4 um das Zeitintervall Δ t ≧ τ verzögert betätigt. Die Schallquelle entlädt sich dadurch kurzschlußartig über den Widerstand 9 in den Kondensator 25. Hierbei stellt sich das Zwischenpotential U_Z ein. Der Widerstand 26 ist erforderlich, falls eine Entladung des Kondensators 25 über den Schalter 7 und den Entladewiderstand 12 nicht gewährleistet ist. Dies gilt insbesondere bei Verwendung einer Schaltfunkenstrecke.
Bei den Kurvenverläufen im Kurzschlußfall gemäß den Fign. 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 Stromverhältnissen kein plötzlicher Kurzschluß möglich ist, sondern immer Zeitspannen einzuhalten sind, bis die abzuschaltenden Ströme jeweils auf Null zurückgegangen sind.

Claims

Ansteuerschaltung für eine Impulsschallquelle (1), insbesondere Hochleistungsimpulsschallquelle, bestehend aus einem Ladekreis zur Ladung eines Stoßkondensators (2) und einem zum Stoßkondensator (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 Ladung nach dem Schließen des ersten Hochspannungschalters (4) an der Impulsschallquelle (1) erregten elektrischen Schwingung auf einen vorgegebenen Wert (Δt) begrenzt.
Ansteuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzerschaltung einen zum Stoßkondensator (2) und zur Impulsschallquelle (1) parallel geschalteten Kurzschlußkreis (7, 8, 9, 13-16) aufweist zum wenigstens partiellen Kurzschließen des vom Stoßkondensator (2) zur Impulsschallquelle (1) fließenden Entladestromes bzw. der Spannung über der Impulsschallquelle (1) zu einem der vorgegebenen Zeitdauer (Δt) entsprechenden Zeitpunkt nach dem Zeitpunkt des Schließens des ersten Hochspannungsschalters (4).
Ansteuerschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kurzschlußkreis (7, 8, 9) wenigstens einen zweiten, elektrisch steuerbaren Hochspannungsschalter (7) und eine diesen ansteuernde Triggerschaltung zum Schließen des zweiten Hochspannungsschalters (7) zu dem der erwähnten Zeitdauer (Δt) entsprechenden Zeitpunkt aufweist.
Ansteuerschaltung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kurzschlußkreis (7, 8, 9) unmittelbar parallel zur Impulsschallquelle (1) liegt (Fig. 2).
Ansteuerschaltung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Dämpfungswiderstand (6) in Reihe zur Impulsschallquelle (1) geschaltet ist und der Kurzschlußkreis (7, 8, 9) parallel zur Reihenschaltung aus Impulsschallquelle (1) und Dämpfungswiderstand (6) liegt (Fig. 4).
Ansteuerschaltung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kurzschlußkreis (7, 8, 9) unmittelbar parallel zum Stoßkondensator (2) geschaltet ist (Fig. 5).
Ansteuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Hochspannungsschalter (10) elektrisch ein- und ausschaltbar ist und dessen Ein/ Ausschaltzeitpunkte von einer Triggerelektronik (11) bestimmt werden, welche die Begrenzerschaltung umfaßt (Fig. 6a, 6b, 6c).
Ansteuerschaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsschallquelle eine piezoelektrische Impulsschallquelle (1a) ist und daß der Wert der von der Begrenzerschaltung bestimmten Zeitdauer (Δt) zu Δt ≧ τ, bevorzugt $Δt = τ$
gewählt ist, wobei τ etwa gleich der Summe der einfachen Laufzeit T des Schalls im piezoelektrischen Material und der Anstiegszeit T' der elektrischen Erregung (U_PE) des piezoelektrischen Materials ist (Fig. 7a, 7b, 7c).
Ansteuerschaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzerschaltung so ausgelegt ist, daß die Spannung U_PE an der Impulsschallquelle nach Verstreichen der vorgegebenen Zeitdauer Δt in einem darauf folgenden Zeitintervall Δt' mit τ ≦ Δt' < 10 T zumindest teilweise abgebaut wird.
Ansteuerschaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzerschaltung so ausgelegt ist, daß die erwähnte Spannung U_PE nach Verstreichen der vorgegebenen Zeitdauer Δt in einem darauf folgenden Zeitintervall Δt' < τ auf ein Zwischenpotential U_Z abgesenkt wird.
Ansteuerschaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsschallquelle eine elektromagnetische Impulsschallquelle (1b) ist und daß der Wert (Δt) der von der Begrenzerschaltung bestimmten Zeitdauer zu ${Δt ≦ T}_{1} /2$
, bevorzugt ${Δt = T}_{1} /2$
gewählt ist, wobei T₁ die Periodendauer einer durch die Induktivität der elektromagnetischen Impulsschallquelle (1b) bei Entladung des Stoßkondensators (2) verursachten gedämpften Schwingung (I_EM) ist (Fig. 8a, 8b).
Ansteuerschaltung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzerschaltung so ausgelegt ist, daß der Strom I_EM durch die elektromagnetische Impulsschallquelle nach Verstreichen der vorgegebenen Zeitdauer Δt in einem darauf folgenden Zeitintervall ${Δt' < T}_{1} /2$
auf annähernd Null abnimmt.
Ansteuerschaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsschallquelle eine elektrohydraulische Impulsschallquelle (1c) ist und daß der Wert Δt der von der Begrenzerschaltung bestimmten Zeitdauer zu ${Δt ≧ T}_{1} /2$
oder zu Δt ≧ T₂ gewählt ist, wobei T₂ die Dauer einer Halbperiode der durch die Induktivität der Zuleitungen und der elektrohydraulischen Impulsschallquelle (1c) bei Entladung des Stoßkondensators (2) verursachten gedämpften Schwingung (I_EH) ist (Fig. 9a, 9b, 9c).
Ansteuerschaltung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzerschaltung so ausgelegt ist, daß der Strom I_EH durch die elektrohydraulische Impulsschallquelle nach Verstreichen der vorgegebenen Zeitdauer Δt in einem darauf folgenden Zeitintervall Δt' < T₂ auf annähernd Null abnimmt.
Ansteuerschaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsschallquelle eine magnetostriktive Impulsschallquelle (1d) ist.
Ansteuerschaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Kurzschlußkreis parallel zu der piezoelektrischen Impulsschallquelle (1a) eine Überspannungsfunkenstrecke (13) und ein Verzögerungsnetzwerk (9; 14, 15; 14, 15, 16) zur verzögerten Zündung der Überspannungsfunkenstrecke (13) zu einem dem Wert Δt der vorerwähnten Zeitdauer entsprechenden Zeitpunkt aufweist (Fig. 10a, 10b, 10c).
Ansteuerschaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Kurzschlußkreis eine triggerbare Schaltfunkenstrecke (17) parallel zu der piezoelektrischen Impulsschallquelle (1a) und eine mit dem Triggereingang der Schaltfunkenstrecke (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 Dämpfungswiderstand (6) erzeugten Hochspannungsimpuls abgreift und daraus einen verzögerten Triggerimpuls für die Schaltfunkenstrecke (17) erzeugt (Fig. 12).
Ansteuerschaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Kurzschlußkreis eine Spule (23) parallel zur piezoelektrischen Impulsschallquelle (1) aufweist, wobei eine der Spule (23) zugeschaltete Diode (24) zur Unterbindung 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).
Ansteuerschaltung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin ein Widerstand (9) in Reihe zwischen der Impulsschallquelle (1a) und der Spule (23) liegt, deren Widerstand so bemessen ist, daß in Verbindung mit der Spule (23) die Spannung U_PE innerhalb eines Zeitintervalles Δt' mit Δt' < 10 T auf den Wert 1/e abklingt.
Ansteuerschaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzerschatung aktivierbar und deaktivierbar ist.