EP0702350A2 - Driving circuit for a soundpulse source - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a control circuit for a pulse sound source, in particular a high-power pulse sound source according to the preamble of claim 1.
- a control circuit is e.g. known from DE-A-39 37 904.
- Pulse sound sources have been used in medicine to smash concretions inside the body for several years. New applications for the acoustic irradiation of parts of the body through pulse-shaped sound waves are being developed in the fields of osteotherapy, tumor therapy and the treatment of soft tissue pain. That is why sound sources with a high power reserve and at the same time the longest possible service life are required for efficient and successful treatment.
- pulse sound sources with piezoelectric, electromagnetic, electro-hydraulic and magnetostrictive transducers or transducer elements are known.
- a resistor 6 essentially serves to dampen the vibrations that occur due to unavoidable supply inductances and at the same time limits the maximum discharge current that can flow through the pulse sound source 1.
- high-voltage switch 4 trigger switching spark gaps, overvoltage switching spark gaps, vacuum relays, switching tubes (e.g. thyratrons), transistor and thyristor switches are used, for example.
- the circuit shown in FIG. 1 largely corresponds to the control circuit known from DE-A-39 37 904 mentioned above.
- this document shows a spark gap, and in order to improve the ignition behavior of the spark gap, a voltage is applied between the electrodes of the spark gap that is much smaller than the breakdown voltage and that allows a small electrical current to flow between the electrodes, causing local heating in the Area of the tips of the electrodes is effected. This current also leads to hydrolysis, whereby small gas bubbles form on the electrode surfaces, which promote the formation of leaders.
- 2a, 2b, 2c, 2d each represent in the form of a simplified electrical equivalent circuit diagram the above-mentioned electro-acoustic pulse sound sources which are used in principle.
- FIG. 2a shows a piezoelectric pulse sound source 1a as a capacitive load with a discharge resistor 12 connected in parallel.
- the damping resistor 6 shown in FIG. 1 is dimensioned such that the transducer voltage reaches its maximum within the simple transit time T of the sound in the ceramic (measured in the direction of sound emission) reached.
- the value of the discharge resistor 12 is chosen so that the discharge time constant given by it reaches at least ten times, more preferably twenty to thirty times the simple transit time T of the sound in the ceramic.
- 2b shows an electromagnetic pulse sound source 1b, which represents an inductive load and is shown in simplified form as a transformer with a short-circuited secondary winding.
- 2c shows an electro-hydraulic sound source 1c with a liquid spark gap, which is essentially an ohmic load.
- Fig. 2d shows a magnetostrictive impulse sound source 1d, which consists of at least one excitation coil, the magnetic field of which e.g. cylindrical magnetostrictive material deflects.
- One of the sound sources shown in FIGS. 2a-2d should be usable as the pulse sound source.
- a control circuit for a pulse sound source in particular high-power pulse sound source a charging circuit for charging a surge capacitor and a discharge circuit connected in parallel with the surge capacitor, which contains at least a first, electrically controllable high-voltage switch and the pulsed sound source, according to the invention solved in that the discharge circuit has a limiter circuit which follows the duration of the charge stored in the surge capacitor the closing of the first high-voltage switch at the pulse sound source excited electrical vibration limited to a predetermined value.
- the control circuit according to the invention enables a longer service life with the same power or a higher power with an unchanged service life of the pulse sound source.
- the mechanical load on the sound-emitting components of the pulsed sound sources is minimized in that the duration of the electrical excitation is reduced to the minimum required to emit the desired pressure pulse by the limiter circuit.
- the variants of the basic circuit of the control circuit according to the invention shown in FIGS. 3 to 5 have, in addition to the control circuit already shown in FIG 9 exists.
- the high-voltage switch 7 is actuated by a trigger circuit 8.
- the delayed switch-on of the second high-voltage switch 7 compared to the switch-on of the first high-voltage switch 4 determines the duration of the electrical excitation.
- the short circuit is located directly parallel to the pulse sound source 1.
- the short circuit is parallel to the series circuit comprising the pulse sound source 1 and the resistor 6, which is used for current limitation and for vibration damping.
- the short circuit is directly parallel to the surge capacitor 2.
- the time course of the electrical voltage U PE at a piezoelectric pulsed sound source 1a is determined by the oscillation of the electrical charge between the surge capacitor 2 and the pulsed sound source 1a and by the mechanical settling of the pulsed sound source (see curve 70 in FIG. 7a).
- the voltage curve U PE in the time interval 0 ⁇ t ⁇ ⁇ is decisive.
- ⁇ is the sum of the simple propagation time T of the sound in the piezoelectric material illustrated in FIG. 7a and the rise time T 'of the electrical excitation, where, as was explained in relation to FIG. 2a, T' ⁇ T applies.
- the value of the damping resistor 9 is chosen so that the voltage U PE decays in a time interval ⁇ t 'with ⁇ mit ⁇ t' ⁇ 10 T, the remains due to the short-circuiting, the draw wave component is small compared to the draw wave component, which is given by the sound-proof rear closure of the piezoelectric material, which is usually implemented in practice.
- the deflection of the piezo material is limited to the minimum time required. This reduces the mechanical load on the matching, potting and adhesive layers as well as the piezo material, thereby achieving a longer service life.
- the short-circuit discharge can also be carried out only partially, ie to an intermediate potential U Z.
- the peak load relevant to the life of the sound source is reduced as quickly as possible, and on the other hand, the train wave component radiated as a result of the short circuit is reduced.
- 7b and 7c show the voltage profiles 72 and 74 for a given voltage gradient and the associated pressure and tension wave profiles 73, 75 for the complete and partial short-circuit discharge, respectively.
- the amplitude and pulse width of the tensile wave component decrease noticeably in the event of partial short-circuit discharge. As shown in FIG.
- the pull wave amplitude is preferably reduced by limiting the partial short-circuit discharge to a time interval smaller than T.
- a subsequent discharge from the intermediate potential U Z to zero potential occurs with a higher time constant and consequently negligible tensile wave amplitude.
- the drive circuit is shown in FIG. 14 as an example of a circuit for the partial short-circuit discharge of a piezoelectric pulsed sound source.
- the second high-voltage switch 7 located in the short-circuit is actuated with a delay by the time interval ⁇ t ⁇ ⁇ compared to the first high-voltage switch 4.
- the sound source discharges like a short circuit via the resistor 9 into the capacitor 25, the intermediate potential U Z being established.
- the resistor 26 is required if the capacitor 25 cannot be discharged via the second high-voltage switch 7 and the discharge resistor 12. This applies in particular when the second high-voltage switch is implemented as a switching spark gap.
- the limiter circuit can be advantageous to selectively activate or deactivate the limiter circuit or the short circuit.
- a piezoelectric pulsed sound source it makes sense, for example, to deactivate the limiter circuit for low and medium power in order to emit a pressure pulse that is particularly gentle on the tissue and has a minimal proportion of draft waves (cf. FIG. 7a).
- the limiter circuit With high power and a correspondingly high mechanical load, the limiter circuit must be activated (see FIGS. 7b and 7c) in order to achieve a sufficient service life. The highest service life is achieved in any case with a permanently activated limiter circuit.
- the electrical excitation of the pulsed electromagnetic sound source 1b takes place by discharging the surge capacitor 2 via the inductance of the sound source in the form of a damped oscillation with the period T1.
- the course of the electrical current I EM through the sound source is shown as curve 80 in FIG. 8a.
- the temporal course of the sound pressure P shown as curve 81 in FIG. 8a is proportional to the square of the electric current I EM through the sound source. Consequently, the first half-wave of the electrical current I EM delivers in the time interval 0 ⁇ t ⁇ T 1 / 2nd the desired first pressure pulse of high amplitude, which is followed by further pressure pulses with a decreasing amplitude for each additional half-wave (FIG. 8a). Due to its inertia, the total deflection of the vibrating membrane is essentially the sum of the individual deflections assigned to the successive pressure pulses.
- the damped electrical oscillation is therefore interrupted by short-circuiting the sound source 1b or the surge capacitor 2 immediately after the first half-wave of the discharge current by means of the short-circuit, so that the curves 82 and 83 of the time profile of the current I EM and the pressure P in FIG. 8b arise.
- FIG. 6a shows an alternative control circuit which can be used for an electromagnetic pulse sound source and which, instead of a short-circuit circuit, contains a limiter circuit which is assigned to a trigger circuit 11 for a high-voltage switch 10 which can be switched on and off.
- the high-voltage switch 10 is closed by the trigger circuit 11 for controlling the pulse sound source 1b and opened again after the time interval T 1/2.
- the time interval T 1/2 can be 100 ns to 10 microseconds. According to the current state of the art, extinguishing spark gaps, high-voltage switching tubes (eg tyrathrons), high-voltage transistor switches or thyristors that can be switched on are suitable for this.
- the electrical excitation of the electro-hydraulic pulse sound source 1c takes place by discharging the surge capacitor 2 into a nonlinear, time-dependent electrical resistance of the pulse sound source implemented as a liquid spark gap. Sound is emitted in the form of a shock wave due to the expansion of the plasma generated in the liquid.
- the damped electrical oscillation according to the invention is achieved by short-circuiting the electrodes either immediately after the first quarter period t ⁇ T 2nd / 2nd (see curves 92 and 93 in Fig. 9b) or after the first half period t ⁇ T2 (see curves 94 and 95 in Fig. 9c) interrupted.
- the pressure curve P (t) according to curve 93 in FIG. 9b the pressure amplitude is unchanged, but the pulse shape is different from that in FIG. 9a, while with the pressure curve P (t) according to curve 95 in FIG. 9c, the amplitude and pulse shape remain unchanged compared to the pressure curve 91 according to FIG. 9a.
- the limiter circuit in the form of a trigger circuit 11 for a high-voltage switch 10 that can be switched on and off can also be implemented in the electrohydraulic pulse sound source, which circuit can be closed and opened again after the time interval T2 / 2 or T2 in the order of 100 ns ... 10 ⁇ s allowed (see. Fig. 6b).
- Electro-hydraulic pulsed sound sources are used in medicine for extracorporeal and intracorporeal stone therapy.
- intracorporeal stone therapy an electrical spark discharge takes place between two electrodes, which are inserted into the patient's body via an endoscope and positioned adjacently to the stone. If the spark discharge is ignited, a plasma bubble forms, which expands at supersonic speed. The pressure wave radiated into the surrounding body fluid strikes the stone and leads to its destruction. Depending on the discharge voltage and the time course of the discharge current, this bubble can reach a diameter of> 1 mm.
- the discharge current for t> T2 heats the plasma further, but it has no influence on the pressure wave already emitted.
- the current flow for t> T2 leads to an unnecessary increase in the plasma bubble.
- the current flow according to Fig. 9c is interrupted for t> T2 and thereby the growth of the plasma bubble, with unchanged amplitude and energy of the radiated pressure wave, is limited to the minimum. If the short circuit of Fig. 9b for t> T 2nd / 2nd activated, the amplitude of the radiated pressure wave remains unchanged, and the energy of the pressure wave and also the volume of the plasma bubble are reduced.
- the energy of the radiated pressure wave can be regulated at a constant charging voltage U L.
- Magnetostrictive impulse sound sources have so far not been used to generate power sound. However, as soon as suitable magnetostrictive materials are available, it can be expected that the interruption of the electrical excitation described using the example of the piezoelectric, electromagnetic and electrohydraulic pulsed sound sources, as soon as possible after the desired pressure pulse shape has been acoustically emitted, will also be corresponding has a beneficial effect on the lifespan of a magnetostrictive pulse sound source.
- the sign of the change in length is a parameter of the respective magnetostrictive material.
- a control circuit according to the invention according to FIGS. 3 to 6 allows, for example, the radiation of a pressure pulse in the case of a material with a positive change in length, while a tensile pulse is emitted in the case of a material with a negative change in length.
- FIG. 6c shows a control circuit for a magnetostrictive pulse sound source 1d, in which the short-circuit circuit described with reference to FIGS. 3 to 5 is replaced by a limiter circuit which is implemented in a trigger circuit 11 for a high-voltage switch 10.
- 10a, 10b, 10c and 11 show circuit variants of a drive circuit for a piezoelectric pulsed sound source 1a, which contains a short circuit using purely passive components.
- the short circuit consists of an overvoltage spark gap 13, which may be supplemented by a resistor 9 to limit the short circuit current.
- the spark gap is designed in such a way that it responds due to its own delay at the time t ⁇ ⁇ (cf. FIGS. 7a to 7c). It is of course also possible, and shown in FIGS. 10b and 10c, to use a network of passive components 14, 15, 16 in a known manner to delay the ignition of the spark gap.
- the short circuit is directly parallel to the piezoelectric pulsed sound source 1a, which corresponds to the basic circuit described above with reference to FIG. 3.
- an RC element consisting of a resistor 14 and a capacitance 15 is connected between the pulse sound source 1a and the overvoltage spark gap 13 for delaying the ignition
- an RLC network consisting of a resistor 14, an inductor 16 and a capacitor 15 is connected between the piezoelectric pulsed sound source 1a and the overvoltage spark gap 13 for delaying the ignition.
- Fig. 11 shows that it is possible to realize the effect of the short circuit for a piezoelectric pulsed sound source in the simplest way by choosing the discharge resistor 12a as small as possible.
- the discharge resistor 12 (FIG. 2a) assumes at least ten times the value of the damping resistor 6 in order not to unnecessarily reduce the electroacoustic efficiency of the piezoelectric source by its external wiring.
- a value less than ten times the resistance value of the damping resistor 6, preferably less than or equal to six times the value of the damping resistor 6, is selected for the discharge resistor 12a.
- the charging voltage of the surge capacitor 2 must increase as the discharge resistance 12a decreases.
- FIG. 12 shows an advantageous circuit variant of a drive circuit according to the invention for a piezoelectric pulsed sound source 1a.
- a triggerable switching spark gap 17 is fired with a time delay in relation to the first high-voltage switch 4.
- a high voltage pulse is tapped between the first high voltage switch 4 and the damping resistor 6 and Via an LC delay chain 18a, 18b, 18c, 19a, 19b, 19c, a coupling capacitor 20 and a resistor 21 are fed to the trigger electrode of the switching spark gap 17.
- the amplitude of the trigger pulse applied to the trigger electrode is exaggerated by the runtime chain.
- the ignition delay of the switching spark gap is given by the LC runtime chain and the intrinsic delay of the switching spark gap.
- the number of links in the LC runtime chain can be reduced or the runtime chain can even be omitted entirely.
- the trigger current must be limited via the resistor 21 or the charge flowing off via the coupling capacitor 20.
- the resistor 22 serves to equalize the potential between the trigger electrode and the adjacent main electrode of the switching spark gap 17.
- FIG. 12 also contains a switch 27 which serves to deactivate the short-circuit for low and medium powers of the pulse sound source if, as has already been mentioned in the description of FIG. 7, a particularly tissue-protecting pressure pulse is to be emitted.
- the circuit shown in Fig. 12 also makes it clear that it is for the ignition of the second high-voltage switch 7 or the triggerable switching spark gap 17 due to the different ignition delay in the order of magnitude of 100 ns to a few microseconds for a high-voltage switch, in particular for switching spark gaps
- ignition or short-circuit discharge delay is usually not sufficient to simply delay the drive signals for the first and second high-voltage switches 4 and 7, which each generate the trigger circuits 5 and 8, in relation to one another. Rather, as shown in FIG. 12, it is necessary to switch on the switching time from the first high-voltage switch 4 tapping the linked measurement signal and supplying it accordingly delayed and electronically processed to the second high-voltage switch 7, in particular the triggerable switching spark gap 17, as a trigger signal.
- Such a measurement signal can be obtained, for example, from the current flow that occurs when the first high-voltage switch 4 closes, the voltage change at the surge capacitor or the pulse sound source 1, and in the case of a switching spark gap as the first high-voltage switch 7, also optically from the flash of light of the plasma discharge.
- the delay in the short-circuit discharge caused by the short-circuit can be regulated from the measurement signal for the switching instant of the first high-voltage switch 4 and a second corresponding measurement signal for the switching instant of the second high-voltage switch 7. In this way, for example, a drift of the point in time of the short-circuit discharge can be compensated for as the two high-voltage switches 4 and 7 wear out.
- FIG. 13 shows a particularly simple and inexpensive implementation of a short circuit of a control circuit for a piezoelectric pulsed sound source by means of passive components.
- the short-circuit takes place via the high-frequency coil 23, the inductance of which determines the course over time and thus the delay and the maximum current in the short-circuit.
- the diode 24 lying parallel to the high-frequency coil 23 prevents oscillation of the electrical energy between the coil 23 and the capacitance of the pulse sound source 1a. This avoids the undesired activation of the sound source with a negative half-wave in pulse operation.
- FIG. 13 represents only one of the possible combinations of resistor 9, coil 23 and diode 24.
- the equivalent to FIG. 13 would be, for example, a diode 24 arranged in parallel with the series connection of resistor 9 and coil 23 or a series connection of resistor 9, coil 23 and diode 24.
- the switch 7 is actuated with a delay by the time interval ⁇ t ⁇ ⁇ compared to the switch 4.
- the sound source discharges like a short circuit via the resistor 9 into the capacitor 25.
- the intermediate potential U Z is established .
- the resistor 26 is required if the capacitor 25 cannot be discharged via the switch 7 and the discharge resistor 12. This applies in particular when using a switching spark gap.
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Abstract
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.The invention relates to a control circuit for a pulse sound source, in particular a high-power pulse sound source according to the preamble of claim 1. Such a control circuit is e.g. known from DE-A-39 37 904.
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.Pulse sound sources have been used in medicine to smash concretions inside the body for several years. New applications for the acoustic irradiation of parts of the body through pulse-shaped sound waves are being developed in the fields of osteotherapy, tumor therapy and the treatment of soft tissue pain. That is why sound sources with a high power reserve and at the same time the longest possible service life are required for efficient and successful treatment. In general, pulse sound sources with piezoelectric, electromagnetic, electro-hydraulic and magnetostrictive transducers or transducer elements are known.
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.1 shows a basic circuit for controlling electro-acoustic pulse sound sources 1. To control a high-voltage surge capacitor 2 is charged via a charging resistor 3. The pulse-like excitation of the sound source 1 takes place by closing a high-voltage switch 4. A
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.Apart from a
Die Fig. 2a, 2b, 2c, 2d stellen jeweils in Form eines vereinfachten elektrischen Ersatzschaltbildes die oben genannten, prinzipiell zum Einsatz kommenden elektroakustischen Impulsschallquellen dar.2a, 2b, 2c, 2d each represent in the form of a simplified electrical equivalent circuit diagram the above-mentioned electro-acoustic pulse sound sources which are used in principle.
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.FIG. 2a shows a piezoelectric
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.2b shows an electromagnetic
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.It is an object of the present invention to improve the generic control circuit for pulsed sound sources so that the mechanical load on the sound-emitting components of the pulsed sound sources is reduced, thereby increasing the lifespan of the sound source and improving the uniformity of the pulse power generated during its lifespan. One of the sound sources shown in FIGS. 2a-2d should be usable as the pulse sound source.
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.The above object is achieved in a control circuit for a pulse sound source, in particular high-power pulse sound source a charging circuit for charging a surge capacitor and a discharge circuit connected in parallel with the surge capacitor, which contains at least a first, electrically controllable high-voltage switch and the pulsed sound source, according to the invention solved in that the discharge circuit has a limiter circuit which follows the duration of the charge stored in the surge capacitor the closing of the first high-voltage switch at the pulse sound source excited electrical vibration limited to a predetermined value.
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.The control circuit according to the invention enables a longer service life with the same power or a higher power with an unchanged service life of the pulse sound source. The mechanical load on the sound-emitting components of the pulsed sound sources is minimized in that the duration of the electrical excitation is reduced to the minimum required to emit the desired pressure pulse by the limiter circuit.
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung für Impulsschallquellen, wie sie in Patentanspruch 1 gekennzeichnet ist, sind in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous developments of the control circuit for pulse sound sources according to the invention, as characterized in claim 1, are specified in the subclaims.
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.
- Fig. 1
- the generic control circuit already explained;
- 2a, 2b, 2c and 2d
- already explained equivalent circuit diagrams of the piezoelectric, electromagnetic, electrohydraulic and magnetostrictive pulse sound sources;
- Fig. 3
- a first variant of a control circuit according to the invention, in which the limiter circuit is designed in the form of a short circuit;
- Fig. 4
- a second variant of the proposed control circuit, also with a limiter circuit implemented as a short circuit;
- Fig. 5
- a third variant of a control circuit, also with a limiter circuit implemented as a short circuit;
- Fig. 6a
- a fourth variant of a drive circuit according to the invention for an electromagnetic pulse sound source, in which the limiter circuit is part of a trigger circuit for the first electrically controllable high-voltage switch;
- Fig. 6b
- an embodiment of an electrohydraulic pulse sound source similar to the fourth variant according to FIG. 6a, in which the limiter circuit is also part of a trigger circuit for the first high-voltage switch;
- Fig. 6c
- a control circuit for a magnetostrictive pulse sound source similar to the variants according to FIGS. 6a and 6b, the limiter circuit also being part of a trigger circuit for the first electrically controllable high-voltage switch;
- 7a, 7b, 7c
- in each case vibration curves of the electrical voltage exciting a piezoelectric pulsed sound source and the resulting pulse shapes of the sound pressure generated by the piezoelectric pulsed sound source in each case without a short circuit (FIG. 7a), with a complete short circuit (FIG. 7b) and with a partial short circuit (FIG. 7c);
- 8a and 8b
- in each case waveforms of the electrical excitation current at an electromagnetic pulse sound source and the resulting curves of the sound pressure generated in each case without and with short-circuit or limiter function;
- 9a, 9b and 9c
- each waveforms of the electrical excitation current of an electrohydraulic pulse sound source and the resulting pressure pulse curves each without limitation or short-circuit effect and in the event of a short circuit at two different times;
- Fig. 10a
- a drive circuit according to the invention with a short circuit for a piezoelectric pulsed sound source with overvoltage spark gap;
- Fig. 10b
- an example of an RC network for delaying the overvoltage spark gap;
- Fig. 10c
- an example RLC network for delaying the overvoltage spark gap;
- Fig. 11
- the realization of a short circuit by appropriate dimensioning of the discharge resistance;
- Fig. 12
- a first embodiment of a drive circuit with a short circuit for a piezoelectric pulsed sound source;
- Fig. 13
- a second embodiment of a control circuit according to the invention with a short circuit for a piezoelectric pulsed sound source, in which the short circuit consists only of passive components; and
- Fig. 14
- a circuit example of a drive circuit for a piezoelectric pulsed sound source, which has a short circuit for a partial short circuit discharge.
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.The variants of the basic circuit of the control circuit according to the invention shown in FIGS. 3 to 5 have, in addition to the control circuit already shown in FIG 9 exists. The high-voltage switch 7 is actuated by a
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.In the first basic circuit variant shown in FIG. 3, the short circuit is located directly parallel to the pulse sound source 1. In the second basic circuit variant shown in FIG. 4, the short circuit is parallel to the series circuit comprising the pulse sound source 1 and the
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:Based on the voltage-time, current-time and the pressure-time diagrams, which are shown in FIGS. 7a, 7b, 7c, 8a, 8b, 9a, 9b and 9c, the functions of the drive circuit according to the invention provided with the short-circuit are now in accordance with the basic circuits of FIGS. 3 to 5 when using the various electro-acoustic pulse sound sources explained:
Der zeitliche Verlauf der elektrischen Spannung UPE 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 UPE 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.The time course of the electrical voltage U PE at a piezoelectric pulsed
Durch Kurzschließen der elektrischen Erregung zu Zeitpunkten t ≧ τ, bevorzugt zu
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
Zu erwähnen ist, daß anstatt der bisher beschriebenen vollständigen Kurzschlußentladung auf Nullpotential die Kurzschlußentladung auch nur partiell, d.h. auf ein Zwischenpotential UZ 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 UZ auf Nullpotential erfolgt mit einer höheren Zeitkonstanten und demzufolge vernachlässigbarer Zugwellenamplitude.It should be mentioned that instead of the complete short-circuit discharge described so far to zero potential, the short-circuit discharge can also be carried out only partially, ie to an intermediate potential U Z. In this way, on the one hand, the peak load relevant to the life of the sound source is reduced as quickly as possible, and on the other hand, the train wave component radiated as a result of the short circuit is reduced. 7b and 7c show the voltage profiles 72 and 74 for a given voltage gradient and the associated pressure and tension wave profiles 73, 75 for the complete and partial short-circuit discharge, respectively. The amplitude and pulse width of the tensile wave component decrease noticeably in the event of partial short-circuit discharge. As shown in FIG. 7c, the pull wave amplitude is preferably reduced by limiting the partial short-circuit discharge to a time interval smaller than T. A subsequent discharge from the intermediate potential U Z to zero potential occurs with a higher time constant and consequently negligible tensile wave amplitude.
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 UZ 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.The drive circuit is shown in FIG. 14 as an example of a circuit for the partial short-circuit discharge of a piezoelectric pulsed sound source. The second high-voltage switch 7 located in the short-circuit is actuated with a delay by the time interval Δt ≧ τ compared to the first high-voltage switch 4. As a result, the sound source discharges like a short circuit via the
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.Furthermore, it can be advantageous to selectively activate or deactivate the limiter circuit or the short circuit. For a piezoelectric pulsed sound source, it makes sense, for example, to deactivate the limiter circuit for low and medium power in order to emit a pressure pulse that is particularly gentle on the tissue and has a minimal proportion of draft waves (cf. FIG. 7a). With high power and a correspondingly high mechanical load, the limiter circuit must be activated (see FIGS. 7b and 7c) in order to achieve a sufficient service life. The highest service life is achieved in any case with a permanently activated limiter circuit.
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 IEM 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 IEM durch die Schallquelle. Folglich liefert die erste Halbwelle des elektrischen Stromes IEM im Zeitintervall
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 IEM 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.According to the invention, the damped electrical oscillation is therefore interrupted by short-circuiting the
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.6a shows an alternative control circuit which can be used for an electromagnetic pulse sound source and which, instead of a short-circuit circuit, contains a limiter circuit which is assigned to a
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.The electrical excitation of the electro-hydraulic
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 IEH 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
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
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).Similar to the electromagnetic pulse sound source, instead of using a short circuit, the limiter circuit in the form of a
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.Electro-hydraulic pulsed sound sources are used in medicine for extracorporeal and intracorporeal stone therapy. In the case of intracorporeal stone therapy, an electrical spark discharge takes place between two electrodes, which are inserted into the patient's body via an endoscope and positioned adjacently to the stone. If the spark discharge is ignited, a plasma bubble forms, which expands at supersonic speed. The pressure wave radiated into the surrounding body fluid strikes the stone and leads to its destruction. Depending on the discharge voltage and the time course of the discharge current, this bubble can reach a diameter of> 1 mm.
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 IEH 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.An application of electrohydraulic impulse sound sources in the ureter (ureter stone) or also in blood vessels (eg removal of limescale deposits, thrombolysis, thromboization) has hitherto stood in the way that the growth of the plasma bubble can lead to an expansion and, if necessary, to tearing of the sensitive walls. According to the current state of the art, the plasma bubble is kept small by reducing the amplitude of the discharge current I EH or the frequency of the damped electrical vibration is increased by using surge capacitors with reduced capacitance. Both measures are linked to a basically undesirable decrease in the amplitude or energy of the radiated pressure wave.
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
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.Magnetostrictive impulse sound sources have so far not been used to generate power sound. However, as soon as suitable magnetostrictive materials are available, it can be expected that the interruption of the electrical excitation described using the example of the piezoelectric, electromagnetic and electrohydraulic pulsed sound sources, as soon as possible after the desired pressure pulse shape has been acoustically emitted, will also be corresponding has a beneficial effect on the lifespan of a magnetostrictive pulse sound source. The sign of the change in length is a parameter of the respective magnetostrictive material. A control circuit according to the invention according to FIGS. 3 to 6 allows, for example, the radiation of a pressure pulse in the case of a material with a positive change in length, while a tensile pulse is emitted in the case of a material with a negative change in length.
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.FIG. 6c shows a control circuit for a magnetostrictive
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.10a, 10b, 10c and 11 show circuit variants of a drive circuit for a piezoelectric pulsed
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.According to FIG. 10a, the short circuit consists of an
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 the circuit variants of the control circuit according to FIGS. 10a, 10b, 10c and 11, the short circuit is directly parallel to the piezoelectric pulsed
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.In FIG. 10b, an RC element consisting of a
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.Fig. 11 shows that it is possible to realize the effect of the short circuit for a piezoelectric pulsed sound source in the simplest way by choosing the
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.In known control circuits, the discharge resistor 12 (FIG. 2a) assumes at least ten times the value of the damping
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.FIG. 12 shows an advantageous circuit variant of a drive circuit according to the invention for a piezoelectric pulsed
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.FIG. 12 also contains a
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.The circuit shown in Fig. 12 also makes it clear that it is for the ignition of the second high-voltage switch 7 or the triggerable switching
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.The delay in the short-circuit discharge caused by the short-circuit can be regulated from the measurement signal for the switching instant of the first high-voltage switch 4 and a second corresponding measurement signal for the switching instant of the second high-voltage switch 7. In this way, for example, a drift of the point in time of the short-circuit discharge can be compensated for as the two high-voltage switches 4 and 7 wear out.
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.13 shows a particularly simple and inexpensive implementation of a short circuit of a control circuit for a piezoelectric pulsed sound source by means of passive components. The short-circuit takes place via the high-frequency coil 23, the inductance of which determines the course over time and thus the delay and the maximum current in the short-circuit. The
Ein zusätzlicher Serienwiderstand 9, dessen Widerstandswert in jedem Fall so bemessen ist, daß in Verbindung mit der Spule 23 die Spannung UPE 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.An
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 UZ 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.14 shows an example of one of the conceivable circuit variants for the partial short-circuit discharge of a piezoelectric pulsed sound source. In this case, the switch 7 is actuated with a delay by the time interval Δ t ≧ τ compared to the switch 4. As a result, the sound source discharges like a short circuit via the
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.With the curves in the event of a short circuit in accordance with FIGS. 7, 8 and 9 are each idealized representations of the current and voltage profiles. However, it goes without saying that with components available today and because of the voltage and current conditions present in the sound sources concerned here, no sudden short circuit is possible, but rather periods of time must always be observed until the currents to be switched off have each decreased to zero.
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