Электромагнитный излучатель звуковых импульсов

 

Область использования: к технике преобразования электрической энергии в энергию звуковых импульсов или ударных волн и может найти применение в медицине, биологии, сейсмологии и т.д. Сущность изобретения: устройство состоит из мембраны, спирального индуктора, металлического экрана, размещенного с противоположной от мембраны стороны и соединенного в средней части с внутренним выводом спирального индуктора, и генератора импульсов тока, подключенного к внешнему выводу спирального индуктора и к металлическому экрану в зоне, расположенной напротив внешнего вывода. Введение металлического экрана позволило уменьшить индуктивность разрядной цепи, что позволило повысить надежность и долговечность устройства, а также повысить эффективность разрушающего воздействия на почечные и желчные камни. 4 з. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к технике преобразования электрической энергии в энергию звуковых импульсов, в частности, ударных волн, и может найти применение в океанологии, биологии, медицине, например, для разрушения почечных и желчных камней и т.д.

Известны излучатели звуковых импульсов, содержащие искровой разрядник, подключенный через управляемый ключ к емкостному накопителю, и эллиптический рефлектор [1] Недостатком этих устройств является разброс параметров излучаемых звуковых импульсов от разряда к разряду. Кроме того, из-за эрозии электродов, подвергающихся в процессе разряда воздействию высоких температур и давлений, их приходится заменять через несколько тысяч импульсов.

Наиболее близким к предлагаемому является электромагнитный излучатель звуковых импульсов, содержащий спиральный индуктор, подключенный к генератору импульсов тока, и металлическую мембрану, размещенную параллельно индуктору с одной его стороны и отделенную от него изолирующим слоем [2] Это устройство обеспечивает хорошую воспроизводимость параметров излучаемых звуковых импульсов. Однако большая паразитная индуктивность разрядного контура, слагающаяся из индуктивности разрядника и соединительной линии, приводит к необходимости использовать высокое зарядное напряжение емкостного накопителя генератора импульсов тока (свыше 15 кВ) при получении фокусированных звуковых импульсов длительностью менее 1 мкс, амплитуда которых достаточна для разрушения почечных и желчных камней. С повышением напряжения снижается надежность и долговечность устройства. При низких напряжениях для достижения большой амплитуды звукового импульса необходимо увеличивать емкость конденсатора, а это приводит к увеличению длительности импульса, в результате снижается эффективность дробления камень разрушается на фрагменты большого размера и требуется увеличение числа импульсов, при этом усиливается травматическое воздействие на ткани. Кроме того, несимметричность токоподвода к спиральной катушке индуктора приводит к неоднородному распределению азимутальной компоненты магнитного поля по угловой координате, в результате усиливается неоднородность распределения давления на фронте генерируемого звукового импульса, что в ряде случаев нежелательно.

Целью изобретения является повышение эффективности разрушающего воздействия на почечные и желчные камни при одновременном повышении надежности и долговечности устройства.

Достигается это тем, что в электромагнитный излучатель звуковых импульсов, содержащий спиральный индуктор, подключенный к генератору импульсов тока, и металлическую мембрану, размещенную параллельно индуктору с одной его стороны и отделенную от него изолирующим слоем, предлагается ввести металлический экран, установленный параллельно индуктору с другой его стороны, отделенный от него изолирующим слоем и электрически соединенный в средней части с внутренним выводом катушки спирального индуктора, при этом одна шина генератора импульсов тока соединена с экраном в зоне, расположенной напротив внешнего вывода катушки спирального индуктора.

В конкретных формах выполнения предлагаемое устройство характеризуется следующими дополнительными признаками.

Мембрана, спиральный индуктор и металлический экран выполнены в виде сферических сегментов.

Мембрана, спиральный индуктор и металлический экран выполнены плоскими.

Катушка спирального индуктора выполнена в виде медной шины прямоугольного сечения, размещена в цилиндрическом стакане из изолирующего материала, глубина которого равна толщине медной шины, при этом в дне стакана установлены металлические втулки, проходящие сквозь дно и соединенные с началом и концом катушки, а пространство между витками залито эпоксидным компаундом.

Металлический экран снабжен металлической скобой, закрепленной на его краях, на которой установлен разрядник генератора импульсов тока.

Достижение положительного эффекта в предлагаемом техническом решении обеспечивается посредством уменьшения индуктивности токоподвода к спиральной катушке индуктора за счет введения в устройство металлического экрана, размещенного с противоположной по отношению к мембране стороны индуктора и соединенного с катушкой и генератором импульсов тока так, как это указано в отличительных признаках.

Дополнительный положительный эффект, достигаемый в предлагаемом устройстве, заключается в том, что введение металлического экрана обеспечивает более симметричное распределение магнитного поля вблизи мембраны и, следовательно, более равномерное распределение давления на поверхности фронта излучаемого импульса.

На фиг.1а,б показаны варианты электрических схем устройства; на фиг.2а, б соответствующие варианты конструктивного выполнения электромагнитного излучателя звуковых импульсов для плоского индуктора.

Устройство состоит из индуктора со спиральной катушкой 1, излучающей мембраны 2, отделенной от катушки изолирующим слоем 3, металлического экрана 4, соединенного в средней части с внутренним выводом катушки 1 и отделенного от витков катушки слоем изоляции 6 по всей остальной поверхности. Генератор импульсов тока 7, состоящий в простейшем варианте из высоковольтного импульсного конденсатора 8, управляемого разрядника 9 и блока запуска разрядника 10, подключен одной шиной к внешнему выводу 11 катушки 1, а второй шиной к металлическому экрану 4 в зоне, расположенной напротив внешнего вывода 11. Спиральная катушка 1 размещена в корпусе 12, выполненном, например, в виде цилиндрического стакана из изолирующего материала (фиг.2). В дне стакана установлены металлические втулки 13, 14, соединенные с началом и концом катушки 1. К втулке 13 крепится металлический экран 4, а к втулке 14 шина генератора импульсов тока, вторая шина которого крепится к внешнему краю металлического экрана в зоне расположения втулки 14. Катушка 1, укрепленная в корпусе 12 вместе со втулками 13, 14, например, эпоксидным компаундом, образуют вместе спиральный индуктор. Генератор импульсов тока может быть выполнен в едином блоке с излучателем. Для этого на металлическом экране укрепляется скоба 15, на которой установлен управляемый разрядник 9. Токоподводы 16 и 17 от импульсного конденсатора 8 и управляемого разрядника 9 образуют низкоиндуктивную полосковую линию. Перед мембраной можно установить акустическую линзу 18, обеспечивающую фокусирование звукового импульса.

Спиральная катушка 1 может быть выполнена либо в виде одной спирали (фиг. 1б), либо в виде двух и более параллельно идущих спиралей (фиг.1б). Во втором случае внутренние выводы всех спиралей соединены вместе и подключены к центру экрана, а внешние выводы спиралей подключены каждая к одному выводу своего конденсатора, вторые выводы которых соединены вместе и подключены к разряднику. В случае многоспиральной катушки можно к каждой спирали подключать отдельный конденсатор, при этом все конденсаторы коммутируются через общий разрядник (фиг. 2а), но можно включить и один конденсатор, как это показано на фиг.2б.

Устройство работает следующим образом.

Конденсатор 8 предварительно заряжается от источника постоянного напряжения (не показан). При подаче импульса запуска от блока запуска 10 на разрядник 9 последний пробивается и в цепи, состоящей из катушки 1, металлического экрана 4, разрядника 9, конденсатора 8, протекает импульс тока с амплитудой 1, который создает вблизи поверхности мембраны магнитное поле с амплитудой Н. Импульс магнитного давления (μ Н²/2) ˙τ ускоряет мембрану, которая возбуждает в среде звуковой импульс (здесь μ=4π˙ 10^-7, τ длительность импульса). Этот импульс может быть сфокусирован линзой 18 в фокальной зоне малых размеров, в которой амплитуда давления увеличивается во много раз.

Амплитуда давления пропорциональна квадрату амплитуды тока в разрядном контуре, а при заданной начальной энергии в контуре максимальна для контура, имеющего коэффициент затухания в диапазоне от 0,35 до 0,9. Ток в контуре и коэффициент затухания возрастают с уменьшением полной индуктивности контура, при этом для контура из массивных проводников (толщина проводников больше толщины скин-слоя) максимально достижимый коэффициент затухания составляет 0,5. Для того, чтобы обеспечить величину γ в указанном диапазоне необходимо уменьшать зазор между мембраной и индуктором, а также величину паразитной индуктивности контура, слагающуюся из индуктивности разрядника и токоподводов от генератора импульсов тока к индуктору. Введение металлического экрана позволяет уменьшить величину паразитной индуктивности и обеспечить затухание в контуре в указанном выше диапазоне значений. При достаточной близости экрана к спиральной катушке распределение тока по поверхности экрана оказывается достаточно равномерным, что обеспечивает улучшение равномерности распределения магнитного давления по поверхности мембраны.

Форма экрана определяется формой индуктора. В случае индуктора, выполненного в виде сферического сегмента, металлический экран также выполняется в виде сферического сегмента. В плоском случае металлический экран выполняется плоским в виде диска.

В п.3 формулы изобретения описан вариант выполнения индуктора с плоской спиральной катушкой. В этом случае целесообразно выполнить витки катушки в виде шин прямоугольного сечения, при этом обеспечивается минимальный объем, занимаемый магнитным полем индуктора, и технологичность крепления катушки индуктора в изолирующем корпусе, выполненном в виде стакана.

В п.5 формулы описан вариант компактного размещения генератора импульсов тока совместно с излучателем. Отметим, что в этом случае удобным оказывается подключение многоспиральной компланарной катушки к конденсаторам через общий разрядник.

В известных устройствах увеличение амплитуды давления при заданной длительности импульса осуществляют увеличением зарядного напряжения. При этом возникают проблемы обеспечения электрической прочности. Надежность устройства снижается с увеличением зарядного напряжения. Это также относится и к долговечности. В предлагаемом устройстве те же давления достигаются при более низком зарядном напряжении, чем в известных устройствах, поэтому оно обладает более высокой надежностью и долговечностью. Кроме того, уменьшение индуктивности спирального индуктора приводит к укорочению длительности импульса давления, а это обеспечивает разрушение камня на более мелкие фрагменты, т.е. повышается эффективность разрушающего воздействия.

Формула изобретения

1. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ ЗВУКОВЫХ ИМПУЛЬСОВ, содержащий спиральный индуктор, подключенный к генератору импульсов тока, и металлическую мембрану, размещенную параллельно индуктору с одной его стороны и отделенную от него изолирующим слоем, отличающийся тем, что в него введен металлический экран, установленный параллельно индуктору с другой его стороны, отделенный от него изолирующим слоем и электрически соединенный в средней части с внутренним выводом катушки спирального индуктора, при этом одна шина генератора импульсов тока соединена с экраном в зоне, расположенной напротив внешнего вывода катушки спирального индуктора.

2. Излучатель по п.1, отличающийся тем, что в нем мембрана, спиральный индуктор и металлический экран выполнены плоскими.

3. Излучатель по п.1, отличающийся тем, что в нем мембрана, спиральный индуктор и металлический экран выполнены в виде сферических сегментов.

4. Излучатель по пп.1 и 3, отличающийся тем, что в нем катушка спирального индуктора выполнена в виде медной шины прямоугольного сечения, размещена в цилиндрическом стакане из изолирующего материала, глубина которого равна толщине медной шины, при этом в дне стакана установлены металлические втулки, проходящие сквозь дно и соединенные с началом и концом катушки, а пространство между витками спирали заполнено эпоксидным компаундом.

5. Излучатель по пп.1,3 и 4, отличающийся тем, что в нем металлический экран снабжен металлической скобой, закрепленной на его краях, на которой установлен разрядник генератора импульсов тока.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2