Устройство для генерации ударных ультразвуковых импульсов Советский патент 1992 года по МПК B06B1/00 

Изобретение относится к акустике больших мощностей и ударных импульсов и позволяет генерировать и фокусировать мощные ударные ультразвуковые импульсы, которые могут быть использованы для исследования нелинейных акустических явлений и свойств сред, для структурообразования и упрочнения в материаловедении и машиностроении, для инициирования реакций и получения новых соединений, для деструктивного воздействия и дробления инородных тел в медицине и биологии например камней в почках, пузырях, для воздействия на опухоли, тромбы, сосуды, мышцы и т.п.

Известны устройства для генерации и фокусировки мощных ударных ультразвуковых импульсов, содержащие источник импульсов энергии, энерговыделяющий элемент и заполненный средой объем, с выпуклой наружу поверхностью дна или боковой стенки, В качестве источника импульсов энергии обычно используют заряженную емкость или импульсный источник света (лазер, лампа-вспышка), а в качестве энерговыделяющего элемента, излучающего мощные ультразвуковые импультсы, искровой разрядник в жидкости, импульсно вскипающий слой среды и т.п. При этом для фокусировки звукового импульса используют акустические зеркала и линзы.

Известно устройство для генерации и фокусиррвки мощных импульсов, состоящее из искрового разрядника, помещенного в жидкости в одном из фокусов части эллипсоидального зеркала, а второй фокус совмещен с зоной приема (использования) импульса. В другом устройстве звуковой импульс от искрового разряда фокусировался акустической линзой.

Однако это устройство характеризуется низкой эффективностью из-за малого телес(Л

С

vi ел

4. Ю ГО

Os

ного угла сбора импульса и из-за большого пути прохождения импульса, ослабляющего его ударные свойства из-за поглощения высоких частот,

Известно устройство, в котором использовано т.н. активное зеркало, одновременно излучающее и фокусирующее звуковой импульс. В нем импульсный луч лазера проходит через жидкость и падает на поглоща- ющий слой, нанесенный на вогнутую поверхность, и вызывает поверхностное взрывное вскипание либо проходит через прозрачную изогнутую поверхность, входит в сильно поглощающую свет жидкость и рождает поверхностное взрывное вскипание. Хотя в этих случаях путь импульса от зеркала-источника к фокусу минимален, однако это устройство обладает существенны- ми недостатками: либо необходимо проведение света лазера через жидкость к слою поглощения, что является серьезной помехой для использования этого устройства, затрудняющей помещение объекта воздействия, либо необходима сильно поглощающая жидкость (вредные или красящие добавки, подбор длины волны света). В ряде случаев затруднено использование лазера из-за его малого КПД, больших размеров и стоимости установки.

Цель изобретения -увеличение мощности ударно го импульса и повышение надежности путем создания простого и эффективного устройства, способного к многовариантному применению для решения различных задач по использованию мощных импульсов.

Изобретения позволяет в нужных случаях обойтись без лазера, а лазерный вариант изобретения гораздо удобнее и эффективнее для применения, чем прототип.

Сущность изобретения состоит в использовании в качестве энерговыделяющего элемента металлической или металлизированной пленки, взрываемой при электроразрядах или лазерном воздействии, помещаемой в иммерсионном слое между выпуклым наружу дном и поддоном или при лазерном воздействии на слой поглощения, нанесенного на внешнюю часть вогнутого дна. Тонкое дно выполняет две функции: обеспечивает выпуклую форму и сглаженную поверхность взрывающейся пленки, передает удар в среду и изолирует ее от электрических полей или лазерного излучения. Дно может быть сделано из штампованного диэлектрика или металла. Изобретение позволяет в нужных случаях обойтись без лазера, что упрощает и удешевляет устройство, а лазерный вариант изобретения, использующий луч сзади фокусирующего дна, гораздо удобнее и эффективнее для применения, чем прототип.

На фиг.1 изображено устройство с использованием электровзрыва металлизиро- ванной пленки, общий вид; на фиг.2 - устройство с использованием металлизированной пленки, взрываемой воздействием мощной вспышки света, общий вид; на фиг.З

-устройство с использованием слоя погло- 0 щающей краски, нанесенной на наружную

сторону выпуклого дна, импульсно нагреваемой при воздействии мощной вспышкой света и взрывающей слой прилегающей жидкости, общий вид.

5 Устройство для генерации мощных ударных импульсов (фиг.1) содержит электрическую емкость 1, подключенную через замыкатель 2, выполненный в виде ключа: с одной стороны к цепи зарядки, состоящей

0 из зарядного устройства 3 и сопротивления 4, и с другой стороны прямо или через разрядник к металлизированной лавсановой пленке 5 через электроды 6, расположенные на опоре 7. Дно 9 и опора 7 примыкают к

5 объему 8 со средой, содержащей объект 10 воздействия. Пленка 5 помещена в слой иммерсионной жидкости, передающей удар взрыва в среду.

Устройство для генерации мощных

0 ударных импульсов (фиг.2) содержит лазер 1 или иной импульсный мощный источник света, дающий мощный импульс или последовательность импульсов в луче, проходящем через опору 7 к металлизированной

5 пленке 5 (или стопке из нескольких пленок), прижатых к опоре дном 9 с промежутком между дном и опорой, заполненным иммерсионной жидкостью.

Устройство (фиг.З) содержит лазер 1 или

0 иной импульсный источник света, дающий один или последовательность импульсов света в луче 2, проходящем через опору 7 на слой краски 5, нанесенной на внешнюю сторону выпуклого наружу дна или стенки 9 и

5 граничащей со слоем жидкости, вскипающей при нагреве слоя краски.

Устройство работает следующим образом.

При быстром энерговыделении проис0 ходит нагрев, перегрев и взрывное испарение слоя металлизации или слоя жидкости, примыкающей к слою металлизации или слою краски, нагреваемой светом. При этом гладкость и выдержка нужной формы плен5 ки и слоя краски обеспечиваются формой дна и опоры, а большие начальные давления

-большими концентрациями энерговыделения в узком слое. Формирование ударной волны на вогнутой поверхности вызывает ее схождение к фокусу, находящемуся на

расстоянии, близком к радиусу кривизны поверхности. Фокусировка осуществляется в площадку малых размеров, определяемых дифракцией и нелинейной рефракцией звука. В случае дифракции радиус пятна в фо- кусе ро , где F - фокусное расстояние; pD2%s /D - угол дифракционной расходимости; /Ц - эффективная длина волны звукового импульса; D - размер излучающего зеркала.

При этом фронт импульса может быть короче времени полного энерговыделения из-за обострения процесса взрыва при пе- регревных температурах. Резкость (бризан- тность) действия импульса можно менять, меняя крутизну фронта энерговыделения (уменьшение индуктивности цепи, укорочение фронта импульса лазера) или уменьшая фокусное расстояние. Возможно устройство с быстрой сменой пленки или с продер- гиванием ленты пленки. Возможна реализация нескольких импульсов с зарядкой стопки пленок с изолирующими прокладками и поочередным приложением потенциала.

П р и м е р 1. Создано устройство, основанное на электрическом взрыве металлизированной пленки. Оно использовало конденсатор емкостью 0,5 мкФ, разряжаемой за время мкс на слой металлизации обычной коммерческой металлизированной пленки, выпускаемой рулонами (слой металлизации толщиной десятые доли мкм, нанесенный на лавсановую основу толщиной 20-30 мкм). Гладкая квазисферическа я фор- ма пленки создавалась прижатием дна, име- ющего сферическую форму после термоштамповки триацетатной пленки толщиной 0,1-0,2 мм. В качестве иммерсионной жидкости использовали воду, спирт и т.п. При радиусу кривизны фокусирующего углубления ,5 см в зоне фокуса регистрировались импульсы давления, доходящие до нескольких тысяч атмосфер в пятне размером несколько миллиметров. Наблю- далось сильное деструктивное воздействие такого импульса на природные и искусственные материалы (стекло, плекс, кирпич, камни, в том числе извлеченные из почек, пузырей и т.п.).

П р и м е р 2. Устройство, основанное на лазерном взрыве металлизированной пленки. Оно использовало неодимовый лазер, дающий импульсный инфракрасный луч длиной волны 1 мкм, диаметром 4,5 см в режиме пассивной модуляции добротности помещенным в резонатор кристаллом LIF с F-центром окраски. Импульс длительностью 30-40 не имел энергию, близкую к 10

Дж. Наблюдались импульсы давления в сотни атмосфер, вызывающие сильное деструктивное действие.

Пример 3. Создано устройство, основанное на воздействии лазерного импульса на слой термостойкой краски, нанесенной на внешнюю сторону выпуклой сферической поверхности. Поверхность изготавливалась штамповкой из металлической фольги толщиной 0,1-0,2 мм (в данном случае - титановая фольга) или из штампованной диэлектрической пленки (в данном случае - триацетатной пленки). Термоустойчивая краска (даже нитрокраска), почернение и т.п. выдерживала несколько импульсов. Взрывной процесс создавался при вскипании тонкого слоя жидкости, граничащей с поверхностью краски, стремительно нагреваемой лазерным импульсом.

Опробован также режим цуга гигантских лазерных импульсов, которые получались с тем же модулятором, но при чуть большей накачке. И в этом режиме наблюдалось сильное деструктивное воздействие - фрагментация и осыпь камней. Опробован также взрыв плоского слоя с фокусировкой импульса акустической линзой.

Эффективность действия, компактность и простота устройства позволяют широко использовать его в практике и технике. В частности, оказалось возможным создать модуль для медицинских целей (литотрип- сия и др.) без необходимости использования ванн и погружения больных: модуль прижимается или вжимается прямо в тело больного (которое служит рабочей средой) с использованием тонкой согласующей прокладки (малое количество жидкости, мягкая сжимаемая капсула с жидкостью) или вообще без согласовывающего слоя. Оказалось, что и массы опоры достаточно небольшой для того чтобы обеспечить эффективную передачу импульса вперед (достаточны слои вещества, толщиной не менее долей миллиметра твердого покрытия слоя жидкости, клея, нескольких пленок, слоя гелия и т.п.).

Такие модули можно использовать для воздействия на материалы, например, для создания новых структур, для залечивания и купирования трещин.

Формула изобретения

1. Устройство для генерации ударных ультразвуковых импульсов, содержащее источник импульсов энергии, энерговыделяющий элемент и заполненный средой объем, выполненный с выпуклой наружу поверхностью дна, отличающееся тем, что, с целью увеличения мощности ударных импульсов и повышения надежности, под дном объема со средой с промежутком установлена опора, а в промежуток введен иммерсионный слой, в котором размещен энерговыделяющий элемент, выполненный из металлизированной пленки или в виде слоя красителя.

2. Устройство поп.1,отличающее- с я тем, что, с целью получения серии импульсов, энерговыделяющей элемент выполнен в виде пакета металлизированных пленок,

3. Устройство попп.1 и2,отличаю- щ е е с я тем, что поверхность опоры, контактирующая с иммерсионным слоем, выполнена плоской или совпадающей по форме с поверхностью дна объема со средой.

Использование: акустика больших мощностей и ударных импульсов, медицина, материаловедение, машиностроение. Сущность изобретения: устройство содержит источник импульсов энергии, энерговыделяющий элемент и заполненный средой объем, выполненный с выпуклой наружу поверхностью дна. Под дном объема со средой установлена опора. В промежутке между дном объема и опорой введен имперсион- ный слой, в котором размещен энерговыделяющий элемент. Энерговыделяющий элемент выполнен в виде металлизированной пленки или пакета металлизированных пленок, или в виде слоя краски. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Редактор Е. Копча

Составитель Г. Аскарьян Техред М.Моргентал

10,

Фиг. 1

5 9 &

LL

feitWV wirry

уважая ю

/

.

Фиг.З

Корректор А. Долинич