用于在介质中产生压力波的具有可移动的控制杆的压力波发生器

摘要

公开了构造用于在介质中产生高能压力波的压力波发生器的示例。压力波发生器可包括具有导向部的可移动的活塞，活塞控制杆可通过该导向部移动或滑动。压力波发生器可包括耦接至介质的换能器。在活塞撞击至换能器上时，控制杆可在导向部内滑动，这能够减小在杆上的应力。压力波发生器可包括阻尼器，该阻尼器能够独立于活塞使控制杆减速。活塞在换能器上的撞击将一部分活塞动能传递至介质中，因此在介质中产生压力波。可使用活塞驱动系统来提供精确并且可控的活塞启动或运动。公开了压力波发生器的操作方法的示例。

说明书

相关申请的交叉引用

根据35U.S.C.§119(e)，本申请要求在2011年2月25日提交的、名 称为“用于在介质中产生压力波的具有可移动的控制杆的压力波发生器” （PRESSURE WAVE GENERATOR WITH MOVEABLE CONTROL  ROD FOR GENERATING A PRESSURE WAVE IN A MEDIA）的美国临 时专利申请No.61/446,965的优先权的权益，将该专利的全部以参引的方 式纳入本文。

技术领域

本发明主要涉及用于在介质中产生压力波的压力波发生器。

背景技术

在低温或低压下难以进行的多种化学反应在较高的温度及压力下能够 快速并且有效地发生。压力波发生器能够用于产生压力波，该压力波可用 于压缩介质、将压力波的部分能量传递至该介质、由于压力波的能量集中 而在介质中产生能量、和/或促使在介质中的化学反应或物理变化。介质可 为固体、液体或气体。

发明内容

提供了多种压力波发生器和用于使用压力波发生器的方法的示例。 在多种实施中，为了促使或增加在腔室中的介质中的化学反应或物理反 应的效率，可使用用于产生、增大和/或利用导入至反应腔室内的高密 度的压力波的方法和发生器。例如，方法和发生器的实施方式能够被用 于增加介质的温度、压力、能量、和/或密度，从而使得在较低的温度、 压力、能量、和/或密度下难于实现或不经济地实现的反应能够在此处 所描述的方法和发生器的实施方式所提供的较高的温度、压力、能量、 和/或密度下更快速和/或更有效地发生。

在一方面，具有活塞的压力波发生器提供有控制杆，该控制杆在活 塞与耦接至介质的换能器撞击时向前移动进入活塞内。

在另一方面，压力波发生器包括能够在活塞的导向部内移动或滑动 的控制杆。压力波发生器包括构造为独立于活塞使控制杆减速的阻尼器 系统。

在另一方面，压力波发生器提供有活塞启动和驱动机构，该机构包 括用于直接将高压气体注入到活塞后方以促使活塞移动的一系列的阀。 当活塞沿压力波发生器壳体的内孔移动时，活塞揭开或打开在壳体内的 气体端口，这将允许注入附加的高压气体用以向活塞施加附加的动力， 从而加速活塞朝向耦接至介质的换能器运动。

在一方面，压力波发生器包括可移动的活塞，该活塞具有第一表面 和第二表面以及在第一表面与第二表面之间的纵向轴线。活塞包括沿活 塞的纵向轴线从第一表面至少部分地朝向第二表面延伸的导向部。压力 波发生器还包括具有内孔、第一端以及第二端的壳体，活塞至少部分地 设置在壳体的内孔内。活塞能够在壳体的内孔内沿平行于活塞的纵向轴 线的方向从第一端朝向第二端可移动。压力波发生器还包括控制杆，该 控制杆从第一端纵向延伸至第二端，从而使得控制杆的第二端构造为插 入导向部内，并且在当活塞在内孔内移动时，该控制杆能够在导向部内 移动而不会从导向部中移出。压力波发生器还可包括可滑动地容纳在壳 体的第二端中的换能器。换能器可构造为耦接至介质并且适应于在活塞 撞击换能器时，将活塞的部分动能转化成在介质中的压力波。压力波发 生器还包括动力发生器，动力发生器构造为加速可移动的活塞朝向换能 器运动，其中，当活塞和换能器撞击时，控制杆的第二端在导向部内朝 向活塞的第二表面移动。

在另一方面，导向部从活塞的第一表面纵向延伸至与活塞的第二表 面隔开的内端。导向部包括从活塞第一表面处的入口延伸至第二腔的第 一腔。第二腔从导向部的第一腔开始延伸，其中，第一腔的横截面面积 小于第二腔的横截面面积。导向部还包括在第一腔和第二腔之间的腰 部，其中腰部的横截面面积大于第一腔的横截面面积但小于第二腔的横 截面面积。

在一方面，压力波发生器还包括保持器，该保持器能够可移除地附 接至控制杆的第二端。保持器可具有允许保持器插入导向部中的第一定 向，当保持器设置在导向部内时保持器可运动至第二定向，其中当处于 第二定向时，可阻止保持器从导向部中移出。保持器处于第一定向时具 有第一横截面面积以及处于第二定向时具有第二横截面面积。导向部在 活塞的第一表面处具有入口，该入口具有横截面入口面积。保持器的第 一横截面面积可小于入口面积，而保持器的第二横截面面积可大于入口 面积。压力波发生器还包括构造为将控制杆的第二端紧固至保持器的锁 定件。锁定件可包括锁定销。

在一方面，压力波发生器还可包括构造为独立于活塞使控制杆减速 的阻尼器系统。阻尼器系统可包括具有开口的腔室，该腔室包含流体。 控制杆的第一端可包括阻尼元件，该阻尼元件构造为在活塞朝向换能器 移动的过程中，穿过开口进入腔室，其中当活塞朝换能器移动时，腔室 内的流体在阻尼元件上提供阻力。阻尼元件具有的横截面面积小于腔室 开口的横截面面积，使得当阻尼元件在腔室内移动时腔室内的流体能够 从腔室流出。阻尼器系统还可包括一个或多个开口，该一个或多个开口 用于当阻尼元件在腔室内移动时允许流体从腔室流出。一个或多个开口 可构造为在控制杆上提供期望量的减速或阻力。

在另一方面，动力发生器包括第一动力发生器，盖第一动力发生器 构造为施加初始动力用于使活塞从静止状态朝向换能器移动。动力发生 器还可包括第二动力发生器。第二动力发生器可包括压力容器，该压力 容器连接至壳体并构造为贮存流体以便向可移动的活塞施加流体压力， 其中壳体包括设置在壳体的第一端附近的一个或多个流体端口。活塞可 构造为，当活塞设置在壳体的第一端处时，活塞堵塞流体端口，而当由 于第一动力发生器的动力使得活塞从壳体的第一端离开并朝向换能器 移动时，活塞打开流体端口以提供与第二动力发生器的流体连通。

在一方面，换能器包括渐缩的部分，该部分构造为与壳体的一部分 接触以形成阻止介质流入壳体内孔的密封件。

在另一方面，压力波发生器还包括撞击探测系统，该撞击探测系统 定位在壳体第二端处且构造为用于探测活塞与换能器的撞击。撞击探测 系统可包括销和传感器，其中，销具有抵靠换能器的表面偏置的远端， 并且传感器用于探测在销内的运动。

在一方面，公开了活塞系统。活塞系统可与压力波发生器的实施方 式一起使用。活塞系统可包括活塞，该活塞具有第一表面和第二表面以 及从第一表面延伸至第二表面的活塞轴线。活塞还可包括沿活塞轴线从 第一表面至少部分地朝向第二表面纵向延伸的导向部。活塞系统还可包 括具有第一端和第二端的杆。杆的第二端可设置在导向部内并且适于在 导向部内移动，然而杆的第一端保留在导向部的外部。活塞系统还可包 括适于将杆的第二端保持在导向部内并用于阻止杆的第二端从导向部 移出的保持器。

在一方面，导向部包括从活塞第一表面处的入口延伸至第二腔的第 一腔，该第二腔从第一腔延伸至导向部的内端。内端可与活塞的第二表 面隔开，其中第一腔的横截面面积小于第二腔的横截面面积。

在另一方面，保持器能够可移除地附接至杆的第二端。保持器可具 有允许保持器插入至导向部内的第一定向，且当保持器设置在导向部内 时其可运动至第二定向。当处于第二定向并附接至杆时，保持器可阻止 或防止杆的第二端从导向部的移出。

在另一方面，导向部具有在活塞第一表面处的入口，入口具有横截 面入口面积。保持器当处于第一定向时具有第一横截面面积以及处于第 二定向时具有第二横截面面积。保持器的第一横截面面积可小于入口面 积而保持器的第二横截面面积可大于入口面积。活塞系统还可包括构造 为将杆和保持器锁定在第二定向的锁定件。

在一方面，压力波发生器包括构造为耦接至介质的换能器，以及具 有导向腔的可移动活塞，该导向腔具有在活塞内的内端。控制杆可在第 一端与第二端之间延伸，第二端设置在可移动的活塞中的导向腔内并能 够在该腔内移动。控制杆的第二端可构造为在活塞移动过程中保持在导 向腔内。压力波发生器可包括动力发生器，该动力发生器构造为加速可 移动的活塞朝向换能器的运动。当活塞与换能器撞击时，控制杆的第二 端朝向导向腔的内端移动。

在另一方面，控制杆的第二端包括可定向的保持器，该保持器具有 允许保持器插入在导向腔内的第一定向，以及阻止保持器从导向腔中移 除的第二定向。

在另一方面，动力发生器包括第二动力发生器，该第二动力发生器 包括构造为存储流体以便向可移动的活塞施加流体压力的第一腔，以及 构造为至少部分地排空并接收来自第一腔流体的第二腔。可移动的活塞 可构造为响应接收的流体的流体压力在第二腔内朝换能器加速移动。动 力发生器还包括第一动力发生器，第一动力发生器构造为施加动力以促 使静止的活塞移动。

在一方面，压力波发生器还包括阻尼器系统，该阻尼器系统构造为 用于施加阻尼力，以便为活塞朝向换能器的至少一部分的移动，而使控 制杆减速。阻尼器系统可包括包含流体的腔，控制杆可包括一个或多个 阻尼元件，该阻尼元件构造为在活塞的至少一部分移动过程中进入腔 内。在腔内阻尼元件上的流体阻力可提供阻尼力。

除上述方面和实施方式之外，通过参考图示并研究下文详细的说明 书其它的方面和实施方式将变得显而易见。

附图说明

在所有视图中，可重复使用参考标记来指示参引的元件之间的相关 性。提供了视图以图示在此描述的示例性实施方式，并且视图不旨在限 制本公开的范围。

图1是具有可移动活塞的压力波发生器的实施方式的横截面示意 图，该活塞具有导向部和可在导向部内滑动的控制杆。示例压力波发生 器包括控制杆阻尼器系统和活塞启动系统。

图1A是示意性地示出了具有保持器的活塞导向部的实施方式的横 截面视图。图1A示出了将保持器插入至活塞导向部之前的活塞导向部。

图1B是控制杆的实施方式的横截面示意图，该控制杆附接至活塞 导向部内的保持器。

图2是示意性地示出了活塞处于其起始位置时的压力波发生器的实 施方式的横截面图。

图3是示意性地示出了在活塞被向前移动（例如，远离图2的起始 位置）从而示出了可以向活塞提供附加动力的打开的气体端口状态下的 压力波发生器的实施方式的横截面图。

图4是示意性地示出了换能器的实施方式的横截面图。

具体实施方式

综述

能够使用诸如直接在介质表面施加机械撞击、爆轰、爆炸、电火花、 强辐射束、震荡和放大机制等的各种方法在介质中发射压力波。

在共同拥有的美国专利公开NO.2010/0163130中描述了压力波发生 器的示例，将该专利的全部以参引的方式纳入本文。该公开描述了用于 在介质中产生压力波（或者多个压力波）的压力波发生器的示例。在该 公开中描述的任何示例性压力波发生器、发生器的部件、或者用于操作 发生器的方法都能够用于此处所描述的压力波发生设备以及方法的实 施方式中。压力波可用于压缩介质，以及增加其温度、压力、能量和/ 或密度。能够通过加速的活塞机械地撞击在耦接至介质的换能器上而产 生压力波。换能器能够至少部分地将可移动的活塞的动能转换为介质中 的压力波。为了获得能够封围和压缩会聚的介质内的物质的高能压力 波，在某些情况下，能够使用相当精确的定时以及活塞位置和撞击时间 的控制。

在某些实施中，通过对活塞施加动力和约束力并监控活塞的位置能 够提供对活塞撞击和定时的控制。一种可能的用于控制撞击定时的方法 是通过使用附接至活塞的刚性杆。该杆提供了可在其上施加诸如由制动 器提供的约束力的表面。另外，活塞杆能够用于监控活塞的位置。在某 些实施中，活塞在撞击在换能器上的过程中活塞相对突然的减速可能造 成杆的破坏，诸如杆屈曲、杆附接点的切变以及由于反弹造成的拉伸损 坏。

因此，本公开提供了在某些实施中在撞击过程中可减小控制杆上的 破坏的压力波发生器和活塞的实施方式。

压力波发生器的示例

参考视图，在图1中示出了压力波发生器10的实施方式的横截面 示意图。压力波发生器10包括：圆筒形的壳体15，该壳体15具有由壳 体15限定的内孔15a、第一端16和第二端17；活塞11，该活塞11可 在壳体的内孔15a中移动；以及换能器14，该换能器14位于壳体的第 二端17处。壳体15的第二端17可为开口的端部，换能器14可滑动地 容纳在壳体15中。壳体15的第一端16可以是至少部分封闭的。内孔 15a能够沿孔轴线15b纵向延伸。活塞11具有沿从第一表面11a到第二 表面11c的方向延伸的纵向活塞轴线11b。第二表面11c朝向换能器14。 活塞11能够在内孔15a内沿孔轴线15b从第一端16朝向第二端17处 的换能器14移动。活塞的纵向轴线11b与孔轴线15b是基本上共线的， 从而使得活塞11在内孔15a中沿与活塞轴线11b平行的方向移动。

壳体15的内孔15a可由泵吸系统（未示出）抽空，从而形成至少 部分真空的区域。在某些实施中，内孔可至少部分地由泵吸系统抽空， 使得在内孔内的压力相对于周围环境压力减小。换能器14在活塞11撞 击过程中能够相对于壳体的第二端17稍微发生轴向移位。换能器14包 括面向壳体内孔15a的内部撞击表面14a，和耦接至诸如固体、液体、 气体或等离子体之类的介质的外表面14b。换能器14还包括当换能器 受到活塞11撞击时防止其脱落进入介质中的保持机构18（还可参见图 4中示出的示例性换能器）。壳体15还包括在壳体15的第一端16附近 围绕圆筒形壳体15形成的多个流体端口19，活塞的内孔15a与压力容 器20通过这些端口19连通。压力容器20可存储加压流体（例如，气 体），该加压流体能穿过端口19流动并加速活塞11沿内孔轴线15b（或 活塞纵向轴线11b）朝换能器14运动，使得活塞的第二表面11c撞击换 能器14的撞击表面14a。活塞11和换能器14的撞击可造成换能器14 沿孔轴线15b移位至介质内，因此在介质中产生压力波。

在图示的实施方式中，活塞11和换能器14是大致圆筒形的并且安 装在圆筒形的孔15a内。这并不是限制性的，在其它实施方式中，活塞 11、换能器14和/或孔15a可具有各种形状（例如，诸如多边形的不同 的横截面形状）。

活塞11可包括导向部12，该导向部12能够构造为使得控制杆13 能够至少部分地插入导向部12内。在图示的实施方式中，导向部12包 括中央的长形的腔，该中央的长形的腔从第一表面11a朝向第二表面11c 部分地穿过活塞体部延伸。活塞导向部12接收控制杆13的远端（或第 二端）13a，并允许控制杆13在导向部12内移动或滑动。控制杆的近 端（或第一端）13b保留在导向部12的外部。导向部12可在活塞体部 内延伸至特定长度。在某些实施中，导向部12可大致穿过活塞11的整 个体部延伸（例如，完全延伸至第二表面11c）。在其它实施中，导向部 12可在活塞体部内延伸至的多个不同的深度但这些深度小于活塞的整 个体部的长度。导向部12的长度可选择为：在活塞11撞击换能器14 期间导向部12为杆13提供充足的、在其中滑动或移动的路径，而不会 出现在活塞11在内孔15a内移动期间杆13从导向部12移出的情况。

在某些实施方式中，活塞11可具有大致圆筒形的体部，体部具有大 约300mm的直径、大约100kg的质量、大约180mm的长度。活塞11 可由诸如金属之类的刚性材料形成。导向部12可为长形腔，同心地定 位在活塞圆筒形体部内，具有大约50mm的导向部开口直径和大约 140mm的长度。导向部12可具有圆筒形、圆锥形或其它任何横截面。 在图示的实施方式中，导向部12具有内端21，该内端21具有大体为球 体的一部分的形状（例如，半球形）以减小或最小化在导向部12的内 端21上的应力集中。可使用诸如多边形之类的其它的导向部横截面形 状，内端（或导向部的其它部分）可具有与在图1中示出的形状不同的 形状（例如，平面、圆锥形等）。

图1A是示意性地示出了具有保持器22的活塞导向部12的实施方 式的横截面图。图1A示出了在将保持器22插入活塞导向部12之前的 活塞导向部12。图1B是在控制杆13的远端13a附接至活塞导向部12 内的保持器22a的情况下的活塞11的实施方式示意性的横截面视图。 在图1A和图1B中示意性地示出的实施方式中，导向部12包括邻近第 一腔12a的第二腔12b。导向部12的内端21设置在第二腔12b的远端。 第二腔12b在腰部12c处变窄以邻接第一腔12a，该第一腔12a具有比 第二腔12b小的横截面面积。第一腔12a在活塞11的表面11a处具有 入口开口104。在图示的实施方式中，入口104具有圆形的形状，但是， 也可使用构造为用于接收控制杆13的其它形状。

在一种实施中，入口104可是直径大约为30mm的圆形。第二腔12b 可具有大约50mm的直径和大约120mm的长度，而第一腔12a可具有 大约30mm的直径和大约15mm的长度。腰部12c可具有弧形表面以避 免存在尖锐的边缘。

如图1A和1B所示，压力波发生器10能够另外包括用于将控制杆 13的一部分保持在导向部12内的保持器22。在一种实施方式中，保持 器可为螺帽形件22a，该螺帽形件22a将一部分杆13保持在导向部12 内，允许该部分杆在导向部内基本自由地移动但防止杆13的远端13a 移出导向部12并因此移出活塞11。

在图1A和1B中示意性地示出了保持器22的实施方式。在图1A 中，保持器22包括螺帽形件22a，该螺帽形件22a包括具有开口103 的半球形的体部101，控制杆13可插入并紧固在该开口103内。螺帽形 件22a可具有两个移除的由此形成两个反向设置的平面102的区段。螺 帽形件22a根据螺帽形件22a关于导向部12和入口104的定向可具有 两不同的横截面。在第一定向时（参见，例如图1A），螺帽形件22a面 向侧面，开口103面向导向部12的壁部，从而使得螺帽形件的横截面 比第一腔12a（和开口104）的横截面小，因此螺帽形件22a可穿过入 口开口104和第一腔12a（在第一定向时）然后插入至第二腔12b内。 当螺帽形件22a处于第二腔12b内时，螺帽形件22a可被转动至第二定 向，在第二定向下，开口103面向入口104（参见，例如图1B），使得 该螺帽形件的横截面比第一腔12a和入口开口104的横截面大。因此， 当螺帽形件22a在第二腔12b内处于第二定向时，可防止螺帽形件22a 穿过入口开口104离开导向部12。

图1A示意性地示出了在将螺帽形件22a穿过入口104插入至导向 部12之前，保持器22关于导向部12的定向。两个反向设置的平面102 有助于获得间隙，以便将螺帽形件22a穿过入口插104插入第一腔12a 并插入至第二腔12b。一旦螺帽形件22a处于导向部12的第二腔12b 内，可转动螺帽形件使得开口103面向入口104，从而能够将控制杆连 接至保持器22。螺帽形件22a成形为使得螺帽形件远端的形状与导向部 的内端21的形状大致匹配（参见，图1B）。

图1B示意性地示出了螺帽形件22a和附接至螺帽形件22a并插入 在活塞导向部12内的控制杆13的远端13a。当螺帽形件22a处于如图 1B所示的位置时，螺帽形件22a的横截面比第二腔12b的横截面稍小， 使得螺帽形件22a能够在第二腔12b内基本自由地移动。螺帽形件22a 的横截面比第一腔12a（和/或开口104）的横截面大，从而在压力波发 生器的操作过程中，阻止螺帽形件22a从导向部12中离开。对于维护 操作而言，通过将控制杆13与螺帽形件22a分开，并且转动螺帽形件 22a使得能够将螺帽形件22a穿过入口104从腔12b、12a中移除，从 而能够将螺帽形件22a从导向部12中移除。在一种实施中，可使用设 计用于转动螺帽形件22a的工具转动螺帽形件22a以将螺帽形件22a插 入或退出腔12b、12a以及开口104。

在某些实施方式中，保持器22还可包括将控制杆13和保持器22 紧固在固定位置的锁定件。锁定件可包括放置在控制杆13上的狭缝内 的锁定销（例如，锁线）106（参见，例如图1B）。锁定销106可适于 穿过开口105，该开口105形成在保持器22内、螺帽形件22a的开口 103的附近（参见，例如图1A），从而使得当控制杆13固定至保持器 22时，锁定销106可与开口105对齐。锁定销106可穿过开口105，因 此将控制杆13紧固在关于螺帽形件22a基本固定的位置。例如，一旦 保持器22固定（例如，螺纹固定）在杆的第二端13a上，锁定销106 穿过开口105，因此锁定保持器22和杆13的位置，因此防止保持器22 与杆13松开和分离。在某些实施方式中，可采用多个锁定件。在其它 实施方式中，可使用不同的锁定机构将控制杆13和保持器22紧固在基 本固定的位置。

在某些附接的方法中，保持器22插入在活塞导向部12内并且然后 转动大约90度直至开口103面向入口孔104为止。然后将控制杆13插 入开口103中并固定至保持器22（例如，使用螺纹），锁定销106与开 口105对齐并插入开口105中，锁定控制杆13和保持器22的位置。当 杆103固定并锁定至保持器时，杆13（和保持器22）能够在导向部12 的第二腔12b内移动或滑动，但保持器22的横截面大小基本防止保持 器22和控制杆13的远端13a穿过第一腔12a或开口104离开导向部12。 因此，控制杆13的远端13a能够沿导向部12的长度移动，但是能够阻 止其从导向部12中移出或脱落。

还参考图1中示出的示例性压力波发生器，与活塞导向部12内的 远端13a相反的控制杆13的近端13b可连接至圆盘23，该圆盘23构 造为当圆盘23移动至阻尼器系统24中时起活塞的作用。在其它的实施 方式中，可在导向部12的外部沿控制杆13的长度设置一个或多个阻尼 元件（诸如圆盘）（除圆盘23之外或作为圆盘23的可替换件），用于提 供杆13在阻尼器系统24内的减速。阻尼器系统24能够使控制杆13独 立于活塞11的运动减速，并因此减小或最小化杆13上的应力。阻尼器 系统24可包括气动阻尼器（例如，如图1中示意性示出的）、液压阻尼 器、和/或电磁阻尼器/制动器。气动或液压阻尼器可配备有可调节阀25， 该阀25能够用于调节控制杆的减速以减小或最小化在杆13上的应力。 在某些实施中，阻尼器系统24可包括具有进口开口的圆筒形的体部， 圆盘23穿过该进口开口进入阻尼器系统。在另一实施方式中，阻尼器 24能够是圆锥形的（参见图1）。阻尼器系统24的长度和/或横截面面 积（除了诸如圆盘23大小之类的其它因素之外）能够选择为在控制杆 13上提供期望的减速或阻尼力。

在某些实施方式中，阻尼器系统24能够具有沿阻尼器系统24的长 度变化的剖面。例如，阻尼器系统24可具有如下体部：该体部的第一 部分是基本圆筒形且邻近第一部分的第二部分具有钟形形状。阻尼器系 统24的第一部分可具有由弹性材料、塑料、刚性橡胶材料或其它任何 抗冲撞材料制成的入口。使用这种材料是有利的，使得如果圆盘23碰 撞阻尼器系统24的入口，入口将发生屈服而不会被破坏。圆盘23能够 定尺寸且成形为：使得当圆盘23在阻尼器系统24的入口处时，圆盘提 供空隙，气体可穿过该空隙从阻尼器系统24流出（例如，对气动的阻 尼器系统而言）。例如，圆盘23可具有比阻尼器系统24的入口横截面 面积稍小的横截面。在某些情况下，阻尼器系统24还可包括至少一个 沿阻尼器系统24的长度设置的附加开口，气体可经过该附加开口离开 阻尼器系统24。在一种实施中，可在阻尼器系统24内不同的位置处设 置或形成不同数量或大小的开口，从而允许气体从阻尼器24流出，以 控制或减缓用于使控制杆13减速的阻尼力。

在一种示例性操作方法中，在活塞11的起始位置，孔的封闭端16 附近，保持器22和控制杆13位于它们自身的起始位置。保持器22和 控制杆13的远端13a可与导向部12的内端21是隔开的。可使活塞11 向前加速以撞击换能器14。当活塞11和换能器14撞击时，具有保持器 22的控制杆13的远端13a能够在导向部12内向前移动，因此减小杆 13上的应力。当控制杆13的远端13a在导向部12内向前移动时，圆盘 23在阻尼器系统24内向前移动。在气动的阻尼器系统内，圆盘23的运 动压缩阻尼器系统24内的气体（例如空气），并使控制杆13减慢。因 此，阻尼器系统24用于使杆13减速，并因此减小或最小化在杆上的应 力。

在一种实施方式中，阻尼器系统24可配备有诸如压电可调节阀的 高速可调节阀，该阀能够用作撞击定时控制机构29的一部分。高速可 调节阀能够用于在杆13和换能器撞击之前调节在杆13上的作用力，因 此，可改变在活塞与换能器14撞击之前活塞行程的最后一部分（例如， 在圆盘23进入阻尼器系统24时的行程部分中）的活塞的速度。

一旦活塞11返回至接近孔的端部16的其初始位置，通过对杆13 施加力以将其移动回至杆的初始位置，能够使控制杆13返回至其在导 向部12内的其初始位置，从而使得杆13的远端13a和保持器22与导 向部12的内端21隔开。

在某些实施中，可通过控制系统29控制活塞11在换能器14上的撞 击定时。控制系统29可包括一个或多个处理器、控制器、或通用或特 定用途的计算硬件。压力波发生器10可包括用于对控制杆13施加约束 力的制动器26。例如，制动器26可包括磁涡流制动器、摩擦制动器、 压电可控的制动器等。控制杆13还可包括标记27，使得控制系统29 通过使用光学系统由位置译码器28读出杆的标记27监控活塞的位置。 译码器28可将关于活塞的位置信号发送至控制系统29。

在多种实施中，控制系统29能够控制在活塞11与换能器14之间撞 击的定时，和/或能够为在发生器10内的至少部分活塞运动控制活塞11 的速度和/或位置。在一种实施中，控制系统29可从译码器28接收活 塞位置的信号，并其作为输入，并且能够发送输出信号至制动器26和/ 或阀30，该阀30是活塞启动系统200（参见，例如图2）的一部分。例 如，控制系统29可存取来自活塞11的一个或多个先前的冲击控制信息， 并能够使用这种控制信息对活塞11随后的冲击的控制参数进行调节。 控制信息可包括如活塞的轨迹、启动系统延迟、在发生器10内的气体 压力、壳体15内的摩擦力的测量或确定、在撞击时活塞11关于换能器 14的位置等。为了调节撞击力和/或撞击时间，控制系统29能够对例如 启动时间、气体压力、换能器/活塞的位置等做出调节。控制系统29能 够包括一个或多个计算机可读存储介质，或控制系统29能够与一个或 多个计算机可读存储介质进行通信，该存储介质能够用于持续地或以其 它方式地存储控制信息。例如，控制系统29可包括与存储控制信息的 易失性存储器或非易失性存储器通信的物理计算设备。

可使用不同类型的制动器系统用于对杆13施加约束力。共同拥有 的美国专利申请NO.2010/0163130描述了可与压力波发生器10的实施 方式一起使用的制动器系统的一些实施方式，将该专利的全部以参引的 方式纳入本文。例如，制动器26可包括压电致动的摩擦制动器、螺线 管致动的摩擦制动器、（例如，使用涡流的）电磁制动器等。在某些实 施方式中，制动器26可预加载期望的制动力。在其它实施方式中，可 通过例如载荷元件（未示出）准确地测量和控制制动器26的预加载力。 在一种实施方式中，载荷元件可包括可连接至制动器蹄并与分压器电连 通的压电致动器。螺栓可连接至致动器用于通过旋紧螺栓对制动器进行 预加载。当挤压或压缩压电致动器时，致动器产生电流（电压）。测量 由致动器产生的电压能够提供对制动器预载力的测量。活塞位置和制动 力的精确测量和控制能够允许通过控制系统29对撞击定时和/或撞击力 的精确控制。在某些实施中，控制系统能够以大约±10μs的精确度控制 冲击定时。

在某些操作压力波发生器10的方法中，活塞11以连续“冲击”的 方式重复地撞击在换能器14上。可能会希望对冲击定时、活塞的速度 （或动能或动量）等进行校准。在某些情况下，为了校准活塞11向换 能器14上的连续的冲击，能够精确地确定活塞11撞击换能器14的瞬 间。撞击力可造成将大量的载荷传给活塞或活塞壳体的一个或多个表 面。这种载荷可用于经由位移或加速度测量探测撞击定时。在某些情况 下，测量准确性可受到声波路径的可变性的影响。例如，如果撞击传感 器设置在活塞壳体15的上部，而撞击力最初施加在活塞壳体的下部或 最初由活塞壳体的下部接收撞击力，那么在壳体15的上部的撞击传感 器在压力信号已穿过活塞11或壳体15传播之前将接收不到撞击的信 号。作为一种说明性的示例，对于具有300mm直径的钢活塞并假定钢 中的声速是5km/s的情况而言，在壳体15的上部的传感器读数延迟可 为大约60μs。因此，压力波发生器10的某些实施方式使用撞击探测传 感器31，该传感器31能够探测在撞击时换能器14的径向膨胀。这种撞 击探测传感器31可进一步构造为用作位置传感器，该位置传感器用于 监测活塞撞击时换能器的位置以及其恢复至初始位置（撞击之前的位 置）。在某些实施方式中可使用多个撞击探测传感器31。

撞击探测传感器31可定位在壳体15的容纳换能器14的部分上， 诸如例如换能器底座400（参见，例如图4），并且能够与换能器14进 行通信。图1示意性地示出了撞击探测传感器31在壳体15上部的放置 的示例。撞击探测传感器31可包括销和加速计或任何能够探测在销中 的运动的其它传感器。可通过诸如例如弹簧的偏置元件抵靠换能器14 对销进行预加载。可使用机械弹簧、气压差、或气体支撑物作为偏置元 件。撞击探测传感器31还可包括用于基本将换能器14相对于大气密封 的密封件。在偏置元件包括气压差传感器的实施方式中，密封件是可选 的。撞击探测传感器31还可包括用于指示换能器14的位置的开关（例 如当换能器14返回至其在底座400内的初始位置时）。在某些实施中， 撞击探测器可包括冷却系统以防止传感器31（加速计和/或位置开关） 变得过热。

在撞击探测传感器31内的销可由金属、或其它任何具有足够高的 声速以及能够承受由此产生的应力的能力并能将换能器14的径向膨胀 传递至加速计的材料制成。为了感测活塞11撞击时横穿换能器14的压 力波，销可朝换能器14延伸，并且销的远端可接触换能器14。在其它 实施方式中，撞击探测传感器31可包括能够探测换能器的径向膨胀的 传感器。撞击探测传感器31可包括光学或电容传感器，其可直接放置 换能器表面上。

图2示意性地示出了压力波发生器10的实施方式的横截面图，该 压力波发生器10包括附接至活塞壳体15的压力容器20。在图2中是示 出了处于靠近内孔15a的第一端16的其初始位置的活塞11。压力容器 20可通过固定机构202（例如螺栓）在活塞壳体的第一端16处固定至 活塞壳体，并且在压力容器20内的流体（例如气体）可经过端口19与 活塞内孔15a流体连通（还参见图1和图3）。加压气体存储器203和控 制阀208可将加压气体供应至压力容器20内。在共同拥有的美国专利 申请NO.2010/0163130中描述了用于朝向换能器14启动活塞11的多种 可能的方法，将该专利的全部以参引的方式纳入本文。

在压力波发生器10的某些实施方式中，能够精确地测量或控制活 塞运动（启动）的起始定时用于提供改善的与换能器14的撞击（撞击） 的定时控制。在某些这种实施中，通过采用加压气体实现节约成本的并 容易控制的在活塞上提供动力的方法。在一种用于朝换能器14启动并 加速活塞11的示例性方法中，使得压力容器20处于初始压力下，同时 通过在控制杆13上施加制动力（例如通过制动器26）将活塞保持在稳 定的位置。在启动时，可快速地（在某些实施方式中，当使用压电制动 致动器时，以几微秒的数量级）释放制动力，加压气体的力可加速活塞 11朝换能器14的运动。在特定的这种实施方式中，如果没有精确地预 知制动参数，加压气体驱动器可造成过早启动。并且，由于启动时活塞 后方的容积增加倾向于快速地降低推动活塞的压力，因此某些这种实施 方式可倾向于稍微阻碍活塞的运动。

因此，压力波发生器10的特定实施方式采用包括一系列的诸如气 动（膨胀）阀30的定时阀的启动系统200，该阀可用于直接将高压气体 注入至活塞后方的相当小的容积36内（参见，例如图1和图2）以调节 施加在活塞11上的初始动力。阀30能够与独立受调节的气体供应205 （例如加压空气）连通。在其它实施方式中，气体供应205可为初始气 体供应（诸如加压气体贮存器203）。在一种实施方式中，可使用在压力 容器20内的加压气体向容积36中供应高压气体。在某些实施中，能够 为每个膨胀阀30调节独立的气体供应205以便实现在几十微秒之内的 同步打开。膨胀阀30可经过通道210将加压气体注入至活塞后方小的 容积36内。如在图1和图2中所示意性地示出的，容积36可以是在活 塞的后表面11a与壳体第一端16之间形成的相对小的空隙。在一种操 作方法中，通过在控制杆（在图2中未示出）上施加制动力，将活塞保 持在稳定的位置的同时，可在容积36内引入初始的启动气压。在启动 时，可释放制动力，并且在容积36内的加压气体可提供用于开始移动 活塞11的初始动力。容器36的加压气体在活塞11上施加初始动力， 用于移动活塞11使其经过一组气体端口19（见，例如图3），存储在压 力容器20内的附加的加压气体通过气体端口19可作用于活塞11，以加 速活塞11朝向换能器14的运动。在这种实施方式中，活塞11起在气 体端口19上的阀的作用，用于打开压力容器20并在活塞11已通过气 体端口19之后将附加的动力引入至活塞11的后部。

例如，启动系统200可包括四个阀30，这些阀在以大约100psi （1psi=1磅/平方英寸≈6,895帕斯卡）将气体注入在容积36内用于开 始以大约2m/s的速度沿活塞孔向前移动活塞11。一旦活塞11通过气体 端口19，来自加压容器20的大约350psi或更高压力下的高压气体进入 活塞11后方的容积，并将活塞加速至大约30至100m/s的速度。

在一种实施方式中，启动系统200可包括用于给活塞11提供初始动 力的更少或更多个阀30。在另一实施方式中，阀30可连接至独立的阀 定时控制器209，该控制器209控制每个阀30的注入到活塞11后方的 气体量。如图3所示，注入的加压气体在活塞11上提供足够的动力以 使活塞沿圆筒形孔向前移动以通过气体端口19。

在不同的实施中，在不同的压力下，不同类型的阀或启动机构适于 对活塞11施加初始的动力。其它实施方式可使用直接-作用的压电体、 弹簧-驱动机构、惯性-驱动机构（例如飞轮或相似的设备）或者热致动 器提供启动控制。

在某些操作方法中，当压力波发生器10位于初始位置时，活塞11 可位于在图1和图2中示意性示出的位置，在该位置处，活塞11盖住 气体端口19。当在初始位置时，活塞11由此阻止气体经过气体端口19 进入壳体15的内孔。控制系统29可发送信号至制动器26用于施加制 动力至控制杆13。控制系统29可发送信号至阀控制器209，发信号给 阀30使阀30打开。在期望的时间，控制系统29可发信号给制动器26 用于减小（或消除）制动力。如图3中所示，活塞11开始移动通过气 体端口19，从而允许存储在压力容器20内的加压气体穿过气体端口19， 并使活塞11加速朝换能器14运动。当活塞11撞击换能器14时，活塞 将其至少一部分的动能传递给换能器。在撞击时，换能器可被弹性压缩 并且至少部分地轴向移位至介质中，因此至少部分地将活塞的动能转化 成在介质中的压力波。在活塞11的撞击过程中，控制杆13的远端（和 /或保持器22）可在导向部12内向前移动或滑动，这可降低在撞击过程 中在杆上产生的应力。阻尼器系统24可独立于活塞11而使控制杆13 减速，并减小或最小化杆上的应力。

从固体部件（例如活塞11和换能器14）至介质的应力波传播可在 介质中提供压力波。当这种应力波是与活塞对换能器的大的撞击速度 （例如，在某些情况下速度大于大约10m/s）相关时，在发生器10的某 些实施中，这种波能够造成可超过1GPa的局部压力。这种压力可由当 压力波横穿换能器时换能器的径向膨胀以及换能器14进入介质内的运 动造成。该径向膨胀可造成沿换能器的侧面设置的部分介质作为“喷射 流”喷出。这种“喷射流”可损坏在发生器10中在换能器14附近使用 的密封件。另外，在特定的实施方式中密封件在生成的高压下可能降解。

图4示出了换能器14的实施方式的横截面图，该换能器成形为使 该换能器能够充当压力波发生器10的壳体15的内孔的端部17的初始 密封件。换能器14包括面向表面402的表面401，该表面402形成为壳 体15内的换能器底座壁400的一部分。换能器14的表面401可包括成 一定角度的表面（具有一个或多个成一定角度的部分）或圆形的或弧形 的表面。底座壁400的表面402可包括对应的渐缩的平坦表面或圆形或 弧形表面。换能器14的表面401可设计成与底座壁的表面402基本上 紧密配合。在一种实施方式中，表面402能够为活塞壳体壁的一部分。 表面401和表面402的构造可提供初始的密封件，在特定的发生器实施 方式的操作中，该初始密封件可挤出或喷出困在换能器14与其底座400 之间的空间内的至少部分介质。在由活塞撞击之后换能器返回至其在底 座400内的初始位置时，可挤出或喷出该部分介质。

在另一实施方式中，还能够利用第二密封件403。第二密封件由能 够承受暴露于介质、高温、高压和由换能器14的稍许运动造成的摩擦 力的材料制成。在一种实施方式中，密封件403可额外地起润滑剂的作 用。同时使用初始密封件和第二密封件的实施方式的可能优点在于，初 始密封件能够限制暴露于第二密封件的压力，从而使得第二密封件遭受 与未使用初始密封件的实施方式相比较低的压力。由于在这种实施方式 中密封材料遭受较低的压力，因此第二密封件能够使用较宽范围的密封 材料。例如，第二密封件403可包括柔性的石墨密封，诸如例如从EGC 企业有限公司（沙登，俄亥俄）（EGC Enterprises Inc.(Chardon,Ohio)） 可获得的GRAFOIL密封、或GRAFOIL模压成形环。

另外，在特定的这种实施方式中，换能器14可提供由换能器的外表面 401在底座400的表面402上形成的初始的金属-与-金属的密封，和第二圆 周的密封403。特定的这种实施方式可提供如下若干功能，包括例如：在 两个基本硬质的部件（例如金属换能器和其金属底座）之间产生初始密封， 使得获得的密封的几何结构能够在增加的压力下提供期望的密封。另外， 换能器上介质的压力可激活该密封，这可使得密封稳定性随着压力的增加 而提高。

图4中示出的换能器14的实施方式还可在换能器向前移动时（例如当 活塞11撞击时），提供换能器14侧面上的膨胀体积，该膨胀体积可减慢介 质沿换能器的侧面的渗透。在一种实施方式中，可提供排放系统（未示出） 用于移除穿过初始密封件（例如由表面401和表面402形成的金属-与-金 属的密封）和/或第二密封件403渗透的任何的介质。排放系统可还包括传 感器，该传感器用于指示在排放系统中的任何介质，并因此指示初始密封 件和/或第二密封件的泄露。在图4中示意性示出的构造还可以在通向第二 密封件403的介质路径内提供一个或多个转弯或角度，该转弯或角度可阻 止形成介质喷射。

能够通过保持机构18将换能器14紧固在换能器底座400内，该保持 机构18在换能器受到活塞11撞击时防止换能器脱落至介质内。保持机构 18可包括如图4中示出的连接至换能器体部的保持环。保持环的外缘可设 置在形成在底座400内的圆筒形槽内。当将换能器14插入在底座400内时， 保持环的外边缘进入沟槽18a，这样，在活塞撞击之后阻止或防止换能器 从底座400脱落。在某些实施方式中，保持环定位在形成于换能器的外直 径中的切口内。在一种实施方式中，具有至少两个区段的分开的保持环可 用作保持机构18内的部件。另外，可为保持机构18提供一个或多个密封 件和/或轴承以便将换能器14紧固在底座400内。

由于换能器14和介质通常将包括不同的材料（或材料的不同相，例如 固相和液相），因此在换能器的面向介质的表面14b处可能发生声阻抗不 匹配。阻抗不匹配会造成声能朝向活塞撞击表面11c返回的反射，这可造 成换能器14至少部分地远离介质弹回。换能器14的实施方式可为介质提 供改善的声阻抗不匹配。例如，在图4中示意性示出的换能器14的实施方 式包括渐缩的端部405，该端部提供与介质接触的更大的面积，这将提高 压力波的传递效率并可减小反射的声能。图4中示出的实施方式还提供了 多种硬质表面401、402、400和18，为了在操作压力波发生器10的过程 中精确的定时控制，换能器14能够关于这些硬质表面定位。在共同拥有 的美国专利公开NO.2010/0163130中描述了可与在此公开的压力波发生 器10中一起使用的换能器的另外的实施方式，将该专利的全部以参引 的方式纳入本文。可使用多种曲率的表面401或402。另外，可使用广 泛范围的材料来制造换能器和/或换能器底座。例如，可使用具有足以 承受撞击的强度的任何锻钢来制造换能器14和活塞11。

压力波发生器的使用示例

压力波发生器的实施方式可用于将压力波传递至任何适当的介质 （例如，固体、液体、气体和/或等离子体）。在某些实施中，压力波发 生器可用作用于冲压、压印、弯曲、折边、模压、冲裁、冲孔或加工诸 如例如金属的材料（例如金属加工）的冲压机。在某些实施方式中，介 质包括液体、气体或液体和气体的混合物。在某些这种实施中，介质包 括液态金属，诸如液态铅或液态铅和锂的混合物。压力波发生器可用于 在介质中产生压力波，压力波可升高介质的压力、温度、能量和或密度， 并且可增加介质中的化学反应速度。例如，压力波发生器的实施方式可 用于控制气动的发动机（例如蒸汽发动机）中的活塞。

在此公开的压力波发生器的实施方式可用于产生由于声能的聚集 造成的其它能量形式。这种能量形式可用于产生局部热点、紫外线（UV） 照射、X射线、医用同位素、中子、核聚变以及这种声能转化和集中的 副产品。例如，压力波发生器的某些实施方式可用于增加包括介质（诸 如液态铅或液态铅-锂）的核反应室内的压力，从而使得核反应速度增 加至足以提供产生中子或核聚变反应。

尽管已示出并描述了本公开的特定元件、实施方式和应用，但是应 当理解本公开的范围并不限于此，因为能够在不背离本公开的范围情况 下特别地能够根据前述教示做出修改。因此，例如，在此公开任何方法 或过程，能够以任何适当的顺序执行组成该方法/过程的动作或操作， 并不必限制于任何公开的特定的顺序。在多种实施方式中，能够以不同 的方式构造或布置、组合、和/或消除元件或部件。上述各种特征和过 程可彼此独立的使用，或者以多种方式进行组合。所用可能的组合和子 组合旨在落入本公开的范围之内。贯穿整个公开所指的“某些实施方 式”、“实施方式”等意味着结合该实施方式描述的特定特征、结构、步 骤、过程或特性包含在至少一种实施方式中。因此，贯穿整个公开出现 的短语“在某些实施方式中”、“在实施方式中”等不必都指的是相同的 实施方式，并且可以指的是一个或多个相同或不同的实施方式。事实上， 在此描述的新方法和系统可以多种其它形式实施；另外，在不背离在此 描述的本发明的精神的情况下可以对在此描述的实施方式的形式进行 各种省略、添加、代替、等效、重排和改变。

已在文中适当处描述了实施方式的多个方面和优点。应当理解根据 任何特别的实施方式不必一定实现所有这种方面或优势。因此，例如， 应当认识到可以以如下这种方式执行各种实施方式：能够实现或优化在 此所教示的一种优点或一组优点，而不必实现在此教示或建议的其他的 方面或优点。

在此使用的条件性的语言，诸如，其中“能够”、“可能”、“可能的”、 “可以”、“例如”等，除非特别规定，或根据所使用的上下文理解，通 常旨在表达：特定实施方式包括，而其它实施方式不包括，特定特征、 元件和/或步骤。因此，这种条件性的语言通常不旨在暗示：一种或多 种实施方式以任何方式需要特征、元件和/或步骤；或者一种或多种实 施方式需要包括如下逻辑，这种逻辑用于在具有或不具有操作者输入或 促使的情况下确定这些特征、元件和/或步骤包括在任何特别的实施方 式中或在任何特别的实施方式中执行。没有单一的特征或特征组合对任 何特别的实施方式而言是必需的或必不可少的。术语“包括”、“包含”、 “具有”等是同义的并以以开放式的包含性的方式使用，并不排除附加 的元件、特征、动作、操作等。另外，术语“或者”以包含式的含义（而 不是以排除性的含义）使用，因而当与一系列元件相关联地使用时，术 语“或者”意味着一系列元件中的一个、某些或者全部。

诸如短语“X、Y以及Z中的至少一个”之类的连接性语言，除非 特别说明，否则使用时根据文中内容理解，通常用于表达项目、项等可 为X、Y或Z。因此，这种连接性语言通常并不旨在暗示某些实施方式 需要X中至少一个、Y中至少一个以及Z中至少一个的每一个存在。

在此描述的实施方式的计算、模拟、结果、图示、数值和参数意于说 明而不是限制公开的实施方式。可与在此描述的说明性的示例不同地构造 和/或操作其它实施方式。事实上，可以多种其它形式实施在此描述的新方 法以及设备；另外，可在不背离在此公开的本发明的精神下，可以对在此 描述的方法和系统的形式进行各种省略、替换和改变。