CN114286716A

CN114286716A - 用于产生驻波超声场的装置

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Publication number: CN114286716A
Application number: CN202080051318.6A
Authority: CN
Inventors: 费利克斯·特兰普勒
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-05-16
Filing date: 2020-05-13
Publication date: 2022-04-05
Also published as: EP3969145A1; AT521789A4; US20220241820A1; AT521789B1; WO2020227747A1

Abstract

本发明涉及一种用于在流体(100)中产生具有频率f的驻波超声场、尤其是以便集中、固定或操纵流体(100)中的分散颗粒或以便保留或分离来自流体(100)的分散颗粒的装置，该装置包括：用于保持流体(100)的基本上尺寸稳定的容器(1)；以及声学地连接到该容器(1)的外壁(12)并且可在频率f处被电激励的至少一个振荡元件(2)，其特征在于，振荡元件的压电板具有至少一个基本上平坦的侧表面(21)，并且振荡元件(2)借助所述一个平坦的侧表面(21)声学地连接到容器(1)的外壁(12)在圆柱形内部(14)的区域中的基本上平坦的连接表面(11)，连接表面(11)与圆柱形内部(14)的主轴(H)和振荡元件(2)两者平行地布置。

Description

用于产生驻波超声场的装置

本发明涉及一种用于在流体中产生具有频率f的驻波超声场、尤其是用于集中、固定或操纵流体中的分散颗粒或用于保留或分离来自流体的分散颗粒的装置，该装置包括：用于接纳流体的基本上尺寸稳定的容器；以及声学地连接到该容器的外壁的至少一个振荡元件，其中该容器至少在该振荡元件的区域中包括用于接纳流体的具有内半径r_o的基本上为圆柱形的内部，并且其中该振荡元件在与内部的主轴正交的方向上具有平均厚度p和宽度b，其中宽度b不大于内直径2r_o。

本发明还涉及一种用于在流体中产生具有频率f的驻波超声场、尤其是用于通过在基本上尺寸稳定的容器中施加驻波超声场来集中流体中的分散颗粒或分离来自流体的分散颗粒的方法，其中至少一个振荡元件在至少一个频率f处被激励，并且振荡元件振荡该容器以及布置在圆柱形内部的流体，其中该振荡元件具有平均厚度p，并且内部具有内半径r_o，并且其中振荡元件在与该内部的主轴正交的方向上具有宽度b，其中该宽度b不大于内直径2r_o。

当流体暴露于超声场时(例如通过将来自振荡元件的振荡经由容器引入流体中)，可以在流体中实现各种效果(诸如其混合或加热)。使用驻波超声场，声学技术特别用于分离或操纵流体(亦称为介质)中或来自流体的细胞、细菌和微生物、细小固体、液滴、气泡等(即，通常处于固态、液态和气态的颗粒——为简单起见，以下称为颗粒)。这些颗粒可以分散、悬浮或乳化在流体中，并且通常具有在所施加的驻波超声场的一个波长与千分之一波长之间的范围内的大小。在该情形中，流体被布置在容器的内部，并且声学系统被制成由振荡元件振荡。声学系统是指被制成振荡的部件，并且因此至少包括容器、振荡元件和内部的流体。驻波场通过在容器壁处的反射或也通过来自相对方向的相同频率的超声波的叠加而在内部构建，由此颗粒收集并且优选地聚集在驻波场的振荡波腹或波节中。在该过程中，流体也可以连续地通过内部，而所收集的颗粒被驻波阻止通过。因此，即使是大量流体也可以清除这些颗粒。

例如，此类装置或方法在生物技术或实验室诊断中用于从营养介质中分离细胞、细菌和其他微生物，或者还用于浓缩微量元素和污染物(诸如悬浮的重金属颗粒、或乳化碳氢化合物液滴)以提高可检测性，或者还用于回收有价值的颗粒材料(例如，稀土或贵金属)。为了富集或分离太小而不能由超声场直接检测的物质和颗粒(例如，病毒或分子)，也可以使用所谓的载体颗粒，其表面被所寻找的物质占据，以便随后通过超声场与载体颗粒一起分离。此类载体颗粒的表面也可以通过生物技术、机械、磁、电或化学方式选择性地活化，以便在载体颗粒的辅助下仅从介质中分离某些所需物质。该技术还可用于净化流体。

声学分离技术基于近几十年从文献中已知的声学辐射力的机制，其由驻波声场施加在分散在流体中的颗粒上并且取决于这些颗粒相对于流体(介质)的声学对比度而将这些颗粒集中到驻波场的波腹中(适用于比流体重的大多数固体颗粒和与应用相关的分散液滴)或者集中到波节中(适用于比流体轻的气泡或液滴)。在该情形中，通常选择波场的频率，以使得介质中声场的波长比待分离颗粒的直径大一到两个数量级。与实际相关的是尤其在100kHz至10MHz的数量级的频率范围。

由于颗粒声学诱导迁移到驻波场的波腹或波节区域，这些颗粒通常在那里被压缩成颗粒聚集体，其在流体或气体颗粒的情形中也可能导致融合成更大的液滴或气泡。发生此类压缩的两个毗邻区域之间(即毗邻波腹或毗邻波节之间)的距离是介质中超声场波长的一半。

为了稳定地形成驻波场，容器必须在尺寸上基本稳定，以便能够在与声源的恒定方向和距离上反射声波。因此，尤其是声音生成区域中的容器壁以及与声音生成相对的容器壁的尺寸稳定性是重要的。因此，尺寸不稳定的容器(诸如塑料袋等)是不合适的，除非它们进而由尺寸稳定的装置适当支撑。由金属、玻璃或硬塑料制成、尤其是由具有生物相容性且因此特别适用于生物技术和医疗应用的材料制成的容器已被证明特别稳定且易于制造。

然而，由于实际上每个声学驻波声场都不是理想地均匀构建的，而是驻波场的声能通常在该容器内不均匀地分布(例如，由于来自声音发射振荡元件的表面的通常不均匀辐射以及由于将也可在横向方向上构建的声学共振场耦合到声音传播(例如，由于容器的横向内壁之间的声学反射))，声学力不仅在由振荡元件发射的声波的方向上在颗粒聚集体处发生，而且声学力也作用在此类横向方向上，其可以以流体在同样横向方向上流经声学区域的可能移动来抵消颗粒聚集体的夹带。在文献中，这被经典地称为“声学捕获”或颗粒带或“颗粒柱”的宏观形成。如果流体的原始颗粒浓度较低，则仅相对较少的颗粒富集在波腹或波节中，并且可以按特别明显的方式观察到声学捕获的效果。

由于波腹(或波节)内颗粒的局部浓度及其相关联的凝结，如果继续引入更多颗粒(例如，在分散体流过波场时)，则以此方式捕获的颗粒聚集体可随时间继续增长并且变得太重而无法由与浮力或重力相反的声学力永久地保持。如果颗粒聚集体变得太大，则这导致颗粒聚集体通过沉降(对于比流体重的颗粒)或浮选(对于比流体轻的颗粒)而自发地沉淀。然而，此类沉淀也可以按受控方式(通过故意停用声场)产生。

在进入驻波场之前，介质中的初始颗粒浓度越高，维持永久的声学捕获变得越困难，因为所形成的颗粒聚集体很快变得太重(或太轻)而无法通过抵抗浮力或重力的声学力来保持。在(进入声场的)流体内>1％(v/v)的数量级的颗粒浓度处，通常没有稳定的随机阶段(即，未通过使具有强横向场梯度的特定生成的声波几何结构稳定)声学捕获是可观察的；颗粒凝结成聚集体，并且随后聚集体从波场中沉淀基本上被认为是合流过程。

颗粒凝结到聚集体和通过重力或浮力使聚集体沉淀的此类合流过程在文献中也被描述为“声学增强式沉降”或类似地“声学增强式浮选”。

对于此类声学诱导分离过程，特别是对于颗粒浓度>1％(v/v)的流体，横向声学力的帮助有限，因为由于相对较高的颗粒浓度，在(垂直于声音传播方向形成的)波腹或波节平面内可能已经发生足够的凝结，并且(即，与这些波腹/波节平面平行的)附加横向力不会导致已经非常大的形成颗粒聚集体的进一步凝结，而是相反地导致将大的颗粒聚集体拆分成若干个较小颗粒聚集体，由此阻碍了聚集体从波场的高效连续沉淀。

在实践中，已经示出，对于基于以上所描述的声学诱导沉积的原理的颗粒浓度>1％(v/v)的分散体的分离，横向声学力通常应保持比纵向声学力(其导致颗粒主要迁移到波腹或波节平面中)弱一个数量级。

如专利EP0,633,049B1中所描述的，使纵向声学力(即，作用在声音传播方向上的声学力)超过横向声学力的有效方法是平坦驻波场的有针对性的激励。在该实施例之后，可以实现与容器的平坦发射表面平行的平坦波腹和波节区域的主要表达，并且如果适用，可以实现平行相对的平坦反射器的主要表达。声学发射和反射表面的这种严格平行定位允许波腹和波节平面的定位基本上仅由垂直于它们的纵向尺寸x定义。可以在文献中找到关于驻波声场的此类一维描述的详细数学原理。

自大约1995年以来，已经发现利用“Applikon Biotechnology BV”所销售的用于灌注生物反应器的声学“Biosep”细胞滞留系统的平坦驻声波场的商业应用。在该Biosep产品系列的一些实施例中，通过利用吸声硅来涂覆声学有效区域的侧壁来进一步减少任何横波场的意外生成(以及因此横向作用在颗粒聚集体上的声学力的生成)。

然而，尽管有这些措施来优化平坦驻波场，但在现有技术中与此类分离器的内部的相关联平行——通常为矩形——几何形状相关联的基本缺点仍然存在：

-声学有效内部区域的矩形横截面使清洁更加困难，并且在角落区域存在永久性沉积物的风险。

-声学有效矩形区域的完全平行内部表面的高昂制造成本。

-通常管状流入和流出到中间声学区域的矩形横截面的过渡进一步使内部几何形状和密封复杂化。

特别是对于一次性系统的应用(如通常针对医疗和生物技术过程)，矩形内部几何形状因此带来了相当大的问题。

在US专利5,164,094中提出了采用圆柱形几何形状的声学分离器的替换实施例。在此，声音发射振荡元件被设计为空心圆柱形压电陶瓷，由此声学驻波场在由压电陶瓷管状包围的悬浮液中(和/或在管状包围压电陶瓷的悬浮液中)形成为同轴圆柱性图案。此类生成为圆柱形的场几何形状可以在柱坐标中简单地描述，因为波腹和波节基本上形成为围绕圆柱轴布置的同轴圆柱形壳表面，其位置仅由径向尺寸r(即，到圆柱轴的法向距离)来确定。优于平坦驻波场几何形状的显著优点在于，在横向方向(这在柱坐标中为切线方向)上没有通过其可构建横向驻波场的反射侧壁，因为圆柱形波腹/波节区域在其自身上(在切线方向上)封闭。

然而，所需的圆柱形管形式的压电元件在技术上复杂且制造昂贵。此外，例如，对于医疗或生物技术应用，必须避免悬浮液与压电陶瓷的直接接触，即，事实上必须将圆柱形陶瓷以声学耦合的方式推到生物相容的载体管上和/或插入到此类载体管中。此外，考虑到工业应用中对机械稳健性的要求，在许多情形中，必须将压电陶瓷圆柱体推到载体管上或推入载体管。此类载体管(例如由玻璃或钢或甚至生物相容性塑料(然而后者由于大量塑料的增大的声学吸收而仅在薄壁的版本中是可能的)制成)的生产以及声学上精确耦合的接合由于到压电管的内直径或外直径的必要同轴精度而是非常复杂且容易出错的。

另一已知的实施例包括圆柱形容器，在其外壳上在外壁上，一个或多个弯曲压电元件被布置为振荡元件并且靠在该弯曲壁上并且与其牢固地连接。优选地，两个压电元件总是彼此相对地布置。通过(例如，两个相互正交的压电对的)恰适的反同步激励，由圆柱形几何形状的聚焦效应引起的中心轴区域内声压幅度的增加可以稍微减少。然而，在中心轴区域仍会出现非常高的压力幅度，这可能导致颗粒的变化或破坏。尤其是在活细胞的情形中，这可导致细胞活性恶化或死亡。

因此，本发明的目的在于提供一种具有降低的高压力幅度风险的所提及类型的装置和方法。

根据本发明，该目的通过以下方式来解决：振荡元件具有至少一个基本上平坦的侧表面，并且振荡元件经由该平坦的侧表面声学地连接到容器的外壁在圆柱形内部的区域中的基本上平坦的连接表面，其中该连接表面与圆柱形内部的主轴和振荡元件两者平行地布置。

还通过以下方式来解决：振荡元件经由该振荡元件的基本上平坦的侧壁、经由容器的外壁在圆柱形内部区域中的基本上平坦的连接表面来向容器传送振荡，并且连接表面与圆柱形内部的主轴和振荡元件两者平行地布置。

本发明提出了一种装置，该装置将圆柱形内部和由此引起的同轴驻波图案的声学和流体优点与通过将平坦声音发射组件用作振荡元件(诸如平坦压电陶瓷板)的制造优点相结合。

令人惊讶的是，如果振荡元件经由平坦表面连接到容器，则可以减少或甚至避免在内部、尤其是在内部的中心出现高压力幅度。这降低了损坏或破坏待聚集颗粒的风险，这在细胞或微生物的情形中是特别有利的。就此而言，振荡元件被设计为至少在其连接到容器的区域中同样平坦。在背离连接表面的一侧上，振荡元件可以是弯曲的设计或者可以同样平坦，其中在背离侧的平坦实施例中，振荡元件的两侧优选地彼此平行地对齐。平坦馈入略微扰乱或扭曲了所产生波场的完美圆形，这高效地防止了容器中心区域中的流体中出现过大的压力幅度。此外，此类实施例极大地促成了制造过程并且降低了制造过程的成本，因为弯曲的振荡元件非常难以制造，特别是在这些振荡元件要被连接到同样弯曲的外壁的情况下。另一方面，平坦、直的振荡元件制造起来更容易且更便宜。优选地，可以通过移除容器壁的一部分(例如通过铣削或刨削)来将平坦的连接表面布置在容器上。替换地，在容器的制造期间(例如，在容器的注塑或铸造期间)可能已经提供了连接表面。此外，本身为圆柱形的容器的外表面也可以通过附加元件部分地延伸，以便产生平坦的连接表面。

优选地，规定振荡元件具有在厚度方向上极化并且与圆柱形内部的主轴平行地对齐的至少一个压电板，并且该压电板具有与厚度方向垂直的电极表面。因此，还有利的是，振荡元件的在厚度方向上极化并且与圆柱形内部的主轴平行地对齐的至少一个压电板在其厚度方向p上使振荡元件振荡，其中该压电板具有与厚度方向垂直设置的电极表面。压电板可用于在厚度p的方向上(即，在厚度方向上)电激励声学振荡的目的。因此，找到了用于振荡元件的简单、廉价且电容易激发的实施例，其可以通过以频率f施加AC电压来进行振荡。可以提供一个或多个压电板，在后一种情形中，从容器来看，多个压电板可以并排或一个在另一个之后(即，在沿宽度b的宽度方向上或在沿厚度p的厚度方向上)布置在振荡元件中。在该情形中，振荡元件可以基本上仅包括一个板或多个板。并排是指压电板的边缘彼此面对，换言之，压电板相对于容器的连接表面彼此毗邻。因此，每个压电板与连接表面的不同区域相关联，其中压电板的电极表面优选地布置在相同的高度处。一个在另一个之后是指压电板的电极表面至少部分地突出到彼此之外，并且优选地一致地布置。因此，一个在另一个之后布置的两个压电板基本上与容器的连接表面的相同区域相关联。在此上下文中，连接表面的所描述区域也可以构成整个连接表面。

通常，振荡元件被配置为至少一个平坦压电板，或者在一侧包括至少一个平坦压电板。因此，声学地连接到容器外壁的连接表面的振荡元件的平坦侧壁可以是一个或多个压电板的此类平坦侧壁。

此外，有利的是，振荡元件具有与振荡元件的平均厚度p相对应的基本上均匀的厚度。因此，还有利的是，振荡元件被选择为具有与振荡元件的平均厚度p相对应的基本上均匀的厚度。在该情形中，均匀是指厚度沿振荡元件的长度和宽度基本保持相同。

因此，如果振荡元件在背离容器的一侧也是平坦的，并且该侧平行于面向容器的一侧，则结果是基本上均匀的厚度，这等于平均厚度p。

在厚度沿宽度b或长度变化的实施例中(例如，在弯曲振荡元件中)，平均厚度p是沿宽度算术平均的厚度。

有利的是，该装置具有换能器阵列，该换能器阵列至少包括振荡元件和在该振荡元件的区域中的容器壁部段、以及可任选地布置在该振荡元件的厚度方向上并且声学地耦合到振荡元件和/或容器壁部段的另外的部件。就此而言，装置可包括可串联和/或并联连接的多个换能器阵列。布置在振荡元件的区域中的容器壁部分在声音传播的方向上共振并且因此是换能器阵列的一部分。另一方面，容器中进一步远离振荡元件的部分不是换能器阵列的一部分，因为这些区域对于将振荡从振荡元件传输到容器内部而言是无关紧要的。

声学系统包括换能器阵列/组件和可任选的相对反射层、特别是相对的容器壁以及所有插入的声学耦合的固体或流体区域，尤其包括容器内部装有颗粒的流体、以及任何附加的隔板(例如属于浸入容器内部的样本容器)和其他声学耦合的流体层(例如用于恒温目的)。

纵向方向被理解为声音传播的方向；因此被定义为与要进行超声处理的介质直接接触的换能器阵列的声学发射表面垂直的方向。

横向方向是与声音传播的纵向方向垂直的所有方向，因此它们与换能器阵列的声学发射表面平行地定向。

波腹是驻声波场的静止区域，其中偏转的声学幅度达到相对于纵向方向的局部最大值。在纵向方向上，毗邻波腹间隔开流体中声波波长的一半，并且彼此平行(以及与换能器阵列的发射表面平行)。

波节是驻声波场的静止区域，其中声学偏转幅度相对于纵向方向为0。作为结果，驻波场的压力幅度在波节区域中达到局部最大值。在纵向方向上毗邻于彼此的波节相距流体中声波波长的一半，并且彼此平行(以及与换能器阵列的发射表面平行)。

在根据现有技术的一些已知装置中，分散体布置在一个换能器阵列的平坦声学发射表面与镜像且平行相对的第二换能器阵列的第二平坦声学发射表面之间，其中规定彼此镜像相反的两个换能器阵列以相同的频率和幅度被激励。因此，产生平坦声学驻波场。替换地，代替第二换能器阵列，平坦反射表面可以与第一换能器阵列平行相对地定位。通过两个发射波(或发射波和反射波，视情况而定)的叠加，在插入的流体中产生平坦驻波场。在笛卡尔坐标系中观察，发射(和可任选地反射)平坦声波的传播基本上沿一个维度，在此选择为x。相应地，(诸)换能器的发射表面和可任选的相对反射表面、以及所产生的平坦驻波场的所有波节和波腹平面都垂直于x，并且因此平行于方向y和z。因此，可以假设波节和波腹的位置由笛卡尔维度x来定义。

与此相反，本发明涉及非平坦声学驻波场，更具体地涉及圆柱形声学驻波场。这是由具有换能器阵列的圆柱形声学发射表面的声学系统产生的(并且类似于平坦情形，可任选地通过与其轴对称定位的反射圆柱形表面)。通过轴对称发射波(或可任选地发射波和反射波)的叠加，在围绕圆柱轴的插入流体中产生圆柱驻波场。在柱坐标系中观察，发射的(以及可任选地，反射的)圆柱形声波的传播基本上沿径向维度r发生，其进而允许对所产生的驻波场的一维描述(现在在圆柱方向r而不是笛卡尔方向x上)。因此，换能器阵列的发射圆柱形表面(以及可任选的相对反射表面)、以及所有波节和波腹表面基本上垂直于r并且因此平行于位于方向z和切向尺寸

的主轴H的方向(或也称为圆柱轴或中心轴)。因此，波节和波腹的位置基本上由径向维度r定义。通过与横向方向z和

上形成的驻波场的可能耦合的波节和波腹壳表面的调制相关性较小，并且对于波腹和波节壳表面的定位的这种一维描述可以忽略不计。

振荡元件以其振荡至少部分地传送到容器(优选地其被胶合到容器)的方式声学地连接到容器。然而，它也可以直接与容器融合，或者例如仅用声学耦合凝胶或流体临时附连到容器壁。

如果提供若干个连接到容器的振荡元件，则可以规定两个振荡元件在横截面中彼此相对，其中这些振荡元件优选地以相同的频率并且优选地没有相移地被激励。不止两个振荡元件也可以分布在横截面上、优选地旋转对称地分布。

优选地规定，振荡元件平行于圆柱轴并且与内部的内半径r_o基本上垂直和对称。内部至少在一个水平处的横截面中基本上是圆形的，由此提供中心点，并且在形状上是旋转圆柱形的，由此提供中心点所位于的主轴。在该情形中，内半径意味着与振荡元件垂直的横截面中内部直径的一半。内部的半径从内部的中心延伸到容器的内壁。振荡馈入圆形横截面因此与主轴平行地对齐。

在优选的实施例中规定，在圆柱形内部区域中的容器外壁除了到振荡元件的至少一个连接表面之外还具有基本上圆柱形的形状。在该情形中，振荡元件以振荡的方式连接到连接表面并且因此可以将振荡传送到容器。因此，容器具有中空圆柱体的形状。这易于制造且成本低廉，同时允许准确地保持预定大小尺寸。平坦连接表面优选地从先前制造的圆形容器中铣削或以其他方式移除。在该情形中，连接表面可以横向地或沿主轴突出超过振荡元件，或者振荡元件可以突出超过连接表面。

优选地，振荡元件被配置为在其厚度方向上极化并且具有基本上与厚度方向垂直的电极表面的压电板，由此当AC电压被施加到所述电极表面时，该振荡元件开始振荡。

为了优化设计为压电板的作为基本上沿其厚度方向发射的声音发射器的振荡元件的声学特性，有利的是，该振荡元件在与内部的主轴平行的方向上具有厚度p的至少两倍大、优选地至少三倍大的长度，并且在与内部的主轴正交的方向上具有厚度p的至少两倍大、优选地至少三倍大的宽度b。相应地，还有利的是，振荡元件的大小被选择为使得其在与内部的主轴平行的方向上具有厚度p的至少两倍大、优选地至少三倍大的长度，并且振荡元件的宽度b为厚度p的至少两倍大、优选地至少三倍大。

容器的内直径2r_o至少与振荡元件的宽度b一样大。内直径的这种最小大小使得可以将总声能的尽可能大的比例分配给容器内部的波场。

特别有利的是，振荡元件的宽度b小于或等于3·(r_P·v_C/f)^1/2、优选地在(r_P·v_C/f)^1/2与2.5·(r_P·v_C/f)^1/2之间、特别优选地在1,5·(r_P·v_C/f)^1/2与2·(r_P·v_C/f)^1/2之间，其中适用r_P＝r_o+c_o，r_o是内部的内半径，c_o是振荡元件区域中容器壁部段的最小壁厚，并且v_C是容器壁部段中的声速。在具有更大半径的容器的实施例的情形中，还有利的是，振荡元件的宽度b位于(r_P·v_C/f)^1/2与3·(r_P·v_C/f)^1/2之间的范围中，并且特别优选地约为2·(r_P·v_C/f)^1/2。

宽度b进一步是指与容器的圆柱形内部的主轴基本上正交的振荡元件的宽度。

如果容器壁在不同点处的声速不同，则v_C是指位于振荡元件与内部之间的容器壁区域中的声速。

通过选择振荡元件的此类宽度，振荡元件足够宽以使得装置可以被很好地激励，但同时振荡元件仍然足够窄以限制由振荡元件的平坦表面(即，与容器内部不同轴)在足够程度上引起的振荡元件与主轴之间的振荡的不同声学路径长度，并且因此仍然可产生驻波场的足够强的径向明显振动模式。

这些实施例也在以下情况下适用：频率f被选择为使得振荡元件的宽度b小于或等于3·(r_P·v_C/f)^1/2、优选地介于(r_P·v_C/f)^1/2与2.5·(r_P·v_C/f)^1/2之间、并且特别优选地介于1.5·(r_P·v_C/f)^1/2与2·(r_P·v_C/f)^1/2之间，尤其是对于较大半径，频率f被选择为使得振荡元件的宽度b介于(r_P·v_C/f)^1/2与3·(r_P·v_C/f)^1/2之间、并且特别优选地约为2·(r_P·v_C/f)^1/2之间，其中适用r_P＝r_o+c_o，r_o是内部的内半径，c_o是振荡元件区域中容器壁部段的最小壁厚，v_C是容器壁部段中的声速。在该情形中，也可以在构造时选择宽度b，使得在以预定频率f激励振荡元件时满足这一点。

如先前已经陈述的，有利的是，该装置具有换能器阵列，该换能器阵列至少包括振荡元件和在该振荡元件的区域中的容器壁部段、以及可能还有布置在该振荡元件的厚度方向上并且声学地耦合到该振荡元件和/或容器壁部段的另外的部件。在该情形中，容器壁部段具有在连接表面的中心区域中在振荡元件的区域中的最小壁厚c_o、以及在振荡元件的边缘区域中的最大径向壁厚c_max＝c_o+Δc，其中容器壁部段的等效平均壁厚c_equ由c_equ＝c_o+Δc/3来定义，并且最大径向壁厚c_max与最小壁厚c_o之间的差异Δc由振荡元件的宽度b经由关系Δc＝(b²/4+r_P ²)^1/2-r_P来确定，其中适用r＝r_o+c_o，并且r_o是圆柱形内部的半径。

因此，除了实际的振荡元件之外，换能器阵列还包括装置中在发射波的传播方向上声学地耦合到振荡元件的一个或多个固定部件。因此，换能器阵列包括实际的声音发射元件，即，振荡元件(即，优选地由交流电信号激励的压电板)、以及在厚度方向上(例如，通过接合)声学地耦合到该声音发射元件的所有固体层(例如，尤其是将连接表面区域中的容器与振荡元件声学地耦合)、以及可能地进一步声学地耦合的内转换或外转换、绝缘和/或保护层。因此，换能器阵列一般向内受限于要进行超声处理的分散层，而向外受限于环境空气，或者取决于实施例，受限于另一气态的、声解耦的固体或流体环境(例如，为了冷却换能器阵列的目的)。

在该上下文中，有利的是，换能器阵列的各层的厚度被选择为使得换能器阵列的自然共振频率f_er与超声场的期望频率f具有大于距离f_er,1-f_er,2,的五分之一的距离，其中f_er,1和f_er,2是相对于频率f的两个最接近的自然共振频率f_er。以此方式，可以防止注入的声能在相当大的程度上保留在换能器阵列中(即，保留在容器壁、一个或多个振荡元件以及可能地进一步声学耦合到这些部分的组件中)，而不是被发射到容器内部的流体中并且在那里对构建高效的声学驻波场做出贡献。

在这个意义上，还有利的是，频率f被选择为在换能器阵列的自然共振频率f_er之外，并且所选频率f到自然共振频率f_er的距离为大于距离f_er,1-f_er,2,的五分之一的距离，其中f_er,1和f_er,2是相对于频率f的两个最接近的自然共振频率f_er。

换能器阵列的自然共振频率是在没有介质的情况下(即，在容器内部没有流体的情况下)换能器阵列的共振频率。在没有介质的情况下，没有声能可以从换能器阵列发射到介质中，这意味着声学系统仍然仅限于换能器阵列，并且因此自然共振频率仅由换能器的几何和声学参数来确定。

与一般声学系统的所有共振频率一样，换能器阵列的自然共振频率的特征在于，在该频率下，由换能器阵列进行的有源功率消耗对于施加到振荡元件的外加激励信号而言处于最大值(即，在激励信号的某个电压或电流幅度处，或在由电信号放大器的输出阻抗所定义的某个其他电输出特性处)。

本质上，当在换能器阵列的总厚度上的半波数等于整数时发生换能器阵列的自然共振，其中总厚度是由振荡元件的厚度p、以及振荡元件区域中容器壁部段的等效厚度c_equ＝c_o+c/3、以及可能地换能器阵列的另外的层(如果存在)的厚度形成的。

换能器阵列的各层的厚度是指组成换能器阵列的那些层的厚度。在最简单的情形中，这意味着振荡元件和振荡元件区域中的壁部段的厚度，即，p和c_equ。如果另外的层是换能器阵列的一部分，则还意味着这些层的厚度。

为了避免在装置的操作期间激励换能器阵列(其可具有属于该换能器阵列的任何数目的层)的自然共振，特别有利的是，在振荡元件的厚度方向上声学地耦合的换能器阵列的各层的厚度被选择为使得换能器阵列的半波数κ满足以下条件：

κ＝1/2+n±Δn

其中n为自然数，并且公差值Δn至少小于0.3、优选地小于0.2、尤其优选地小于0.1，并且换能器阵列的半波数κ基本上由下式给定：

κ＝2f·(c_equ/v_c+p/v_P+d₁/v_d1+d₂/v_d2+...+d_i/v_di)

其中，v_c是在振荡元件的区域中在容器壁部段中的声速，v_p是在振荡元件中厚度方向上的声速，而d₁至d_i是厚度并且v_d1至v_di是换能器阵列在厚度方向上声学地耦合的另外的层(在存在的情况下)的声速，并且索引“i”是指示换能器阵列的这些另外的层的数目的自然数。

相应地，还有利的是，频率f被选择为使得换能器阵列的半波数κ满足以下条件：

κ＝1/2+n±Δn

κ＝2f·(c_equ/v_c+p/v_P+d₁/v_d1+d₂/v_d2+...+d_i/v_di)

其中，v_c是在振荡元件的区域中在容器壁部段中的声速，v_p是在振荡元件中厚度方向上的声速，而d₁至d_i是厚度并且v_d1至v_di是换能器阵列在厚度方向上声学耦合的另外的层(在存在的情况下)的声速，并且索引i是指示换能器阵列的这些另外的层的数目的自然数，并且换能器阵列至少包括振荡元件和在该振荡元件的区域中的容器壁部段、以及可任选地优选地布置在该振荡元件的厚度方向上并且声学地耦合到该振荡元件和/或容器壁部段的另外的部件。因此，对于自然数，0被包括在内，即，i＝{0；1；2；3；4；...}适用。

例如，如果换能器阵列仅由振荡元件和在该振荡元件的区域中声学地耦合到该振荡元件的容器壁部段组成(以下称为“简单换能器阵列”)，则有利的是，容器在振荡元件区域中的等效壁厚c_equ＝c_o+c/3和振荡元件的厚度p被选择为使得换能器阵列的结果所得的自然共振频率位于超声场的期望频率f之外。以此方式，可以防止振荡的注入能量保留在换能器阵列中，即，保留在容器壁、一个或多个振荡元件中。

此外，对于简单换能器阵列，特别有利的是，振荡元件区域中的等效容器壁部段的厚度c_equ＝c_o+c/3和振荡元件p的厚度被定制尺寸为使得在振荡元件以频率f被激励时，在这两层上延伸的四分之一波数尽可能接近奇数。这可高效地防止换能器阵列的自然共振频率受到冲击。

相应地，同样有利的是，频率f被选择为使得简单换能器阵列在等效壁厚c_equ和振荡元件的厚度p上延伸的四分之一波数尽可能对应于奇数。在该情形中，振荡元件p的厚度和振荡元件区域中容器壁部段的等效厚度c_equ可以在构造期间被选择为使得在以预定频率f激励振荡元件时满足这一点。

一个或多个在厚度方向上被极化的压电板可被选择为振荡元件。为了实现最佳可能的电气激励性，有利地选择板的厚度p，以使得该厚度在压电陶瓷的极化方向上基本上对应于半个波长或半个波长的整数奇数倍，以达到预期的操作频率f附近。

优选地规定，振荡元件的厚度p被选择为使得其基本上对应于半个波长，即，对应于值v_P/(2f)，其中，v_p是在振荡元件中厚度方向上的声速，和/或频率f被选择为使得振荡元件的厚度p基本上对应于值v_P/(2f)并且v_p是振荡元件中的声速。特别有利的是，振荡元件具有基本上恒定的厚度p，即其被设计为具有彼此平行的侧表面。以此方式，可以实现振荡元件被尽可能高效地操作。在该意义上还特别有利的是，频率f被选择为使得其是振荡元件的共振频率。

在该情形中特别有利的是，振荡元件的宽度b在(r_P·p·v_C/v_P)^1/2与4·(r_P·p·v_C/v_P)^1/2之间、优选地1.5·(r_P·p·v_C/v_P)^1/2与3.5·(r_P·p·v_C/v_P)^1/2之间、特别优选地2·(r_P·p·v_C/v_P)^1/2与3·(r_P·p·v_C/v_P)^1/2之间的范围中，以便获得容器内部中径向振荡模式的最佳激励性，其中r_P＝r_o+c_o适用，r_o是内部的内半径，c_o是振荡元件的区域中的容器壁部段的最小壁厚，并且v_C是容器壁部段中的声速。

此外，在该情形中，对于简单换能器阵列特别有利的是，振荡元件区域中容器壁部段的等效厚度c_equ＝c₀+Δc/3在该容器壁部段中近似对应于四分之一波长的整数奇数倍。相应地，优选地规定，在振荡元件的区域中容器壁部段的等效厚度c_equ＝c₀+Δc/3被选择为基本上对应于(p/2)(v_C/v_P)的整数奇数倍，和/或频率f被选择为使得等效壁厚c_equ＝c₀+Δc/3近似对应于(p/2)(v_C/v_P)的整数奇数倍，其中v_C是容器壁部段中的声速。在该情形中，等效壁厚c_equ还可以已经在构造容器期间被选择为使得在以预定频率f激励振荡元件时满足这一条件。

相应地，从优选的对应性p＝v_P/(2f)和关系Δc＝(b²/4+r_P ²)^1/2-r_P可以看出，在简单换能器阵列的振荡元件区域中的容器壁部段的最小厚度c_o优选地根据以下条件来确定：

c_o≈(2n+1)·p·(v_C/v_P)/2-((b²/4+r_P ²)^1/2-r_P)/3

其中(2n+1)是任何奇数的正整数。

此外可以规定，容器在振荡元件的区域之外并且至少在振荡元件的水平处具有壁厚c，该壁厚c近似对应于该容器壁部段中的四分之一波长的整数奇数倍。相应地也可以规定，频率f被选择为使得容器在振荡元件的区域之外并且至少在振荡元件的水平处的壁厚c近似对应于该容器壁部段中的四分之一波长的整数奇数倍。在该情形中，壁厚c还可以已经在构造期间被选择为使得在以预定频率f激励振荡元件时满足这一点。

换言之，c≈(2n+1)·v_C/4f适用。例如，将容器制造为壁厚约为四分之一波长的奇数倍的管子是有利的，因为即使在压电板范围之外，由于容器的自然共振行为引起的声学损失也可以由此被最小化。

附加层(耦合层)(例如，粘合层、由玻璃、陶瓷或金属制成的层、或者还有由超声凝胶形成的层)可以布置在振荡元件与容器壁部段之间。为了优化振荡行为，有利的是，换能器阵列的耦合层(其在厚度方向上声学耦合地布置在振荡元件与容器壁部段之间)的厚度d'1至d'j以及容器壁部段的最小壁厚c_o被选择为满足以下条件：

c_o/v_c+((b²/4+r_P ²)^1/2-r_P)/(3v_C)+d'₁/v_d'1+d'₂/v_d'2+..+d'_j/v_d'j＝p/v_P·(1/2+q±Δq)

其中，v_d'1至v_d'j是耦合层的声速，其中索引数j是指示布置在振荡元件与容器壁部段之间的换能器阵列的耦合层的数目的自然数，并且q是自然数，并且公差值Δq至少小于0.3、优选地小于0.2、特别优选地小于0.1。

相应地，还有利的是，至少一个耦合层布置在振荡元件与振荡元件的区域中的容器壁部段之间，容器壁部段的最小壁厚c_o以及耦合层的厚度d'被实施为满足以下条件：

其中，v_d'1至v_d'j是耦合层的声速，其中索引数j是指示换能器阵列的耦合层的数目的自然数，并且q是自然数，并且公差值Δq至少小于0.3、优选地小于0.2、特别优选地小于0.1。

还可以规定，耦合层具有可忽略的厚度，即，d'基本上等于0，或者没有设置耦合层，并且振荡元件与容器壁之间的声学通道以直接的方式(例如通过压制、抽真空或熔接)而被确保。

此外可以规定，在厚度方向上声学耦合的换能器阵列的外层(其布置在振荡元件的背离容器的一侧上)的厚度d"1至d"k被选择为使得满足以下条件：

d"₁/v_d"1+d"₂/v_d"2+...+d"_k/v_d"k＝p/v_P·(s±Δs)

其中，vd'1至vd'j是外层的声速，其中索引数k是指示换能器阵列的布置在振荡元件的背离容器的一侧上的外层的数目的自然数，并且s是自然数，并且公差值Δs至少小于0.3、优选地小于0.2、特别优选地小于0.1。

相应地，还可以规定，换能器阵列的声学耦合的外层布置在振荡元件背离容器的一侧上，其厚度d"1至d"k被选择为使得满足以下条件：

d"₁/v_d"1+d"₂/v_d"2+...+d"_k/v_d"k＝p/v_P·(s±Δs)

其中，v_d"1至v_d"k是这些外层的声速，其中索引数k是指示换能器阵列的外层的数目的自然数，并且s是自然数，并且公差值Δs至少小于0.3、优选地小于0.2、特别优选地小于0.1。

以此方式，可以实现最佳地保持振荡元件的电激励性。外层可以由各种各样的材料(诸如金属、玻璃或陶瓷)制成。其间的粘合层也可以代表外层。厚度是指其在振荡元件的厚度p方向上的厚度。如果设置若干层，则声学硬层和声学软层可以沿着其厚度延伸交替地布置。这在要实现与环境的声学隔离时尤为有利。声学硬(或声学软)是指具有与振荡元件相当或更高的声学阻抗(或更低的声学阻抗)的材料，其中声学阻抗由ρ·v给定，并且ρ指示密度(比重)并且v指示材料的声速。这些层优选地在振荡元件或毗邻的一个或多个层的整个侧面上延伸。自然数也再次包括0，作为进一步的结果，即，s＝{0；1；2；3；...}适用。

此外还可以规定，容器在振荡元件的区域之外以及至少在振荡元件的水平处具有壁厚c，其满足条件c＝v_C/2f·(1/2+m±Δm)，其中m为自然数，并且公差值Δm至少小于0.3、优选地小于0.2、特别优选地小于0.1。

相应地，还可以规定，频率f被选择为满足条件c＝v_C/2f·(1/2+m±Δm)，其中m为自然数，并且公差值Δm至少小于0.3、优选地小于0.2、特别优选地小于0.1，并且壁厚c是振荡元件区域之外的容器的壁厚。

为了激励振荡元件，可以规定，振荡元件连接到至少一个信号发生器，该至少一个信号发生器以至少一个频率f激励该振荡元件。信号发生器向振荡元件提供信号，该信号将振荡元件设置为进行所定义的振荡。例如，这可以是AC电压源，其以一个或多个频率激励作为振荡元件的压电元件。

特别有利的是，信号发生器具有用于至少测量所发射信号的电压幅度、或电流幅度、或电流和电压幅度之间的相位关系、或这些电气参量的组合的控制电路，并且被配置为将超声场的频率f微调到填充有流体的装置的共振频率f_opt，该共振频率由这些测得参量来确定。

相应地，还可以有利的是，信号发生器经由控制电路来至少测量所发射信号的电压幅度、或电流幅度、或电流和电压幅度之间的相位关系、或这些电气参量的组合，并且将频率f微调到填充有流体的装置的共振频率f_opt，该共振频率由这些测得参量来确定。

由于声学系统的电气激励性在整个声学系统的共振频率f_res(即，仅在内部中的流体中出现的共振频率)下特别高，因此(相对于在换能器阵列和/或容器的自然共振f_er下的激励)利用声学系统的共振频率f_res激励振荡元件是特别理想的。因此有利的是，操作频率f被调谐到位于换能器阵列的自然共振f_er的范围之外的声学系统的此类共振频率f_opt。这避免了在不进一步将能量传输到容器内部内的流体中的情况下使换能器阵列振荡。

在共振频率f_res被选为操作频率时，声学系统的有源功率消耗P_eff达到局部最大值P_max：

P_eff(f_res)＝P_max

在压电激励的情形中，共振频率的检测因此可以借助电气信号源与压电板之间的有源功率测量桥来执行；例如，通过对AC电压信号U(f)与AC电流信号I(f)的模拟乘法进行时间平均(用<>表示)，或者在正弦AC信号的情形中还通过测量电压幅度U_o(f)、电流幅值I_o(f)以及AC电压信号与AC电流信号之间的相位关系θ(f)：

P_max＝<U(f_res)I(f_res)>＝1/2U_o(f_res)I_o(f_res)cos(θ(f_res))

在通过外加的AC电气信号来激励时(即，在电压幅度U_o保持恒定的情况下)，整个声学系统的共振频率是整个系统的电导G(f)(即，在换能器之间，或在换能器阵列与反射器之间存在介质的情况下)在其处达到局部最大值的频率f_res：

P_max＝U_o ² G(f_res)

类似地，在通过外加的交流电流信号来激励时(即，在电流幅度Io保持恒定的情况下)，共振频率f_res是整个系统的电阻R(f)在其处达到局部最大值的频率：

P_max＝I_o ² R(f_res)

原则上有利的是，在构造装置或容器以及振荡元件之前，确定一个或多个优选的操作频率f或者要在其中操作该装置的频带。因此，上述计算可被用于计算容器和振荡元件的尺寸，以使得可以避免换能器阵列的自然共振并且确保最佳的能量传输。然而，由于共振频率f_opt的准确位置取决于大量参数，诸如在制造公差内的换能器阵列的准确尺寸、流体的温度或类型等，因此可以有利地在构造之后或者在装置的操作之前或期间确定最佳的操作频率f(即，声学系统的共振频率f_opt)，并且主要或仅以该频率来激励振荡元件。

该装置还可包括不止一个容器，其中这些容器优选地彼此并联连接，但也可以串联连接。以此方式，容器的大小可以保持较小，并且还可以实现待处理的流体量的增加。

振荡元件还可以连接到不止一个容器，由此激励不止一个容器。

优选地，容器至少在振荡元件的区域中由玻璃、优选地硼硅酸盐玻璃制成。同样优选地，容器由一个或多个生物相容性塑料制成。还可以规定，容器至少在振荡元件的区域之外由生物相容性塑料制成。

特别有利的是，容器可分离地连接到振荡元件，例如，声学耦合是经由超声凝胶来建立的。以此方式，容器可旨在单次使用，而振荡元件可被重复使用。这对于敏感物质(诸如营养介质中的生物活性细胞)特别有利，因为可以防止污染。

在下文中，将作为示例解释如何在给定期望操作频率的情况下根据本发明来确定用于生产用作容器的载体管的内半径以及一般和最小壁厚以及用作振荡元件的压电板的厚度和宽度的合适尺寸：

起始点是针对水性悬浮液的应用凭经验发现的约为1.7MHz的优选操作频率、定义近似大小的半径r_P＝17mm、以及针对静水压力抵抗所需的至少为4mm的载体管壁厚。

对于在振荡元件的水平处用作根据本发明的容器的载体管，技术硼硅玻璃选自数种可能的材料(玻璃、陶瓷、不锈钢、以及薄壁塑料(诸如PEEK、聚碳酸酯、聚乙烯和聚苯乙烯)、或其他例如生物相容性塑料、陶瓷或金属)。两个相同的镜像PZT压电陶瓷被选择为发声元件。

根据材料数据表，给出以下材料参数：

声速介质(水)：v_M＝1500m/s

载体管的声速：v_C＝5640m/s

压电板的声速：v_P＝4100m/s(对于该板的厚度p方向上的纵向振荡模式)。

由此得出：

振荡元件的厚度：p≈v_P/(2f)＝1.2mm

(用于压电振荡元件在其厚度振荡的基本模式下的最佳激励)

振荡元件的宽度：b≈2·(r_P·v_C/f)^1/2＝15mm

最小容器壁厚：c_o≈(2n+1)·p·(v_C/v_P)/2-((b²/4+r_P ²)^1/2-r_P)/3＝2.0mm

(对于奇数倍数2n+1＝3)

管壁厚：c≈(2n+1)·v_C/4f＝4.2mm

(对于奇数倍数2n+1＝5)

内半径：r_o＝r_P-c_o＝15mm

在下文中，将参考附图中所示的非限制性示例性实施例来更详细地解释本发明，其中：

图1A示出了具有方形横截面的现有技术容器；

图1B示出了图1A的容器的侧视图；

图2A示出了根据现有技术的具有圆形横截面和围绕该横截面连续延伸的振荡元件的容器；

图2B示出了根据现有技术的具有圆形横截面和围绕该横截面分布的多个弯曲振荡元件的容器；

图3A以横截面示出了根据本发明的装置的第一实施例中具有四个振荡元件的容器；

图3B以横截面示出了根据本发明的装置的第二实施例中具有两个振荡元件的容器；

图3C示出了图3B的实施例，其中详细指定了与本发明相关的几何尺寸；

图3D示出了振荡元件的一实施例；

图4示出了作为频率f的函数的第二实施例的电共振频谱；

图5A以横截面示出了根据本发明的装置的第三实施例中具有仅一个振荡元件的容器；

图5B示出了图5A的容器的侧视图；

图5C示出了第四实施例中根据本发明的装置的多个容器的阵列；

图6A以横截面示出了根据本发明的装置的第五实施例中具有三个振荡元件的容器；

图6B以横截面示出了根据本发明的装置的第六实施例中具有六个振荡元件的容器；

图6C示出了第七实施例中根据本发明的装置的多个容器的阵列；

图7A示出了第八实施例中根据本发明的装置的多个容器的阵列；

图7B示出了第九实施例中根据本发明的装置的多个容器的阵列；

图8A至8E示出了各个进一步实施例中根据本发明的装置的多个容器的阵列；

图9A以横截面示出了根据本发明的装置的第十实施例中具有仅一个振荡元件的容器；

图9B示出了第十一实施例中根据本发明的装置的根据图9A的多个容器的阵列；

图10A以横截面示出了根据本发明的装置的第十二实施例中具有仅一个振荡元件的容器；

图10B以横截面示出了根据本发明的装置的第十三实施例中具有两个相对振荡元件的容器；

图11A-11D示出了进一步实施例中利用根据本发明的装置的各种实现的示意图；

图12以剖视图示出了在一个实施例中具有两个容器的根据本发明的装置；

图13A以横截面示出了在一个实施例中具有插入的样本容器的根据本发明的装置；

图13B示出了图13A的实施例的纵向截面图。

图1A和1B解说了用于在填充有分散体100的容器1中产生平坦的驻波声场的典型现有技术声学装置。分散体100代表流体(分散体介质)和其中包含的颗粒(诸如细胞)。换能器阵列200由涂覆有电极表面的平坦压电振荡元件2和平坦容器壁10a形成。振荡元件2从外部声学上精确地耦合到容器壁10a(例如，通过接合精确限定的通常非常薄的层厚度或者通过插入的声学耦合凝胶或流体层)。相对的反射性的、同样平坦的容器壁10b用作声反射器壁并且以其内表面13b平行于换能器阵列的发射表面13a定向。在换能器壁10a与反射器壁10b之间，在分散体100中形成交替的波腹面111和波节面112的平行图案。毗邻波节与波腹间隔四分之一波长；波腹到波腹或波节到波节的间隔为半个波长。

取决于颗粒相对于分散体介质的声学对比度和比重，声辐射力将分散的颗粒(其可以是固态、液态或气态的)分别驱动到波腹面111和波节面112中。相应地，大多数固态颗粒(如本文中所示)被驱动到波腹面中，而气态颗粒(气泡)将聚集在波节面中。

在所解说的实施例中，声场是通过向振荡元件2的电极施加AC电压U～来产生的。如果半波长的整数倍适合声学系统(在本文中由换能器阵列分散体反射器壁形成)，则驻波场处于共振中，并且该系统可以特别高效地被激励。如果换能器壁10a与反射器壁10b之间的距离L显著大于换能器阵列或反射器壁的厚度，则毗邻共振频率之间的频率间隔Δf_res可以通过关系Δf_res＝v_M/(2L)来近似地估计，其中v_M是分散体100的介质的声速。

容器壁(换能器壁10a、反射器壁10b、侧壁10c)通常由玻璃或金属制成。作为用于衰减随机激励的横向驻波场的可能措施，侧壁的内表面13c在此示出为具有声学衰减涂层15。用于此类涂层的合适材料包括硅树脂、橡胶以及与介质相容的其他材料(诸如生物相容性塑料)。替换地，整个侧壁13c或所有容器壁在足够薄的情况下可以由因应用而异的合适塑料(例如，PEEK、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等形式)制成。同样，取决于材料，容器也可以被铸造、注塑、熔合或磨成一体。这些关于材料和缓冲涂层的实施例也可适用于根据本发明的实施例。

类似于图1A，图2A解说了根据现有技术的用于产生圆柱形驻波声场的装置的基本结构。容器1是圆柱形的并且在外壁12上被设计为压电管的同样圆柱形的振荡元件2连续地包围。圆柱轴或主轴H位于观察者的观察方向z上。换能器阵列200由压电管2和封装在其中且用作载体管的容器1形成。压电管和载体管彼此声学地耦合(例如，通过接合或通过插入的声学耦合凝胶或流体层)。在载体管内，在分散体介质或流体100中形成交替的波腹圆柱形壳表面111和波节圆柱形壳表面112的平行图案。毗邻的波节壳表面和波腹壳表面在流体100中间隔开四分之一波长；毗邻的波腹-波腹壳表面和波节-波节壳表面的间隔分别为二分之一波长λ/2。

在所解说的实施例中，声场是通过向压电管2的电极施加AC电压U～来产生的。如果半波长的整数倍适合声学系统(在本文中由换能器阵列介质形成)，则驻波场处于共振中，并且该系统可以特别高效地被激励。如果载体管1的内半径r_o显著大于换能器阵列200的壁厚，则毗邻共振频率之间的频率间隔Δf_res可以通过关系Δf_res＝v_M/(2r_o)来近似地估计，其中v_M是介质的声速。

由于圆柱形驻波场的同心激励，声能密度与圆柱轴之间的距离r成反比。由于增加的声能密度，圆柱轴H区域中的压力幅度和气穴风险也显著增加。特别是对于活细胞的分离，这对细胞的活性构成了风险。

图2B解说了从现有技术中已知的用于降低沿圆柱轴H的这种气穴风险的措施。在所解说的圆柱形装置的变型中，压电管被划分成四个圆柱壳段，从而产生横截面弯曲的四个振荡元件2A₁、2A₂、2B₁、2B₂。它们以两个相对的压电壳段的激励在时间上同步，但与其正交的一对压电壳段是异步的方式来电气接线。即，当压电壳段2A₁和2A₂膨胀时，压电壳段2B₁和2B₂收缩，反之亦然。这至少部分地补偿了朝向轴区域中的中心增加的声压幅度，并且降低了气穴的风险。

图3A示出了根据本发明的装置的容器1的根据本发明的可能的实施例变型，其中振荡元件2被设计为平坦的压电板并且(例如，通过接合)声学地耦合到保持平坦的、设计为载体管的容器1的外壁12的连接壁11。由此，内部14是如图2B所示的圆柱形，即，具有内半径r₀的圆形横截面。内部14由容器1的连续、平滑的内壁13界定。从外部看，容器1具有矩形、优选为正方形的横截面，从而导致四个平行或彼此成直角的平坦部分壁的外壁12。四个振荡元件2被布置在每个部分壁的中心，由此部分壁至少部分地用作连接表面。每个部分壁具有容器1在其处最薄的最小壁厚c_o，即，跨每个振荡元件2的宽度b和部分壁的中途。这导致振荡元件2与主轴H的径向距离r_p为r_p＝r_o+c_o。

图3B示出了根据本发明的第二实施例，其中容器1具有圆形外壳并且因此具有圆柱形外壁12。因此，容器1基本上是具有总壁厚c的中空圆柱体。在两侧上，外壁12被压平，从而产生两个平坦的连接表面11。在该实施例中，连接表面11彼此平行布置并且因此面向彼此。振荡元件2布置在每个连接表面11上，其优选地以相同频率f或相同频谱来激励。在两个相对侧上的此类布置对于由塑料制成的容器而言特别有利。因此可以防止由容器壁中的阻尼引起的容器内部14中波场的可能不对称。

为此目的，振荡元件2可以串联地电连接(如图所示)或者也可以并联地电连接，其中在图3B中，振荡元件的相应电接触的极性以振荡元件同步扩展或收缩的方式来选择。为此目的，振荡元件2背离容器1的一侧连接到信号发生器的第一信号电缆，而另一振荡元件2的面向容器1的一侧连接到第二信号电缆。振荡元件2的另一侧通过电缆相互连接。在该情形中，两个振荡元件2的负极化侧面向容器1。在图3A中可以看出，此类电互连当然也可以利用若干个振荡元件2。

由于多个振荡元件2的此类旋转对称布置，在两个相对布置的振荡元件2之间的区域中在分散体100内的内部14中发生围绕主轴H基本上径向形成的驻波场111，并且因此分散的颗粒被凝结。作为驻波场同样基本上径向形成但以相反的方式振荡的结果，横向于该区域也发生对应的凝结，由此在波区域之间的过渡区域113中可发生径向驻波场的减弱，但这对于装置的实际功能性而言是不显著的。

根据本发明，尽管具有平坦形成的振荡元件2，填充有流体的内部14内的基本上仍然主导的圆柱形驻波场的高效激励通过以下事实是可能的：振荡元件2具有宽度b，其大约基本上不超过关系b＝2·(r_P·v_C/f)^1/2。

根据本发明，宽度b小于3·(r_P·v_C/f)^1/2就足够了，并且优选地具有在(r_P·v_C/f)^1/2<b<2,5·(r_P·v_C/f)^1/2内的值，其中v_c是在振荡元件2的区域中在容器壁部段10中的声速。

对于用于在其厚度模式基频处激励的压电板用作振荡元件2的通常实际情况(即，振荡元件具有厚度p＝v_P/(2f)，并且v_p是在振荡元件2的厚度方向上的声速)，根据本发明的实施例的宽度b也被给定为小于4·(r_P·p·v_C/v_P)^1/2，或者优选地在范围1.5·(r_P·p·v_C/v_P)^1/2<b<3.5·(r_P·p·v_C/v_P)^1/2内。

图3C解说了根据本发明的实施例的进一步的关键几何尺寸，这在设计中必须被遵循，以便足够近似地优化圆柱形声场的激励，尽管使用了平坦的发声振荡元件2。板状振荡元件2具有厚度p并且经由厚度为d的耦合层23(例如，通过接合或通过插入的声学耦合凝胶或流体层)声学地连接到容器的外壁12的平坦连接表面11。因此，振荡元件与耦合层23和位于耦合层区域中的容器壁部段10一起形成在振荡元件2的厚度方向上声学耦合的换能器阵列200。由此，容器壁部段10在其中心具有最小壁厚c₀，并且在耦合层边缘处具有最大径向壁厚c_max＝c₀+Δc，其中c₀的径向壁厚扩大了Δc。在该实施例中，容器的总壁厚c大于c_max，因为耦合表面11被制成大于振荡元件2的宽度b，并且因此突出超过这些振荡元件。差值Δc由振荡元件(2)的宽度b经由关系Δc＝(b²/4+r_P ²)^1/2-r_P来确定。

定义属于换能器阵列200的容器壁部段10的等效厚度c_equ是有利的，该等效厚度c_equ由c_equ＝c₀+Δc/3给定，其基本上等于该容器壁部段10的平均径向壁厚。

根据本发明，在图3C所解说的实施例变型中，振荡元件2的厚度p、耦合层23的厚度d、以及容器壁部段10的等效厚度c_equ得到换能器阵列200的总厚度，以使得在换能器阵列200在期望的操作频率f处被激励时避免了换能器阵列200的自然共振的发生。这在振荡元件的厚度p、耦合层23的厚度d、以及容器壁部段10的等效厚度c_equ具有尽可能接近以下条件的值时实现：

2f·(c_equ/v_c+p/v_P+d/v_d)＝1/2+n,

这相当于在整个换能器阵列上沿厚度方向延伸的声波的半波数尽可能接近无自然数n(0,1,2,....)的条件。在此，v_c为在振荡元件2的区域中在容器壁部段10中的声速，v_p为在振荡元件2中的厚度方向上的声速，并且v_d为耦合层中的声速。

对于用于在其厚度模式基频处激励的压电板被用作振荡元件2的通常实际情形(即，振荡元件具有厚度p＝v_P/(2f))，并且在遵循根据本发明优选的且如关于图2A和图2B所解释的振荡元件2的宽度b时，尤其是在容器壁部段10的最小厚度c_o和耦合层的厚度d具有满足以下条件的值的情况下避免了换能器阵列的自然共振的激励：

c_o/v_c+d/v_d+((b²/4+r_P ²)^1/2-r_P)/(3v_C)＝p/v_P·(1/2+n±Δn),

其中n为自然数(0,1,2,....)，并且公差值Δn至少小于0.3、优选地0.2、尤其优选地小于0.1。

根据本发明，耦合层可具有如此薄以至于可以被忽略的厚度d，并且因此d基本上等于0。

在根据本发明的装置的优选实施例中，容器1围绕内部14但在连接表面11的区域之外的壁厚c满足以下条件：

c＝v_C/2f·(1/2+m±Δm),

其中m为自然数(0,1,2,....)，并且公差值Δm至少小于0.3、优选地为0.2、尤其优选地小于0.1。这相当于容器具有在该区域中不等于半波长的整数倍的壁厚c的条件。

对于振荡元件2是用于在其厚度模式基频处激励的压电板(即，振荡元件具有厚度p＝v_P/(2f))的通常实际情形，该条件也可被表达为：

c＝p·v_C/v_P·(1/2+m±Δm).

图3D解说了根据本发明的具有厚度p和宽度b的作为相同厚度p的两个压电板20a和20b的布置的振荡元件2的可能实施例之一，这两个压电板在相同平面上彼此毗邻并且在厚度方向上极化。这两个板20a、20b中的每一者都具有面向容器(在此未示出容器)的电极表面21a、21b和背离容器的电极表面22a、22b。为了电接触的可达性的目的，面向容器的电极表面21a、21b各自具有在背离容器的一侧上交叠的区域。

在本文中所示的实施例中，两个压电板20a和20b的电极表面21a、21b、22a、22b彼此串联地电连接，并且连接到电信号源U～。

应理解，在替换实施例中，振荡元件2可以仅具有单个压电板，或者可具有彼此串联、或并联、或以其适当组合电连接的任何数目的压电板的马赛克状布置，以实现振荡元件2的合适的总电阻抗以用于连接到信号源U～。此外，压电板可以在一侧或两侧具有多个单独的电极表面区域，这些电极表面区域进而以实现振荡元件2的合适的总电阻抗的方式彼此电连接。在多个压电板20a、20b被提供用于振荡元件2的情况下，它们可以直接彼此声学连接。为了该目的，可以规定，至少两个压电板与振荡元件的基体一起布置。就此而言，基体可以基本上仅在压电板之间的区域中延伸。这可能需要振荡元件的平均厚度p对应于压电板的厚度。替换地，可以不提供主体，并且压电板也可以仅经由容器声学连接。

此外，信号源U～与一个或多个压电板之间的电连接也可以由一个或多个具有合适电变比的信号变压器来支持，以提供适用于连接到信号源U～的振荡元件2的总电阻抗。

图4示出了如图3C所示的根据本发明构建的装置的频率响应，该装置具有根据本发明的遵循关于图3C提出的条件的尺寸：

振荡元件的宽度：b＝15mm

振荡元件的厚度：p＝1.2mm(在1.7MHz处的基本厚度模式)

最小容器壁厚：c_o＝2.0mm

总体壁厚：c＝4.2mm

容器的半径：r_o＝15mm且r_P＝r_o+c_o＝17mm

耦合层23由薄的流体固化的粘合剂制成，其厚度d仅为波长的百分之一量级，并且因此可忽略不计(d≈0)。振荡元件基本上仅包括一个压电板，由此该板的厚度和宽度代表振荡元件的厚度和宽度。

材料参数：

声速介质(水)：v_M＝1500m/s

载体管的声速：v_C＝5640m/s

压电板的声速：v_P＝4100m/s(对于压电板厚度p方向上的纵向振荡模式)。

第一曲线图901(细实线)代表声学系统300(填充有介质的容器1)的电导谱，第二曲线图902(粗虚线)代表换能器阵列200(空容器1)的电导谱。在利用具有主要外加电压幅度的交流电信号激励的情形中，第一曲线图901将等于声学系统300的共振谱，而第二曲线图912对应于换能器阵列200的自然共振谱。

在约1.7MHz的期望操作频率范围内，根据本发明作为生产的结果，在Δf_res≈v_M/(2r_o)＝50kHz的预期间隔处发生强烈明显的径向共振频率f1、f2和f3。这些径向共振频率f1、f2、f3以及在有限程度上的f4从剩余的非径向背景共振行为中显著突出(通常可通过较小但密集且不规则的共振峰识别)，这在换能器阵列的自然共振频率f_er1(在1550kHz处)和f_er2(在1900kHz处)附近的频率范围911和912中尤为明显。

根据本发明，在与这两个最近的自然共振频率f_er1和f_er2距离大于70kHz(对应于这两个自然共振频率之间的频率间隔的约20％或五分之一)的情况下，声学系统300的共振频率f1、f2、f3和f4也足够远离换能器阵列的自然共振频率，其中距离超过105kHz(对应于这两个最近的自然共振频率f_er1和f_er2之间的频率间隔的约30％)，频率f1、f2、f3优于f4；并且在这些之中频率f1和f2进而具有超过140kHz的间隔(对应于这两个最接近的自然共振频率f_er1与f_er2之间的频率间隔的约40％)。

优选地，交流电信号源包括用于以下操作的装置：(1)检测共振频率(诸如通过直接测量由容器1吸收的有源电功率，从而检测存在所吸收的有源功率的局部最大值的频率)和/或

(2)自动频率调谐到由声学系统300吸收的最大有源电功率的此类共振频率。

因此，利用此类设备，可以手动或甚至自动地将操作频率f微调到声学系统300的最接近地匹配设计所基于的假设操作频率(在该示例中，1.7MHz)的优选共振频率。

值得注意的是，在所呈现的示例中，仅在约1650至1750kHz的相对较窄的频率范围910内形成明显且很大程度上无模式的径向共振；明确指示仅针对1.7MHz附近的这个窄频率范围在径向方向上构建很大程度上纯模式的圆柱形驻波场，其中不发生与取决于其他尺寸的驻波场的显著耦合。

应强调，在从1400kHz至2050kHz的整个测量范围上，径向驻波声学圆柱场的深远纯模式激励仅在f1、f2和f3处(即，在约15个可能的径向共振频率中的仅3个处)是可能的；因此，在仅随机选择压电板的宽度b和厚度p的值以及载体管的最小壁厚和其他壁厚(c_o和c)的情况下，不太可能在纯粹通过频率调谐之后找到纯模式径向共振频率，该纯模式径向共振频率将足够接近1.7MHz附近的期望操作范围，并且同时将足够远离换能器阵列的自然共振。这强调本发明确实是一种装置。

对于具有较小圆柱形内直径14(通常在操作频率处在介质中小于50个波长)的容器1，足以供许多仅弱衰减的分散体(诸如固体含量通常<10％v/v的水悬浮液)仅在一侧激励声学系统300。作为示例，图5A和5B解说了容器1的此类仅一侧配置，该容器1被设计为圆柱形管，其中仅在一侧具有压电激励。根据本发明的用于设计振荡元件2的厚度和宽度以及载体管的一般壁厚和最小壁厚(即，针对b、p、c和c_o)的准则保持如关于图3C所描述的那样。

就此而言，在图5B中可见，振荡元件2在容器1的具有圆形横截面的部段的主要部分上延伸。然而，在该情形中，振荡元件2未延伸到这些部段的端部——连接表面11也没有延伸那么远——但是这可以在替换实施例中提供。这也适用于具有若干个振荡元件2的其他实施例。

图5C解说了通过平行地布置各自装配有振荡元件2的多个圆柱形容器管1来增加总流动横截面的一种方式。替换地，当然，在其他实施例中，可以提供多个振荡元件2的装配。如果所有容器管1和振荡元件2具有相同的构造，则振荡元件2可以电互连(例如串联、并联或其组合)并且通过共用的交流电信号操作。为了所有此类平行声学系统300在由共用电源操作时的均匀分离性能，有利的是，载体管1的内直径彼此相差至少不超过0.3％、优选地不超过0.1％；并且载体管1的最小壁厚c_o和振荡元件2的厚度p彼此相差至少不超过5％、优选地不超过2％。个体容器管1在其端部处固定在两个接收板30中。

图6A和6B作为示例示出了根据本发明的具有来自不止2个方向的声学激励(在此分别为3个和6个方向)的进一步实施例。来自3个或更多个方向的所有这些星形激励形式的共同之处在于，压电板具有相同的大小，这些压电板相对于载体管的圆柱形内部14的轴旋转对称地布置，并且对于振荡元件2和容器的尺寸(即，对于所述b、p和c_o)，如在关于图3C所描述的情形中应用根据本发明的相同的几何准则，以使得可以同样形成基本上圆柱形的声驻波场，其在所有激励方向上的旋转对称的波腹/波节周期性可以再次基本上单独由一维径向维度r描述。

在图6A-C所示的实施例中，振荡元件具有相同的厚度p和相同的宽度b。然而，在替换实施例中，也可以提供不同大小的振荡元件。

图6C解说了根据图6B的若干个平行声学容器1作为增加总流动横截面以及在共用交流电信号上操作时的进一步均匀声能分布的方式耦合成经由振荡元件2声学耦合的蜂窝状布置。就此而言，两个容器1毗邻于每个振荡元件2，其中位于蜂窝状结构内部的每个容器1毗邻于总共六个振荡元件2。

图7A解说了通过声学耦合在共用块中并排钻出的多个圆柱形声学体积来增加总流动区域的另一种方式。换言之，多个容器包括具有共用外壁12的共用外壳。这导致容器5的阵列，其中六个容器1在横截面中围绕中央容器1均匀分布，因此与其毗邻的容器1成60°角。外壁12具有振荡元件2布置在其上的连接表面11，其中连接表面围绕中心容器1与各容器1对应地同样均匀地布置。所有容器1具有相同的内半径r₀、以及因此相同的内部14，并且所有振荡元件2具有相同的尺寸。当两个毗邻容器2之间的等效壁厚c₁+2·Δc/3对应于半波长的整数倍时(即，优选地近似对应于关系c₁+2·Δc/3＝n·v_C/(2f)时)，实现最佳声耦合。

作为对比，优选地，从外部限制容器阵列的外壁12在声学上尽可能不透明。例如，这可以通过从整个容器壁移除不必要的体积(诸如图7A中标记为“A”的区域)来实现，并且剩余的等效壁厚(例如，在所示的情形中，c₂+2·Δc/3)对应于四分之一波长的奇数倍，即，c₂+2·Δc/3＝(2n-1)·v_C/(4f)。所有其他的特征尺寸(b、p和c_o)优选地对应于已经关于图3A至3C所讨论的情形。

图7B解说了作为进一步扩大流动横截面并且此外在共用电交流信号上操作时尽可能均匀地分布声能的可能性如例如在图7A中的若干个容器阵列5的可能声学耦合之一。在该情形中，对应于图6C，振荡元件2各自声学连接到两个容器阵列5，由此产生蜂窝状结构。

图8A-8E进一步解说了根据本发明将多个声学圆柱体声学地耦合以在共用交流电信号上操作时增加流动横截面和均匀声能分布的许多可能性。在此，与先前讨论的相同的准则优选地适用于特征尺寸b、p、c_o、c₁、c₂。图8A示出了具有均匀布置在外壁12上的振荡元件2的复合容器5的实施例，而图8C的实施例在两侧中的每一侧上仅具有两个振荡元件2，每个振荡元件与容器1相关联。应强调，任一容器1都可以经由振荡元件2耦合到单独的壳，例如参见图8B。另一方面，容器阵列5也可以经由振荡元件2彼此耦合，参见图8D和图8E。

图9A解说了由振荡元件2和容器壁部段10以及另外的声学耦合层23a、23b、24、25、26形成的换能器阵列200的一般结构，其中一个或多个耦合层23a、23b、24可以布置在基本上由压电板20组成的振荡元件2的面向容器的一侧21与容器壁部段10之间。这些耦合层23a、23b、24可以是必要的，以便例如借助粘合层23a将振荡元件2固定到驻定的支撑板24上，而不是将振荡元件2永久地直接接合到容器壁10上，以便能够经由该支撑板将容器1声学地耦合到振荡元件2以仅用于临时使用(例如，其中凝胶层23b用作接合层并且施加到支撑板24上)。例如，这使得能够由塑料材料制造容器1以供单次使用，但提供振荡元件2以供频繁使用。就此而言，接合层23a和/或23b可以薄到可忽略不计。

类似地，一个或多个外层25、26可以布置在振荡元件2的在振荡元件2的厚度方向上背离容器1的一侧22上。这可用于例如出于声学对称的原因经由连接层26向外部向振荡元件2施加反质量25。然而，外层25、26还可用于例如将振荡元件2向外与周围的冷却液电绝缘和/或声绝缘。外层25、26由此可以一方面代表绝缘层25并且另一方面代表连接层26(例如由粘合剂制成)。连接层可以薄到可忽略不计。外层25、26是换能器阵列200的声学耦合层。

类似于图3C中所解说的简单情形，根据本发明，如图9A所解说的多层换能器阵列200的声学耦合层2、10、23a、23b、24、25、26具有的厚度使得没有换能器阵列的自然共振位于期望操作频率f附近，并且优选地占据与期望操作频率f尽可能大的频率间隔，因此各层的厚度尽可能接近以下条件：

2f·(c_equ/v_c+p/v_P+d₁/v_d1+d₂/v_d2+...+d_i/v_di)＝1/2+n n＝{0,1,2,3,...},

其中，v_c是在振荡元件2的区域中在容器壁部段10中的声速，并且v_p是在振荡元件2中厚度方向上的声速，而d₁至d_i是厚度并且v_d1至v_di是换能器阵列200在厚度方向上声学耦合的另外的层23a、23b、24、25、26的声速，并且索引“i”是指示换能器阵列的这些另外的层23a、23b、24、25、26的数目的自然数。

此外，在优选实施例中，耦合到振荡元件2的背离容器的一侧22的一个或多个外层25、26的厚度本身尽可能满足以下条件：

2f·(d"₁/v_d"1+d"₂/v_d"2+...+d"_k/v_d"k)＝s s＝{0,1,2,3,...},

这相当于以下条件：如果可能，则整数半波数落在这些外层25的总厚度上，其中d"₁至d"_k是厚度并且v_d"1至v_d"k是这些外层25、26的声速，并且索引号“k”是指示这些外层数目的自然数。

对于压电板被用于在其厚度模式基频处激励的振荡元件2(即，振荡元件具有厚度p＝v_P/(2f))的通常实际情形，后两个条件也可被表达为：

(c_equ/v_c+p/v_P+d₁/v_d1+d₂/v_d2+...+d_i/v_di)＝p/v_P·(1/2+n±Δn),

以及(d"₁/v_d"1+d"₂/v_d"2+...+d"_k/v_d"k)＝p/v_P·(s±Δs),

其中n＝{0,1,2,3,...}且s＝{0,1,2,3,...}，其中公差值Δn和Δs各自至少小于0.3、优选地0.2、尤其优选地小于0.1。

振荡元件2的宽度b优选地对应于已经关于图3A至3C所讨论的情形。

图9B示出了根据本发明的可能的实施例变型，其中具有换能器阵列200的若干相同构造的管状容器1平行布置并且被共用冷却介质400包围。在该情形中，换能器阵列200除了容器壁部段10和振荡元件2之外还具有(经由厚度可忽略的耦合层)声学地连接到振荡元件的背离容器壁的一侧的两个另外的层25a和25b。就此而言，这两个外层25a和25b的材料被选择为使得位于最外层25b与振荡元件2之间的层25a具有比振荡元件2和最外层25b显著更低的声学阻抗。这提供了使声能向周围介质400的不想要传输最小化的声学隔离效果。优选地，这两个外层25a和25b各自具有与期望操作频率f处的四分之一波长的奇数倍相对应的厚度。

图10A示出了根据本发明的可能的实施例变型，其中换能器阵列200包括容器壁部段10、振荡元件2、中间支撑板24、在振荡元件2与支撑板24之间的可忽略的(因此未示出的)薄粘合层、以及在支撑板24与容器壁部段10之间临时施加的耦合层23。该实施例允许容器1(例如利用声学透明凝胶23)声学地耦合到支撑板24以仅临时用于操作。这例如在容器旨在仅供一次性使用，但振荡元件被设计用于频繁操作的情况下可以是有用的。

在该情形中，根据本发明，容器壁部段10、耦合层23、支撑板24和振荡元件2各自具有满足已经关于图9A所讨论的准则的厚度。振荡元件2的宽度b和容器1的壁厚c优选地对应于已经关于图3A至3C所讨论的情形。

图10B示出了根据本发明的作为图10A中呈现的装置的两侧变型的另一可能实施例变型，其中换能器阵列200镜像对称地围绕可拆卸容器1布置。图10A的该两侧变型在可拆卸(一次性)容器由显著抑制声学的材料(例如，塑料)制成时特别有用，并且因此声学振荡的仅单侧输入不能充分确保入射波和反射波的对称性以产生分散体100内的高效驻波场。所有特征尺寸(b、p、c_o和c)优选地对应于已经关于图10A所讨论的情形。

图11A-11D解说了在实际使用中可以实现根据本发明的装置的众多方式中的一些方式。

图11A解说了实现根据本发明的用于从分散体100中分离分散体介质的装置的简单方式，其中分散的颗粒具有比分散体100的介质更高的比重(诸如在营养介质中分散的生物细胞的情形)。

在所解说的布置中，容器1形成具有振荡元件2的换能器阵列200。换能器阵列200、容器1的相对声学反射壁和位于容器内部14中的分散体100形成声学系统300。容器2中直接位于声学系统300之下的影响区域16直接浸入分散体100中，而无需任何进一步的管道或软管布线。泵62连接到容器1中位于声学系统300之上的流出区域17。当泵62在正向方向上操作时，分散体100基本上与重力800相对地从容器50吸入声学系统300。信号发生器4电连接到振荡元件2并且在声学系统300中以频率f激励驻波超声场。这导致在波腹区域110中的分散颗粒的固定和凝结，并且可能导致形成颗粒聚集体。

在换能器阵列200的高度处，容器1在影响横截面中相对于其影响区域16没有显著变化，以使得一旦颗粒凝结体110(或可任选地，颗粒聚集体110)的区域已经达到允许其克服声学力(以及，可任选地，分散体100流入容器1的流体动力夹带力)的大小(或重量)，由声场引起的颗粒凝结体110就可以在重力800的影响下直接沉降回容器50，而不受容器1的影响区域16中的任何压缩的阻碍。

通过由定时器或中央过程控制单元40周期性地关闭信号发生器4可以附加地辅助通过重力800从声场中沉淀颗粒凝结体110，在此期间超声场可以附加地被中断，泵62也可以停止或反向操作，以使得具有累积较高颗粒浓度的分散体区域101更高效地冲回到声学系统300之中和之下的容器50中。

与图11A相反，图11B中所解说的示例性布置具有变窄的流入孔口16，其允许例如使用容器1与分散体容器50之间的管道或软管来操作在距分散体容器50的更大距离处的声学系统300。就此而言，与泵62的反向同步的关于图11A所描述的信号发生器4的可任选周期性关闭成为例如由过程控制单元提供的必要过程步骤40，以将集中的分散体101冲回到分散体容器中。

图11C解说了图11B中所示的实施例变型的典型扩展，其中容器1除了下流入/流出区域16和上流入/流出区域17之外还提供了基本上设置在声学系统300之下以及下端口16之上的侧向流入端口18。泵60将分散体100从容器50输送通过侧向流入端口18并且进入容器1，其中泵60的流速率被选择为小于泵62的输送管线，由此允许经由下流出区域16连续高效地将富含颗粒的分散体101回送到分散体容器50中。

可任选地，保留在声场中的颗粒凝结体110的沉淀可以通过周期性地关闭信号发生器4(也可能在泵62的同步反向之际)进一步促成(如图11A中已经可任选地呈现)。进一步可任选地，可以规定，颗粒浓缩物101不返回到原始分散体容器50中(例如，如可用于在生物反应器中应用细胞滞留)，而是收集在单独的容器51中(例如，如在对颗粒浓缩物101的回收而非或不仅是纯化的介质102的回收感兴趣时是有用的)。作为示例，提到了生物反应器“收获”的应用，其中在细胞培养运行完成后，必须从用作分散体容器50的生物反应器的全部内容物(即，从整个细胞悬浮液100)中分离出尽可能多的细胞(也称为“生物质”)，以便将不含生物质的介质102供给到进一步的生物技术下游过程。将已经分离的细胞浓缩物101返回到生物反应器并且因此将其与仍待处理的细胞悬浮液100重新混合当然是不切实际的。

尤其是如果在下流出孔口16处实现尽可能高的(或精确限定的)颗粒浓度的分散体101很重要，则代替侧向流入18的回路中的泵60(或者替换地代替在上流出孔口17处的泵62)，使用在下流出孔口16与用于浓缩物的其自己的收集容器51之间的泵61可以是有用的。以此方式，从中取出的浓缩物101的流速(以及因此的颗粒浓度)不取决于泵60和62的流速之间的差异，而是由泵61的可直接限定的流速来确定(这尤其是对于较小的流速更为准确)。例如，如果要以受控方式从生物反应器50中取出一定量的生物细胞(例如，为了不让分散体容器50中的细胞悬浮液100的浓度升高超过一定限度)，则尤其重要的是尽可能少地损失介质，并且因此借助在下排放区域16的孔口处精确限定的输送速率在收集容器51中获得尽可能高浓度的细胞悬浮液101，为此目的，在该孔口处使用泵61是特别有利的。

图11D解说了具有(如图11C中已经呈现的)侧向流入18的替换布置。然而，在该布置变型中，图11C中所示的侧向泵60被省去，而是替代地在分散体容器50与容器1之间的流入管线中提供阀72。此外，还在下排放区域16与分散体容器50(或者替换地用于浓缩物的单独收集容器51)之间的排放管线中提供阀51。此外，除了将滤液102从容器1的上孔口区域17输送到滤液收集容器52中的泵62之外，还提供了另外的泵61，该泵61在被激活时从冲洗源70(也可能经由未示出的单独端口)将适用于特定应用的流体或气体的冲洗介质冲入上孔口区域17。因此，通过对泵61和62、阀71和72以及信号发生器4的适当控制，可以经由控制单元40实现以下操作状态：

正向模式：泵61关闭，阀71关闭

泵62打开，阀72打开

信号发生器4激活

回洗模式：泵61打开，阀71打开

泵62关闭，阀72关闭

信号发生器4停用

在正向模式中，分散体100从容器1经由侧向端口18流到声学系统300。由超声场凝结的颗粒区域110作为颗粒浓缩物101沉淀到下端口区域16中，其中可以形成颗粒浓缩物101以及至少部分地可能还有颗粒沉降物103。

在回洗模式中，所形成的颗粒浓缩物101与也可能已经形成的任何沉降物103一起被冲入分散体容器50中，或者替换地被冲入专用收集容器51中。

图11D中呈现的装置的特别优点在于，它避免了对载有颗粒的分散体100、101的泵送，因为泵62仅输送已去除了颗粒的分散体流102。这在生物技术应用中特别有利，因为泵送细胞培养悬浮液可能造成对悬浮的活细胞的损坏。

根据图11A-11D的所有设备，当然不仅限于这些图中所示的根据本发明的装置的可能实现形式，当然也可以包括若干个振荡元件2和换能器阵列200。这些可以均被布置在容器1的基本上相同的高度处并且因此是由相同信号发生器4激励的共用声学系统300的一部分，并且还可被布置在容器1的不同高度处并且因此是它们自己的声学系统的一部分，随后也可能在不同频率处由不同信号发生器激励。

取决于特定应用，除了图11A-11D中所示的布置之外，围绕声学系统的泵、阀和可能的附加(可任选地加宽或锥形)入口和出口端口的各种其他配置当然也是可能的。作为示例，这包括如关于WO 2017/063080 A1的附图所描述的相同或相似的布置、以及当然从已知的或容易从先前提到的那些和从其他来源推导出的其他替换配置。

此外，图11A至11D的示例性装置相对于重力方向800的定向使得能够保留或分离具有比分散体100的介质更高比重的分散颗粒。显然可以相对于重力旋转180度地布置这些和类似的装置，以能够保留或分离具有比分散体100的介质更低比重的分散颗粒，这对于通过沉降或浮选进行分离的本领域普通技术人员来说是显而易见的，并且由此被揭示。

图12是作为(诸如可在图11C和11D中描述的布置中使用的)根据本发明的装置的纵向截面的示例性详细解说。

图12中呈现的装置的可能横截面已经基本上呈现在图9B中。相应地，该装置由根据本发明的六个相似的声学系统300组成并且在相同的高度处平行操作，这些声学系统中的每一者包括形成为圆柱形管的至少一个容器1和振荡元件2。根据本发明，每个振荡元件2与位于其区域中的容器壁部段(以及可能地具有相对于可能的冷却介质400具有声学和电绝缘效果的另外的层)一起形成相同的换能器阵列200，以使得(如果需要)所有6个平行声学系统300也可以按相同频率由共用信号发生器激励。

根据图12，分散体100通过侧向流入端口18流入装置，并且由在此设计为圆柱形漏斗的流入分配器19在该装置的设计为沉降漏斗的共用下孔口区域16的所有方向上尽可能均匀地分布。在所有六个声学系统300的相应容器管1的内部的声驻波场中(在图12中，这六个声学系统300中的两个在横截面中可见)(这些声学系统被布置在流入分配器19之上，并且根据本发明的设计为圆柱形)，出现凝结有颗粒的区域110，其随后可作为分散体浓缩物101在装置的孔口区域16的最低点处被移除。同时，清除了颗粒的分散体介质102可以经由共用的上流出区域17从装置中移除。

图13A和13B示出了根据本发明的用于通过沉降103(或者通过浮选，如果分散颗粒的比重小于分散体介质的比重)从存在于样本容器31中的分散体100中分离分散颗粒的另一装置的横向和纵向截面。在该情形中，样本容器31尽可能与根据本发明基本上为圆柱形的容器1的内部的主轴H同轴地被引入到该内部，其中样本容器31优选地也具有圆柱形的形状。在所示的实施例中或在另一有利的实施例中，可以提供间隔件33以确保样本容器31与容器1的内壁之间的中间空间32尽可能恒定。中间空间32本身填充有声学透明流体或凝胶以在样本容器31与容器1的内壁之间提供声学耦合。可以提供这种或其他便利设计的入口和出口39以确保中间空间32中的液位至少与要在样本容器31中进行超声处理的分散体100的区域一样高。

图13B中所示的实施例提供了一个在另一个之上布置的三个声学系统300A、300B和300C，每个声学系统通常由两个换能器阵列200A-200A、200B-200B和200C-200C(其相对于容器1的内部的主轴H彼此对称地相对)界定，并且进一步包括中间空间32中的流体或凝胶的相应中间部段和样本容器31的壁、以及相应声学系统的水平处的分散体100的相应部段。根据本发明，换能器阵列200A、200B和200C分别由振荡元件2A、2B、2C以及容器1的壁在相应振荡元件的区域中的相应部段形成。

在所解说的情形中，三个声学系统300A、300B和300C各自由具有相应的交流电信号U_A～、U_B～和U_C～的信号发生器4A、4B、4C驱动。样本容器31相对于这些信号的三个频率的壁厚(反之亦然)优选地设置为对应于样本容器31的壁中针对这三个频率中的每个频率的半波长的近似整数倍，以便提供通过样本容器31的壁的均匀的声学透明度。这对于由玻璃或声学上更硬的材料(诸如金属)制成的样本容器31而言尤其如此。另一方面，在样本容器31由塑料(诸如用于单次使用的目的)或其他吸声材料制成的情形中，样本容器31的壁优选地应做得足够薄以确保足够的机械稳定性。在该情形中，根据半波长的样本容器31的壁厚的条件是次要的。由塑料制成的样本容器31的合适壁厚通常在1mm或更小的范围内。

在图13B所示的情形中，所有信号发生器4A、4B、4C由中央控制单元激活和停用。在该情形中，声学系统300A、300B和300C(作为许多替换方案之一)中的超声场的此类个体激活/停用可以例如以周期性重复的序列A-B-C-A-B-C-……提供，以使得首先在最高声学系统300A中形成驻波场并且首先在那里形成颗粒凝结体和/或颗粒聚集体110的区域，这些颗粒凝结体和/或颗粒聚集体随后可以通过随后激活声学系统B(在系统A被关闭时)以及随后C(在B被关闭时)中的较低的超声波场以受控方式下降，以使得最终在系统C停用之后，在样本容器31的底部形成特别密集的沉降物103。

作为示例描述的声学区域A-B-C的顺序激活/停用可以通过例如以下方式来优化：提供同时激活两个或所有三个区域或在时间上交错停用的情况下一般同时激活区域A、B、C的周期；或者以沉降颗粒凝结体和/或颗粒聚集体110的此类最小化再悬浮来优化分散颗粒的此类加速沉降的声学系统300A、300B、300C的激活/停用状态的任何其他适当组合。

替换地，代替具有三个声学系统300A、300B、300C，如图13A和13B所示的根据本发明的装置可具有仅两个、一个或不止三个声学系统。

替换地，可以省略控制系统40，并且可以激活一个或多个声学系统中的超声场达固定历时。

此外，分散在分散体100中的颗粒可具有比分散体100的分散体介质更低的比重，在该情形中，不会发生颗粒沉降103到样本容器31的底部，而是颗粒通过抵抗重力800的浮选而沉淀到表面。

Claims

1.一种用于在流体(100)中产生具有频率f的驻波超声场、尤其是用于集中、固定或操纵所述流体(100)中的分散颗粒或用于保留或分离来自所述流体(100)的分散颗粒的装置，所述装置包括：用于接纳所述流体(100)的基本上尺寸稳定的容器(1)；以及声学地连接到所述容器(1)的外壁(12)且能以所述频率f激励的至少一个振荡元件(2)，

其中，所述容器(1)至少在所述振荡元件(2)的区域中具有用于接纳流体的具有内半径r_o的基本上为圆柱形的内部(14)，

并且其中所述振荡元件(2)在与所述内部(14)的主轴(H)正交的方向上具有平均厚度p和宽度b，其中所述宽度b不大于内直径2r_o，

其特征在于，所述振荡元件(2)具有至少一个基本上平坦的侧表面(21)，并且所述振荡元件(2)经由所述平坦的侧表面(21)声学地连接到所述容器(1)的外壁(12)在所述圆柱形内部(14)的区域中的基本上平坦的连接表面(11)，其中所述连接表面(11)与所述圆柱形内部(14)的主轴(H)和所述振荡元件(2)两者平行地布置。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述振荡元件(2)具有在厚度方向上极化并且与所述圆柱形内部(14)的主轴(H)平行地对齐的至少一个压电板(20)，并且所述压电板(20)具有与所述厚度方向垂直的电极表面。

3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述振荡元件(2)在与所述内部(14)的主轴(H)平行的方向上具有为厚度p的至少两倍大、优选地至少三倍大的长度，并且所述振荡元件(2)的宽度b为厚度p的至少两倍大、优选地至少三倍大。

4.如权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，所述振荡元件(2)具有与所述振荡元件(2)的平均厚度p相对应的基本上均匀的厚度。

5.如权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于，所述容器(10)的外壁(12)在所述圆柱形内部(14)的区域中除了所述至少一个连接表面(11)之外具有基本上圆柱形的形状。

6.如权利要求1至5中任一项所述的装置，其特征在于，所述振荡元件(2)的宽度b小于或等于3·(r_P·v_C/f)^1/2、优选地在(r_P·v_C/f)^1/2与2.5·(r_P·v_C/f)^1/2之间、特别优选地在1.5·(r_P·v_C/f)^1/2与2·(r_P·v_C/f)^1/2之间，其中适用r_P＝r_o+c_o，r_o是所述内部(14)的内半径，c_o是所述振荡元件(2)的区域中的所述容器壁部段(10)的最小壁厚，并且v_C是所述容器壁部段(10)中的声速。

7.如权利要求1至6中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置具有换能器阵列(200)，所述换能器阵列(200)至少包括所述振荡元件(2)和在所述振荡元件(2)的区域中的容器壁部段(10)、以及可任选地声学地耦合到所述振荡元件(2)和/或所述容器壁部段(10)并且优选地布置在所述振荡元件的厚度方向上的另外的部件，其中所述容器壁部段(10)在所述连接表面(11)的中心区域中在所述振荡元件(2)的区域中具有最小壁厚c_o、以及在所述振荡元件(2)的边缘区域中具有最大径向壁厚c_max＝c_o+Δc，并且所述容器壁部段(10)的等效平均壁厚c_equ由c_equ＝c_o+Δc/3来定义，其中所述最大径向壁厚c_max与所述最小壁厚c_o之间的差异Δc由所述振荡元件(2)的宽度b经由关系Δc＝(b2/4+r_P2)^1/2-r_P来确定，其中适用r＝r_o+c_o，并且r_o是所述圆柱形内部(14)的半径。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述换能器阵列的各层的厚度被选择为使得所述换能器阵列的自然共振频率f_er与所述超声场的期望频率f具有大于距离f_er,1-f_er,2的五分之一的距离，其中f_er,1和f_er,2是相对于所述频率f的两个最接近的自然共振频率f_er。

9.如权利要求7或8所述的装置，其特征在于，在所述振荡元件的厚度方向上声学地耦合的所述换能器阵列(200)的各层的厚度被选择为使得所述换能器阵列(200)的半波数κ满足以下条件：

κ＝1/2+n±Δn

其中n为自然数，并且公差值Δn至少小于0.3、优选地小于0.2、尤其优选地小于0.1，并且所述换能器阵列(200)的半波数κ基本上由下式给定：

κ＝2f·(c_equ/v_C+p/v_P+d₁/v_d1+d₂/v_d2+...+d_i/v_di),

其中，vc是在所述振荡元件(2)的区域中在所述容器壁部段(10)中的声速，vp是在所述振荡元件(2)中厚度方向上的声速，而d1至di是所述换能器阵列(200)在所述厚度方向上声学耦合的另外的层(23、24、25、26)的厚度并且vd1至vdi是所述换能器阵列(200)在所述厚度方向上声学耦合的另外的层(23、24、25、26)的声速，如果存在这些另外的层的话；并且索引“i”是指示所述换能器阵列的这些另外的层(23、24、25、26)的数目的自然数。

10.如权利要求1至9中任一项所述的装置，其特征在于，所述振荡元件(2)的厚度p被选择为基本上等于值v_P/(2f)，其中v_p是在所述振荡元件(2)中厚度方向上的声速。

11.如权利要求1至10中任一项所述的装置，其特征在于，所述振荡元件(2)的宽度b在(r_P·v_C/f)^1/2与4·(r_P·v_C/f)^1/2之间、优选地在1.5·(r_P·v_C/f)^1/2与3.5·(r_P·v_C/f)^1/2之间、特别优选地在2·(r_P·v_C/f)^1/2与3·(r_P·v_C/f)^1/2之间的范围中，其中适用r_P＝r_o+c_o，r_o是所述内部(14)的内半径，c_o是所述振荡元件(2)的区域中的所述容器壁部段(10)的最小壁厚，并且其中v_C是所述容器壁部段(10)中的声速，并且其中v_P是在所述振荡元件(2)中厚度方向上的声速。

12.如权利要求7至11中任一项所述的装置，其特征在于，所述换能器阵列(200)的在厚度方向上声学耦合地布置在所述振荡元件(2)与所述容器壁部段(10)之间的耦合层(23、24)的厚度d'₁至d'_j以及所述容器壁部段(10)的最小壁厚c_o被选择为满足以下条件：

其中，v_d'1至v_d'j是所述耦合层(23、24)的声速，其中所述索引数j是指示布置在所述振荡元件(2)与所述容器壁部段(10)之间的所述换能器阵列的耦合层(23、24)的数目的自然数，并且q是自然数，并且公差值Δq至少小于0.3、优选地小于0.2、特别优选地小于0.1。

13.如权利要求12所述的装置，其特征在于，所有耦合层(23、24)具有可忽略的厚度或没有耦合层，因此所有d'基本上对应于0。

14.如权利要求7至13中任一项所述的装置，其特征在于，所述换能器阵列(200)的在厚度方向上声学耦合的布置在所述振荡元件(2)背离所述容器的一侧上的外层(25、26)的厚度d"₁至d"_k被选择为使得满足以下条件：

d"₁/v_d"1+d"₂/v_d"2+...+d"_k/v_d"k＝p/v_P·(s±Δs)

其中，vd"1至vd"k是外层(25、26)的声速，其中索引数k是指示所述换能器阵列的布置在所述振荡元件的背离所述容器的一侧上的外层(25、26)的数目的自然数，并且s是自然数，并且公差值Δs至少小于0.3、优选地小于0.2、特别优选地小于0.1。

15.如权利要求1至14中任一项所述的装置，其特征在于，所述容器(1)在所述振荡元件(2)的区域之外以及至少在所述振荡元件的水平处具有壁厚c，所述壁厚c满足条件c＝v_C/2f·(1/2+m±Δm)，其中m为自然数，并且公差值Δm至少小于0.3、优选地小于0.2、特别优选地小于0.1。

16.如权利要求1至15中任一项所述的装置，其特征在于，所述振荡元件(2)连接到至少一个电信号发生器(4)，所述至少一个电信号发生器以至少一个频率f激励所述振荡元件(2)。

17.如权利要求16所述的装置，其特征在于，所述信号发生器(4)包括用于至少测量所发射信号的电压幅度、或电流幅度、或电流和电压幅度之间的相位关系、或这些电气参量的组合的控制电路，并且被配置成将所述超声场的频率f微调到填充有流体(100)的装置的、由这些测得参量来确定的共振频率f_opt。

18.如权利要求1至17中任一项所述的装置，其特征在于，所述容器(1)至少在所述振荡元件(2)的区域中由玻璃、优选地硼硅酸盐玻璃制成。

19.如权利要求1至18中任一项所述的装置，其特征在于，所述容器(1)至少在所述振荡元件(2)的区域之外由生物相容性塑料制成。

20.一种用于在流体(100)中产生具有频率f的驻波超声场、尤其是用于通过在基本上尺寸稳定的容器(1)中施加驻波超声场来集中所述流体(100)中的分散颗粒或分离来自所述流体(100)的分散颗粒的方法，其中至少一个振荡元件(2)在至少一个频率f处被激励，并且所述振荡元件(2)使所述容器(1)以及布置在圆柱形内部(14)的流体(100)振荡，其中所述振荡元件(2)具有平均厚度p，并且所述内部(14)具有内半径r_o，并且其中所述振荡元件(2)在与所述内部(14)的主轴(H)正交的方向上具有宽度b，其中所述宽度b不大于内直径2r_o，其特征在于，所述振荡元件(2)经由基本上平坦的侧壁(21)经由所述容器(1)的外壁(12)在所述圆柱形内部(14)的区域中的基本上平坦的连接表面(11)向所述容器(1)传送振荡，并且所述连接表面(11)与所述圆柱形内部(14)的主轴(H)和所述振荡元件(2)两者平行地布置。

21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述振荡元件(2)在厚度方向上极化并且与所述圆柱形内部(14)的主轴(H)平行地对齐的至少一个压电板(20)使所述振荡元件(2)在其厚度p的方向上振荡，其中所述压电板(20)包括与所述厚度方向垂直的电极表面。

22.如权利要求20或21所述的方法，其特征在于，所述振荡元件(2)的大小被选择为使得所述振荡元件(2)在与所述内部(14)的主轴(H)平行的方向上具有为所述厚度p的至少两倍大、优选地至少三倍大的长度，并且所述振荡元件(2)的宽度b为所述厚度p的至少两倍大、优选地至少三倍大。

23.如权利要求20至22中任一项所述的方法，其特征在于，所述振荡元件(2)被选择为具有与所述振荡元件(2)的平均厚度p相对应的基本上均匀的厚度。

24.如权利要求20至23中任一项所述的方法，其特征在于，所述频率f被选择为使得所述振荡元件(2)的宽度b小于或等于3·(r_P·v_C/f)^1/2、优选地在(r_P·v_C/f)^1/2与2.5·(r_P·v_C/f)^1/2之间、特别优选地在1.5·(r_P·v_C/f)^1/2与2·(r_P·v_C/f)^1/2之间，其中适用r_P＝r_o+c_o，r_o是所述内部(14)的内半径，c_o是所述振荡元件(2)的区域中的容器壁部段(10)的最小壁厚，并且v_C是所述容器壁部段(10)中的声速。

25.如权利要求20至24中任一项所述的方法，其特征在于，所述频率f被选择为在换能器阵列的自然共振频率f_er之外，所述换能器阵列至少包括所述振荡元件(2)和在所述振荡元件(2)的区域中的容器壁部段(10)、以及可任选地优选地布置在所述振荡元件的厚度方向上并且声学地耦合到所述振荡元件和/或所述容器壁部段(10)的另外的部件，并且所选频率f与自然共振频率f_er之间的距离大于距离f_er,1-f_er,2的五分之一，其中f_er,1和f_er,2是相对于所述频率f的两个最接近的自然共振频率f_er。

26.如权利要求20至25中任一项所述的方法，其特征在于，所述频率f被选择为使得所述换能器阵列(200)的半波数κ满足以下条件：

κ＝1/2+n±Δn,

其中n为自然数，并且公差值Δn至少小于0.3、优选地小于0.2、尤其优选地小于0.1，并且换能器阵列(200)的半波数κ基本上由下式给定：

κ＝2f·(c_equ/v_C+p/v_P+d₁/v_d1+d₂/v_d2+...+d_i/v_di),

所述振荡元件(2)的区域中的容器壁部段(10)的等效平均壁厚c_equ由c_equ＝c_o+Δc/3来定义，其中所述最大径向壁厚c_max与所述连接表面(11)的中心区域中的最小壁厚c_o之间的差异Δc由所述振荡元件(2)的宽度b经由关系Δc＝(b²/4+r_P ²)^1/2-r_P来确定，其中适用r＝r_o+c_o，v_c是在所述振荡元件(2)的区域中在所述容器壁部段(10)中的声速，v_p是在所述振荡元件(2)中厚度方向上的声速，而d₁至d_i是所述换能器阵列(200)在所述厚度方向上声学耦合的另外的层(23、24、25、26)的厚度并且v_d1至v_di是所述换能器阵列(200)在所述厚度方向上声学耦合的另外的层(23、24、25、26)的声速，如果存在这些另外的层的话；并且索引i是表示所述换能器阵列的所述另外的层(23、24、25、26)的数目的自然数，并且所述换能器阵列(200)至少包括所述振荡元件(2)和在所述振荡元件(2)的区域中的容器壁部段(10)、以及可任选地优选地布置在所述振荡元件的厚度方向上并且声学地耦合到所述振荡元件和/或所述容器壁部段(10)的另外的部件。

27.如权利要求20至26中任一项所述的方法，其特征在于，所述频率f被选择为使得所述振荡元件(2)的厚度p近似对应于v_P/2f并且v_p是所述振荡元件(2)中的声速。

28.如权利要求20至27中任一项所述的方法，其特征在于，至少一个耦合层(23)布置在所述振荡元件(2)与所述振荡元件(2)的区域中的容器壁部段(10)之间，其中所述容器壁部段(10)的最小壁厚c_o以及所述耦合层(23)的厚度d'被实施为满足以下条件：

其中，v_d'1至v_d'j是所述耦合层(23、24)的声速，其中q是自然数，索引数j是指示所述换能器阵列的耦合层(23、24)的数目的自然数，并且公差值Δq至少小于0.3、优选地小于0.2、特别优选地小于0.1。

29.如权利要求28所述的方法，其特征在于，所有耦合层(23、24)具有可忽略的厚度或没有耦合层，因此所有d'基本上等于0。

30.如权利要求20至29中任一项所述的方法，其特征在于，所述换能器阵列(200)的在厚度方向上声学耦合的外层(25、26)布置在所述振荡元件(2)背离所述容器的一侧上，所述外层(25、26)的厚度d"₁至d"_k被选择为使得满足以下条件：d"₁/v_d"1+d"₂/v_d"2+...+d"_k/v_d"k＝p/v_P·(s±Δs)

其中，v_d"1至v_d"k是这些外层(25、26)的声速，索引数k是指示所述换能器阵列(200)的外层(25、26)的数目的自然数，并且s是自然数，并且公差值Δs至少小于0.3、优选地小于0.2、特别优选地小于0.1。

31.如权利要求20至30中任一项所述的方法，其特征在于，频率f被选择为满足条件c＝v_C/2f·(1/2+m±Δm)，其中m为自然数，并且公差值Δm至少小于0.3、优选地小于0.2、特别优选地小于0.1，并且壁厚c是所述振荡元件(2)的区域之外的所述容器(1)的壁厚。

32.如权利要求20至31中任一项所述的方法，其特征在于，信号发生器(4)经由控制电路来至少测量所发射信号的电压幅度、或电流幅度、或电流和电压幅度之间的相位关系、或这些电气参量的组合，并且将所述频率f微调到填充有所述流体(100)的装置的、由这些测得参量来确定的共振频率f_opt。