DD145605A1 - Ultraschallgeber - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallgeber in Resonanzlänge zur Erzeugung von Ultraschall hoher Intensität unter Verwendung piezoelektronischer Wandlerelemente. Ziel der Erfindung ist, einen Ultraschallgeber zu entwickeln, der so gestaltet ist, daß die nachteiligen Einwirkungen unerwünschter Nebenresonanzen bei äußerer Bedämpfung so weit eingeschränkt werden, daß ein Einsatz in selbstschwing.enden Endstufen möglich ist. Gemäß der Erfindung v/ird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß einmal der elektromechanische Kopplungsfaktor zur Erzeugung der unerwünschten Frequenzen, insbesondere der 3/2X-Schwingung, stark Verringert oder nahezu zu Null gemacht, und zum anderen das Transformationsverhältnis’, ebenfalls für die unerwünschte 3/2λ-Schwingung, so vergrößert wird, daß die Schwingungen dieser Frequenz wesentlich stärker bedampft werden. - Fig.1 bis 4 -

Description

Titel der Erfindung Ultraschal!geber

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallgeber in Eesonanzlänge zur Erzeugung von Ultraschall hoher Intensität unter Verwendung piezokeramischer Wandlerelemente·

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen Die Anwendung von Leistungsultraschall bspw· in Ultraschall-Schweißeinrichtungen oder in Desintegratoren, erfordert eine extrem hohe Energiekons en tr ation. Dazu ist bekannt, daß zur •Schallerzeugung vorteilhaft Sandwichschwinger und zur Schallkonzentration Sonotroden verwendet werden, wobei beide Punktionsgruppen zu einer Einheit verbunden sind· Die geometrische Gestaltung des Systems wird dabei normalerweise so ausgeführt, daß erstens der elektromechanische Kopplungsfaktor des Wandlers möglich groß ist, und daß zweitens die erforderliche Schwingungsamplitude an der Spitze der Sonotrode erreicht wird. Dazu v/erden die Piezokeramiken üblicherweise im Bereich des Schwingungsknotens der geforderten Arbeitsfrequenz im Wandler angeordnet· Um bereits im Wandler eine möglichst große Schwingungsamplitude zu erzeugen, besteht im allgemeinen der Seil des Wandlers, der der Sonotrode zugewandt ist, aus einem Material mit einer niedrigen Schallimpedanz (bspw· Aluminium), während der der Sonotrode abgewandte Teil eine höhere Schall-

impedanz aufweist (bspw. Stahl), wobei die größte Ausgangsamplitude dann erreicht wird, wenn der zuerst genannte Teil bis zur Knotenebene des Wandlers reicht.Als Sonotroden werden bevorzugt sogenannte Stufenrüssei eingesetzt, da diese ein hohes Transformationsverhältnis für die Sch?/ingungsamplitude besitzen und relativ einfach herstellbar sind. Der Durchmesser sprung fällt mit der Knotenebene des Küsseis zusammen* Eine entsprechende Anordnung ist in'Fig. 1 der Zeichnung dargestellt. Bin Nachteil dieser Anordnung besteht darin, daß sie sich nicht nur in der gewünschten Frequenz erregen .läßt, bei der das gesamte Schwinger system eine Länge hat, die einer Wellenlänge Λ der geforderton Arbeitsfrequenz entspricht (Resonanzlänge'), sondern auch zur Grund schwingung, bei der das System als Λ/2—Schwinger schwingt und zu den Oberschwingungen, die einer Wellenlänge von n/2»Xentsprechen, wobei η eine ganze Zahl ist» Besonders kräftig tritt hierbei neben der 'gewünschten Frequenz diejenige auf, bei der das Wandlersystem als 3/2 λ,-Schwinger schwingt* Wegen'der relativ einfachen Schaltungstechnik v/erden als Generatoren in gewissen Fällen vorteilhaft sogenannte seIbstschwingende Endstufen eingesetzt© Bei diesen.wird der Wandler so in die Schaltung einbezogen, daß sich innerhalb gewisser Grenzen diejenige Resonanzfrequenz einstellt, bei welcher der Wandler das absolute Impedanzmini= mua besitzte

Gibt das Schwinger system mit der Spitze der Sonotrode Energie an ein zu beschallendes Medium ab, so werden die Schwingungen bedämpftj wodurch die Schwingerimpedanz steigt· Die in Fig* 1 dargestellte Anordnung hat bspw* die Eigenschaft, daß die Schwingungsamplitude für die Arbeitsfrequenz ein optimales Übersetzungsverhältnis aufweist* Daher steigt bei Belastung die Impedanz in.der Arbeitsfrequenz stärker an, als das bei anderen Frequenzen der Fall ist, wodurch das Schwingersystem bei der Arbeitsfrequenz im Belastungsfall eine wesentlich höhere Impedanz erhält} als bspw_e bei der Frequenz, bei der der Schwinger mit 3/2 /V schwingt« Der Betrieb eines solchen .Schwingersystems mit einem Generator, der als selbstschwingende

Endstufe arbeitet, ist demzufolge nicht möglich, weil der Generator im Belastungsfalle die 3/2 λ-Schwingung anregen würde, bei welcher eine nur ungenügende Schallabgabe erfolgt.

Ziel der Erfindung

Es ist Ziel der Erfindung, einen Ultraschallgeber zu entwickeln, der ohne die bisher bekannten Nachteile in selbstschwingenden Endstufen zur Erzeugung von Ultraschall hoher Intensität eingesetzt werden kann·

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist die Entwicklung eines Ultraschallgebe-rs in Resonanzlänge für den Einsatz in selbstschwingenden Endstufen, der so gestaltet ist, daß die nachteilige Einwirkung der unerwünschten Hebenresonanzen bei äußerer Bedämpf ung weitgehend eingeschränkt wird, ohne dabei die Ausgangsleistung der ITutzfrequenz (Arbeits-) wesentlich zu beeinträchtigen _β

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit Hilfe eines Ultraßchallgebers in Resonanzlänge zur Erzeugung von Ultraschall hoher Intensität gelost, bei dem die verwendeten piezokeramischen Waadlereleiaente in an sich bekannter Weise zwischen Materialien unterschiedlicher Schallimpedanz angeordnet, sind, v/obei das Material mit der niedrigeren Impedanz als Verbindungselement zur Sonotrode dient, während das Material mit der höheren Impedanz auf der der Sonotrode abgewandten Seite angeordnet ist· Der Ultraschallgeber nach der Erfindung wird dabei so gestaltet, daß der elektromechanische Kopplungsfaktor zur Erregung der unerwünschten Frequenz, bei der das System mit 3/2 X schwingt, stark verringert oder nahezu zu Kuli gemacht; und daß weiterhin das Transformationsverhältnis für diese unerwünschte frequenz so vergrößert wird, daß die Schwingungen, die dieser Frequenz entsprachen, wesentlich stärker bedampft werden. Die Verringerung des elektromechanischen Kopplungsfaktors wird dadurch realisiert, daß die Wandlerelemente um einen bestimmten Betrag in Richtung zur Sonotrode

verschoben und in der Nähe des Schwingungsbauches der 3/2 λ-Schwingung angeordnet werden, der in einer Entfernung von 1/12 Λ der Schwingung der Arbeitsfrequenz liegt· Das hat zur Folge $ daß der Teil des Wandlers, der aus einem Material mit geringerem Schallimpedsjia besteht, nicht in der Knotenebene der A.-Schwingung beginnt« Hierdurch wird die erreichte Schwin~ gungSamplitude sowohl für die A_~-Schwingung_s als auch für die 3/2 Λ »Schwingung verringert.

Die Forderung nach einer verstärkten Amplitudentransformation für die 3/2X-Schwingung wird erfüllt, indem der Durchmessersprung der Sonotrode in Richtung ihrer Spitze verlegt wird, und Ewar in die Nähe des Schwingungsknotens der 3/2 X-Schwingungj der sich ebenfalls in einer Entfernung von 1/12 λ, der Schwingung bei der Arbeitsfrequenz vom Schwingungsknoten dieser Schwingung entfernt befindet. Eine zusätzliche Amplitudentransformation wird dadurch erreicht, daß an der Koppelstelle zwischen dem Wandler und der Sonotrode ein Durchmessersprung an~ geordnet ist, wobei sich der kleinere Durchmesser auf der Seite der Sonotrode befindet. Die Aufwertung der Sonotrode auf einen größeren Durchmesser erfolgt gemäß der Erfindung im Bereich des Schwingungsbauches der- 3/2 X-Schwingung. Diese Maß~ nahmen zur Erhöhung des Transformationsverhältnisses für die 3/2 Α-Schwingung haben gleichzeitig auch eine Verringerung des Transforiaationsverhältnisses für die A~Sch?/ingung zur Folge _β Die durch die beschriebenen Maßnahmen entstehende Herab~ Setzung der an der Sonotrodenspitze erzielten Schwingungsamplitude werden gemäß der Erfindung dadurch ausgeglichen, daß anstelle von einem Paar zwei Paar Wandlerelemente eingesetzt werden»

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden· In der zugehörigen Zeichnung zeigen;

Mg« 1 - einen Ultraschallgeber in konventioneller Bauweise _e 2 - einen Ultraschallgeber gemäß der Erfindung

Fig. 3 - ein Diagramm der Arbeitsfrequenz Qj-Schwingung) Fig. 4 -. ein Diagramm der 3/2 X-Schwingung

Der Wandler 1 gemäß der Erfindung besteht an der der Sonotrode 2 abgewandten Seite aus einem Material 3 höherer Schallimpedanz (bspw. Stahl). Auf der Seite der Sonotrode 2 wird Material mit geringerer Schallimpedanz 5 (bspw. Aluminium) eingesetzt. Zwischen diesen unterschiedlichen Materialien sind zwei Paar Wandlerelemente 4 angeordnet, die in dichtung zur Sonotrode 2 um 1/12 Λ. aus dem Schwingungsknoten der Arbeitsfrequenz verschoben sind, so daß sie annähernd im Schv/ingungsbauch der zugehörigen 3/2 Λ- Schwingung liegen. Weiterhin wird gemäß der Erfindung an der Koppel stelle 6 zwischen Wandler 1 und Sonotrode 2 ein Durchmessersprung angeordnet, der in einem Schwingungsknoten der 3/2 λ-Schwingung liegt, wobei sich der kleinere'Durchmesser auf der Seite der Sonotrode 2 befindet. Im Bereich des auf den Schwingungsknoten des Durchmessersprtmges folgenden Schwingungsbauches der 3/2A-Schwingung wird die Sonotrode 2 auf ihren für die optimale Transformation der Arbeitsfrequenz erforderlichen Durchmesser aufgeweitet und weiterhin der folgende Durchmessersprung 7 der Sonotrode 2 in Richtung ihrer Spitze 8 ebenfalls um 1/12 A. aus dem Schwingungsknoten der Arbeitsfrequenz verschoben, so d.aß dieser Sprung 7 annähernd im Schwingungsknoten der 3/2 A.-Schwingung liegt·

Claims (1)

1. Erfindungsanspruch

   Ultraschallgeber in Resonanz länge zur Erzeugung von Ultraschall hoher Intensität unter Verwendung piezokeramischer Wandlerelemente, die -zwischen Materialien unterschiedlicher Schallkennimpedanz angeordnet sind, wobei das Material (5) mit der niedrigeren Impedanz als Verbindungselement zur Sonotrode dient, während das Material (3) mit der höheren Impedanz auf der der Sonotrode abgewandten Seite angeordnet ist, gekennzeichnet durch eine für den Einsatz in selbsschv/ingenden Endstufen geeignete Anordnung mit folgenden Merkmalen:

   '- Anordnung von zwei Paar piezokeramischen Wandlerelementen (4), wobei die Elemente (4) aus dem Schwingungsknoten der Arbeitsfrequenz um /\/12 in Richtung der Sonotrode (2) so verschoben sind, daß sie annähernd in einem Schwingungsbauch der 3/2 X-Schwingung liegenj

   - Anordnung eines DurchmesserSprunges an der Koppelstelle (6) zwischen Wandler-und Sonotrode (2), wobei die Koppelstelle in einem Schwingungsknoten der 3/2 Λ,-Schv/ingung liegt und wobei sich weiterhin der kleinere Durchmesser auf der Seite der Sonotrode (2) befindet?
   ~ Aufweitung der Sonotrode (2) auf ihren für die optimale Transformation der Arbeitsfrequenz erforderlichen Durchmesser im Bereich des auf den Schwingungsknoten des Durchmesser— .Sprunges folgenden Schwingungsbauches der 3/2X-Schwingung? -Verschiebung des DurchmesserSprunges (7) der Sonotrode (2) in Richtung ihrer Spitze (8) um A/12 aus dem Schwingungsknoten der Arbeitsfrequenzj so daß der Sprung annähernd im Schwingungsknoten der 3/2ü\-Schwingung liegt.

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