DE10030718A1 - Cleaning objects using sound waves involves displacing maxima and minima of oscillations to homogenize sound intensity in time and space within medium exposed to sound waves - Google Patents
Cleaning objects using sound waves involves displacing maxima and minima of oscillations to homogenize sound intensity in time and space within medium exposed to sound wavesInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Reinigen von Gegenständen mit Schallwellen in Feldern stehender Schallwellen, vorzugsweise in Ultraschallfeldern, wobei sich die zu reinigenden Gegenstände in einem zu beschallenden Medium befinden.The invention relates to a method and an apparatus for cleaning Objects with sound waves in fields of standing sound waves, preferably in Ultrasonic fields, with the objects to be cleaned in one sonic medium.
Für vielfältige Anwendungsfälle ist es erforderlich, Verschmutzungen auf Gegenständen zu entfernen. Insbesondere bei Gegenständen, die sich in Flüssigkeiten befinden, werden hierzu häufig Schallwellen verwendet.For a variety of applications, it is necessary to get dirt on Remove objects. Especially for objects that are in If liquids are located, sound waves are often used for this.
Beispielsweise ist die Standzeit und die Meßgenauigkeit von sensorisch wirksamen Strukturen in biologisch aktiven Medien durch mikrobiellen Bewuchs begrenzt. Deshalb sollte ein Sensor vor der Messung rückwirkungsfrei gereinigt werden, ohne das zu bewertende Medium zu verändern. For example, the service life and the measuring accuracy are of sensorically effective ones Structures in biologically active media limited by microbial growth. Therefore, a sensor should be cleaned without reaction before the measurement, without changing the medium to be assessed.
Eine bekannte Möglichkeit, Biofilme auf Sensoren zu verhindern, bzw. bereits gebildete biologische Strukturen zu entfernen, ist die Einwirkung von Ultraschall mit ausreichender Strahlungsintensität auf die zu reinigende Sensoroberfläche. Die Haftungsraten der Mikroorganismen werden dabei mit durch Ultraschall erzeugten Scherkräften herabgesetzt. Für eine Ablösung bei bereits erfolgter irreversibler Adhäsion werden dabei Scherkraftdichten von bis zu 50 N/m2 erforderlich. Es ist deshalb erforderlich, die Schallwirkung bezüglich der in das Substrat eingebrachten Schallleistung und der biologischen Wirksamkeit möglichst optimal zu gestalten.A known way of preventing biofilms on sensors, or of removing biological structures that have already formed, is the action of ultrasound with sufficient radiation intensity on the sensor surface to be cleaned. The adhesion rates of the microorganisms are reduced with shear forces generated by ultrasound. Shear force densities of up to 50 N / m 2 are required for detachment if irreversible adhesion has already occurred. It is therefore necessary to make the sound effect as optimal as possible with regard to the sound power introduced into the substrate and the biological effectiveness.
Die abgestrahlte Schallleistung nimmt quadratisch mit der Frequenz und der Amplitude der Membranauslenkung zu. Piezomaterial und Ansteuerung begrenzen eine beliebige Leistungserhöhung. Abmessungen der Strahlungsmembran und des Strahlungsraumes sind Parameter für mechanische Resonanzfrequenzen.The radiated sound power increases quadratically with the frequency and the Amplitude of the membrane deflection too. Limit piezo material and control any increase in performance. Dimensions of the radiation membrane and Radiation space are parameters for mechanical resonance frequencies.
Da die Schallausbreitung auf Flächen mit sich ändernder Schallkennimpedanz trifft (z. B. Substrat, Gefäßwände, Medientrennschichten Luft-Wasser) bilden sich zwangsläufig räumliche stehende Wellen im beschallten Medium, an den Gefäßwänden, und auf dem zu reinigenden Substrat.Because the sound propagation hits surfaces with changing acoustic impedance (e.g. substrate, vessel walls, media separation layers air-water) are formed inevitably spatial standing waves in the sonicated medium at the Vessel walls, and on the substrate to be cleaned.
Dabei wird die abgestrahlte Schallwelle mit ihren einfachen und mehrfachen Reflexionen und deren verschiedenen Laufzeiten überlagert. Auch Überlagerungen von reflektierten Wellen untereinander sind möglich.The emitted sound wave with its single and multiple Reflections and their different terms superimposed. Overlays too of reflected waves among each other are possible.
In den Schalldruckmaxima ist die Reinigung maximal, dort bilden und sammeln sich auch abgetragene Materialteilchen, in den Schalldruckminima kann umgekehrt die Reinigungswirkung nur minimal sein. Dieses Phänomen ist auch (flächenhaft) als Chladnische Klangfiguren bekannt.The cleaning is maximum in the sound pressure maxima, form and collect there also removed material particles, in the sound pressure minima can be reversed the cleaning effect should be minimal. This phenomenon is also known as Chladnic sound figures.
Die räumliche Verteilung der Schwingungsbäuche und -knoten ist schwer
vorhersagbar, sie hängt ab von
The spatial distribution of the antinodes and nodes is difficult to predict, it depends on
- - dem konstruktiven Aufbau (Abmessungen, Oberfläche, Material)- the construction (dimensions, surface, material)
- - Frequenz des Schallsenders- Frequency of the sound transmitter
- - Schallgeschwindigkeit im flüssigen Medium und dem konstruktiven Aufbau.- Speed of sound in the liquid medium and the construction.
Nach DE 43 OS 660 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Kavitationsblasen bestimmter Größe durch Wahl von Frequenz und Amplitude bekannt. Dabei werden durch Resonanzerzeugung Blasen zum Platzen gebracht, bis nur noch eine bestimmte Größe überlebt. Durch Schallinterferenzen mehrerer Generatoren können ortsabhängig damit Bläschenstrukturen verschiedener Größe erzeugt werden.According to DE 43 OS 660 A1 are a method and an apparatus for generating of cavitation bubbles of a certain size by choosing frequency and amplitude known. This causes bubbles to burst by generating resonance until only a certain size survives. Through sound interference from several Generators can use this to create bubble structures of different sizes depending on their location be generated.
Ferner ist in DE 195 41 417 A1 eine Vorrichtung zur Ultraschallbehandlung strömender Medien bekannt, bei der das zu bestrahlende Medium bewegt und gedreht an den feststehenden Schallinterferenzen vorbeigeführt wird, so dass sich eine gleichmäßige Beschallung ergibt. Frequenz, Phase und Interferenzmuster der Schallbestrahlung bleiben dabei konstant.Furthermore, DE 195 41 417 A1 describes a device for ultrasound treatment flowing media known, in which the medium to be irradiated moves and rotated past the fixed sound interference, so that uniform sound results. Frequency, phase and interference pattern of the Sound radiation remains constant.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, mit denen eine ortsunabhägige gleichmäßige Reinigung erzielt wird.The invention has for its object a method and an apparatus Specify the type mentioned, with which a location-independent uniform Cleaning is achieved.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen der Patentansprüche 1 und 7 gelöst.The object is achieved with the characterizing features of Claims 1 and 7 solved.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous refinements are specified in the subclaims.
Mit der erfindungsgemäßen Anordnung werden entweder Schallinterferenzen durch Wahl von Frequenz und Phase einer oder mehrerer Schallquellen kontinuierlich räumlich verschoben, so das sich eine gleichmäßige Beschallung des Raumes ergibt, oder Schallinterferenzen ortsabhängig zeitlich stabil erzeugt um ortsabhängig unterschiedliche Schallleistungen (Scherkräfte, Schalldruck) zu erzeugen.With the arrangement according to the invention, either sound interference is caused Selection of frequency and phase of one or more sound sources continuously spatially shifted so that there is even sound in the room, or sound interferences generated in a stable manner depending on the location generate different sound powers (shear forces, sound pressure).
Ein Teilchentransport kann durch Verschieben der Interferenzmuster erfolgen.Particles can be transported by shifting the interference pattern.
Bei homogener Bestrahlung eines Objektes wird erfindungsgemäß eine im zeitlichen Mittel gleichmäßige Beschallung ohne örtliche Konzentration von Schwingungsbäuchen und -knoten durch Verschieben des durch Schallmama und -minima gekennzeichneten Schallfeldes gegenüber dem zu beschallenden Objekt (Substrat, Medium) oder des Objektes gegenüber dem Schallfeld erreicht.In the case of homogeneous irradiation of an object, an im time average even sound reinforcement without local concentration of Vibration bellies and knots by moving the sound mama and -minima marked sound field compared to the object to be sonicated (Substrate, medium) or the object in relation to the sound field.
Zur Verschiebung des Schallfeldes bestehen verschieden Möglichkeiten.
There are various options for shifting the sound field.
- 1. Der Schallsender wird zeitabhängig örtlich verschoben1. The sound transmitter is shifted locally depending on the time
- 2. Der konstruktive Aufbau, insbesondere reflektierende Flächen werden zeitabhängig geändert.2. The structural design, especially reflective surfaces changed depending on the time.
- 3. Änderung der Schallgeschwindigkeit im flüssigen Medium, was praktisch schwer realisierbar ist (z. B. Druck, Temperatur, Konzentration).3. Change the speed of sound in the liquid medium, which is practical is difficult to implement (e.g. pressure, temperature, concentration).
- 4. Die Frequenz des Schallsenders wird zeitabhängig geändert. Dadurch wandern Schalldruckknoten und -bäuche Zeit- und ortsabhängig. An der Geometrie des Schallraumes sind keine Änderungen notwendig4. The frequency of the sound transmitter is changed depending on the time. Thereby hike sound pressure nodes and bellies depending on time and location. At the No changes are necessary to the geometry of the sound space
- 5. Zwei oder mehr Schallsender strahlen in den Schallraum und auf das Substrat. Stehende Wellen, d. h. ortsfeste Schwingungsbäuche und -knoten werden unterdrückt, indem Phasenlage und/oder Frequenzen der Schallsender gegeneinander zeitabhängig variiert werden. Passive Reflexionen an den Grenzschichten, wie auch schon bei einem Schallsender möglich, ergänzen die aktive und wirkungsvollere Einkopplung der zweiten (oder mehrerer) Schallquellen.5. Two or more sound transmitters radiate into the sound space and onto it Substrate. Standing waves, i. H. stationary antinodes and nodes are suppressed by the phase position and / or frequencies of the Sound transmitter against each other can be varied depending on the time. passive Reflections at the boundary layers, as with one Sound transmitters possible, complement the active and more effective Coupling the second (or more) sound sources.
Bei inhomogener Bestrahlung eines Objektes lassen sich gewollte inhomogene Schallintensitäten erfindungsgemäß besonders mit mehreren Schallquellen und deren Phasen und Frequenzbeziehungen erreichen.Inhomogeneous irradiation of an object can result in intentional inhomogeneous radiation Sound intensities according to the invention, particularly with several sound sources and whose phases and frequency relationships reach.
Stoffteilchen in den Druckbäuchen können z. B. durch Phasenverschiebung der Schallsender gegeneinander mit den sich verschiebenden Druckbäuchen und -knoten kontrolliert bewegt und transportiert werden.Particles in the pressure bellies can e.g. B. by phase shift of Sound transmitter against each other with the shifting bellies and -nodes are moved and transported in a controlled manner.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment explained.
In der zugehörigen Zeichnung zeigen:In the accompanying drawing:
Fig. 1 die Ankopplung eines Schallsenders an ein Medium und/oder Substrat, Fig. 1, the coupling of a sound transmitter to a medium and / or substrate,
Fig. 2 die direkte Ankopplung eines Schallsenders an ein Substrat, Fig. 2, the direct coupling of a sound transmitter to a substrate,
Fig. 3 zwei Schallsender, die auf einen Schallraum wirken, Fig. 3 shows two sound transmitters which act on a sound space,
Fig. 4 die direkte Ankopplung von zwei Schallsendern an ein Substrat und Fig. 4 shows the direct coupling of two sound transmitters to a substrate and
Fig. 5 einen kaskadierten Schallwandler. Fig. 5 shows a cascaded sound transducer.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, wirkt ein Schallsender auf das Medium und/oder Substrat. Es bilden sich stehende Wellen, deren Schwingungsbäuche und -knoten durch Variation der Frequenz zeitlich und örtlich verschoben werden.As can be seen from FIG. 1, a sound transmitter acts on the medium and / or substrate. Standing waves are formed, the antinodes and nodes of which are shifted in time and location by varying the frequency.
Fig. 2 zeigt eine Ausführung, bei der der Schall direkt oder ohne
dazwischenliegendes Medium auf das Substrat wirkt. Schwingungsbäuche und
-knoten können dabei durch Variation der Schallfrequenz verschoben werden.
Bei der in Fig. 3 dargestellten Anordnung bestrahlen zwei Schallsender das
Medium und/oder Substrat. Schwingungsbäuche und -knoten können hier durch
Fig. 2 shows an embodiment in which the sound acts directly or without an intermediate medium on the substrate. Vibration bellies and nodes can be moved by varying the sound frequency. In the arrangement shown in FIG. 3, two sound transmitters irradiate the medium and / or substrate. Vibration bellies and knots can pass through here
- - Variation einer Schallfrequenz,- variation of a sound frequency,
- - Gleichzeitige Variation beider Schallfrequenz (gleich- oder gegenläufig) oder- Simultaneous variation of both sound frequencies (same or opposite) or
- - Variation der Phasenlage gegeneinander bei gleicher Frequenz beider Schallquellen- Variation of the phase relationship against each other at the same frequency of both sound sources
verschoben werden.be moved.
Fig. 4 erläutert eine Anordnung, bei der zwei Schallsender direkt auf ein zu
bestrahlendes Substrat wirken. Schwingungsbäuche und -knoten können durch
Fig. 4 illustrates an arrangement, act directly on a substrate to be irradiated with the two sound channels. Vibration bellies and knots can through
- - Variation einer Schallfrequenz, - variation of a sound frequency,
- - Gleichzeitige Variation beider Schallfrequenz (gleich- oder gegenläufig) oder- Simultaneous variation of both sound frequencies (same or opposite) or
- - Variation der Phasenlage gegeneinander bei gleicher Frequenz beider Schallquellen- Variation of the phase relationship against each other at the same frequency of both sound sources
verschoben werden.be moved.
In Fig. 5 ist ein kaskadierter Schallwandler dargestellt. Für jede Kammer einzeln gilt die Betrachtung wie für Fig. 3. Durch die Kaskadierung wird der Schallwandler zwischen den beiden Kammern doppelt genutzt. Die Kaskadierung ist beliebig erweiterbar.In Fig. 5, a cascaded transducers is illustrated. For each chamber, the same considerations apply as for Fig. 3. The cascading means that the sound transducer between the two chambers is used twice. The cascading can be expanded as required.
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DE10030718A DE10030718A1 (en) | 2000-06-23 | 2000-06-23 | Cleaning objects using sound waves involves displacing maxima and minima of oscillations to homogenize sound intensity in time and space within medium exposed to sound waves |
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