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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung einer Kavitationsstärke in einer Flüssigkeit.
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Die akustische Kavitation wird als Prozess für unterschiedliche Anwendungen genutzt. Bekannt ist der Einsatz zum Homogenisieren und Dispergieren von Fluiden und Fluidgemischen u. a. in Hochtemperatur-Fluiden, z. B. in Metallschmelzen, wird die Kavitation zusätzlich zur Entgasung, Kornfeinung und Zerstörung von oxidischen Einschlüssen, Agglomerationen und gasbedingten Porositäten genutzt.
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Das Kavitationsblasenfeld wird durch Schwingungen von Festkörperoberflächen in dem Fluid erzeugt und generiert zeitlich und räumlich stochastische Schockwellen. Diese Schockwellen ergeben ein stochastisches Wellenfeld. Dieses Wellenfeld wird durch die Eigenschaften des Fluids und durch die Anregungen der vibrierenden Oberfläche bestimmt.
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Die Charakterisierung der Dynamik des Kavitationsblasenfeldes ist für die Prozesssteuerung notwendig. Diese Dynamik wird durch unterschiedliche Parameter bestimmt und zusammenfassend Kavitationsstärke genannt.
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Der Stand der Technik zur Messung der Kavitationsstärke wird durch verschiedene Verfahren bestimmt.
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Aus der
SU769354A1 ist die Messung der Kavitationsstärke in einer Vorrichtung durch Auswertung der Änderung des Kapillardruckes durch kollabierende Kavitationsblasen bekannt.
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Die Veröffentlichungen Zeqiri, B., Gelat, P. N., Hodnett, M., Lee, N. D., A Novel Sensor for Monitoring Acoustic Cavitation. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, Vol. 50 No. 10 (2003), und
GB 2358 705 A lehren eine weitere Form der Messung durch Auswertung des Kavitationsrauschens und einen auf dieser Grundlage für Ultraschallbäder entwickelten Kavitationssensor. Dieser Kavitationssensor besteht aus einem Hohlzylinder mit einem piezoelektrisch aktiven Film auf der Innenseite des Zylinders und einer absorbierenden Schicht an der Außenseite des Zylinders. Dies ermöglicht eine Messung der Kavitationsstärke im Innern des Hohlzylinders.
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In der
DE 10 2010 043 316 B4 sind die Nachteile dieser Technik für starke Kavitationsfelder beschrieben und eine Lösung dafür offenbart. Diese Lösung zeigt an, dass für starke Kavitationsfelder die Sonotrode vorteilhaft als Wellenleiter genutzt werden kann. Mit einem Schallwandler an der Oberfläche der Sonotrode kann das Kavitationsrauschen analysiert werden.
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Bekannt sind Kavitationssensoren zur Bestimmung der Stärke der Kavitation in Metallschmelzen aus Tzanakis, I., Hodnett, M., Lebon, G. S. B., Dezhkunov, N., Eskin, D. G., Calibration and performance assessment of an innovative high-temperature cavitometer, Sensors and Actuators A 240 (2016) 57-69; und aus Tzanakis, I., Lebon, G. S. B., Eskin, D. G., Pericleous, K. A., Characterisation of the ultrasonic acoustic spectrum and pressure field in aluminium melt with an advanced cavitometer, Journal of Materials Processing Technology 229 (2016) 582-586
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Diese Kavitationssensoren bestehen aus einem separaten Wellenleiter und einem Schallwandler. Der Wellenleiter wird mit einem Ende in die Nähe des Kavitationsfeldes in die Metallschmelze eingetaucht. Der separate Wellenleiter besteht aus einem hoch schmelzenden Material, z. B. Wolfram. Auch hier wird das Kavitationsrauschen gemessen und das Signal geeignet aufbereitet.
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Nachteilig an bislang bekannten Kavitationssensoren ist die Verwendung von piezoelektrischem Filmmaterial im Sensor. Dies führt beim Einsatz des Sensors zu einem eingeschränkten Temperaturbereich, in der Regel bis zur Curie-Temperatur von ca. 250°C.
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Der von Tzanakis et.al. beschriebene Kavitationssensor besteht aus einem externen Wellenleiter in Form eines Wolframzylinders und ist geeignet in Hochtemperaturfluiden, z. B. in Metallschmelzen, zu messen. Er stört jedoch das akustische Feld zur Erzeugung der Kavitation. Er kann außerdem nicht direkt an der Oberfläche der Sonotrode die Aktivität der Kavitation messen. Ein Nachteil ist im Fall von Vakuum- oder Hochdruck-Anwendungen die Notwendigkeit von einem zusätzlichen Zugang, neben der Sonotrode, in das Fluid in der Vakuum- oder Hochdruckkammer.
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Der vorliegenden Erfindung liegt hiervon ausgehend die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung einer Kavitationsstärke in einer Flüssigkeit zur Verfügung zu stellen, mit denen in einfacher und kostengünstiger Weise zuverlässig die Kavitationsstärke in einer Flüssigkeit ermittelbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung zur Ermittlung einer Kavitationsstärke in einer Flüssigkeit gemäß Anspruch 1 und durch das Verfahren zur Ermittlung einer Kavitationsstärke in einer Flüssigkeit gemäß Anspruch 7 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Erfindungsaspekte sind in den entsprechenden Unteransprüchen 2 bis 6 sowie 8 und 9 angegeben.
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Ein erster Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Ermittlung einer Kavitationsstärke in einer Flüssigkeit, die einen Schallgenerator, eine Sonotrode, welche mit dem Schallgenerator verbunden ist, und einen Sensor für elastische Wellen aufweist, wobei der Schallgenerator dazu ausgebildet ist, eine Schallschwingung zu generieren und diese an die Sonotrode weiterzuleiten, um dadurch in einer die Sonotrode zumindest teilweise umgebenden Flüssigkeit Kavitationsereignisse auszulösen. Die Sonotrode ist in der Lage, als Wellenleiter für den Kavitationsereignissen entsprechenden Kavitationssignale in der Flüssigkeit genutzt zu werden. Der Ort des Sensors für die elastischen Wellen ist in einem Punkt, welcher durch einen minimalen Betrag des Vektors des Verschiebungsfeldes bezüglich der Grundmode des Systems aus Schallgenerator und Sonotrode gekennzeichnet ist.
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Der Sensor ist zur Detektion von elastischen Wellen eingerichtet.
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Die Sonotrode ist dazu ausgebildet, mittels des Sensors durch die Kavitationsereignisse in der Flüssigkeit ausgelöste elastische Wellen aufzunehmen und weiter zu leiten, wobei die Sonotrode als Wellenleiter genutzt wird. Die Sonotrode ist entsprechend dazu eingerichtet, als Wellenleiter für Kavitationssignale zu fungieren, die Kavitationsereignissen entsprechen, die in der Flüssigkeit auftreten.
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Insbesondere kann der Schallgenerator ein Ultraschallgenerator sein, zwecks Erzeugung von Ultraschallschwingungen.
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Der Schallgenerator ist dazu eingerichtet, wenigstens eine definierte Schwingung zu generieren. Der Sensor ist an einem Punkt der Vorrichtung angeordnet, welcher durch einen minimalen Betrag des Vektors des Verschiebungsfeldes bezüglich der Grundmode des Systems aus Schallgenerator und Sonotrode bei der definierten Schwingung gekennzeichnet ist.
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Die vorliegende Vorrichtung dient somit zur Umsetzung eines Verfahrens zur Erkennung und Quantifizierung von Kavitationsereignissen, insbesondere in Leistungsultraschall-Prozessanwendungen in Normal- und Hochtemperatur-Fluiden, und ist besonders geeignet für den Einsatz in Metallschmelzen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung zur Ermittlung einer Kavitationsstärke in einer Flüssigkeit ist vorgesehen, dass die Vorrichtung zur Ermittlung einer Kavitationsstärke in einer Flüssigkeit ein die Sonotrode mit dem Schallgenerator schwingungstechnisch verbindendes Schallhorn umfasst, und das Schallhorn dazu ausgebildet ist, eine Amplitude der durch den Schallgenerator generierten Schallschwingung zu verändern, insbesondere zu erhöhen.
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Weiterhin kann die Vorrichtung zur Ermittlung einer Kavitationsstärke in einer Flüssigkeit eine Kühleinrichtung aufweisen, welche dazu ausgebildet ist, zumindest den Schallgenerator zu kühlen, insbesondere auf einen Temperaturbereich von unter 85° C.
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Die Sonotrode kann ein Keramik-Material enthalten oder aus einem Keramik-Material bestehen.
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Der Sensor kann in der Sonotrode angeordnet sein, oder der Sensor kann in einem Übergangsbereich zwischen der Sonotrode und einem von der Vorrichtung umfassten Prozessor angeordnet sein.
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Dabei kann der Sensor in einer Bohrung angeordnet sein.
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Im Sinne der Erfindung wird somit ein Kavitationssensor zur Verfügung gestellt, welcher
- - die Bestimmung der Kavitationsstärke in einem Fluid beliebiger Temperatur, insbesondere bei hoher Temperatur von mehreren hundert Grad Kelvin in Metallschmelzen;
- - die Bestimmung der Kavitationsstärke an der Oberfläche der Sonotrode;
- - die Vermeidung der Nachteile der Nutzung der Sonotrode als Wellenleiter durch eine physikalische Lösung der Minimierung der hohen Amplitude der Grundmode zur Anregung der Kavitation im Prozessfluid; sowie
- - den Nachweis von sehr kleinen hochfrequenten Acoustic Emission Signalen, insbesondere in Form von elastischen Wellen der Kavitation.
ermöglicht.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Ermittlung einer Kavitationsstärke in einer Flüssigkeit, aufweisend die folgenden Schritte:
- -Zurverfügungstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ermittlung einer Kavitationsstärke in einer Flüssigkeit
- -Zumindest teilweises Eintauchen der Sonotrode in eine Flüssigkeit,
- -Generieren einer Schallschwingung mittels des Schallgenerators und Weiterleiten der Schallschwingung an die Sonotrode,
- -Auslösen von Kavitationsereignissen in der die Sonotrode zumindest teilweise umgebenden Flüssigkeit mittels der Sonotrode,
- -Aufnehmen von durch die Kavitationsereignisse ausgelösten elastischen Wellen mittels der Sonotrode und Weiterleiten der aufgenommenen elastischen Wellen an den Sensor und
- -Ermitteln der Amplitude und/oder der Frequenz der durch die Kavitationsereignisse ausgelösten elastischen Wellen durch Aufnahme mittels des Sensors.
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Für die Ermittlung der Amplitude und/oder der Frequenz der durch die Kavitationsereignisse ausgelösten elastischen Wellen, die durch den Sensor aufgenommen wurden, kann eine Prozesseinheit der erfindungsgemäßen Einrichtung dienen.
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Während des Verfahrens zur Ermittlung einer Kavitationsstärke in einer Flüssigkeit kann eine Amplitude der durch den Schallgenerator generierten Schallschwingung durch das Schallhorn verändert, insbesondere erhöht, werden.
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Weiterhin kann während des Verfahrens zumindest der Schallgenerator mittels der Kühleinrichtung gekühlt werden, insbesondere auf einen Temperaturbereich von unter 85°C.
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Entsprechend kann das Verfahren durchgeführt werden durch die Verwendung einer beliebigen Sonotrode, vorteilhaft durch eine Keramiksonotrode im Fall von Hochtemperaturanwendungen, wobei die Keramiksonotrode eine notwendige entsprechende Länge und eine Kühlung hat, so dass die Temperatur des Leistungschallgenerators nicht über 85 °C steigt. Das Kavitationsrauschen wird als elastische Wellen über die Sonotrode als Wellenleiter zum Horn unterhalb der Prozessoreinheit geführt. An dem Übergang von der Prozessoreinheit zur Sonotrode (Horn) ist eine Temperatur unterhalb der Curie-Temperatur vorhanden.
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Die Grundmode bzw. Anregungsmode ist vorteilhaft so ausgelegt, dass die großen Amplituden nur sehr wenige Materialien nicht zerstören.
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Im Unterschied zu herkömmlichen Sensorlösungen, die bei großen Dehnungen zerstört werden, erfolgt bei der vorliegenden Vorrichtung zur Ermittlung einer Kavitationsstärke in einer Flüssigkeit die Platzierung des Sensors in einem Punkt des Schwingungssystems, welcher durch einen minimalen Betrag des Vektors des Verschiebungsfeldes bezüglich der Grundmode des Systems aus Schallgenerator und Sonotrode gekennzeichnet ist.
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Dieser Punkt kann auch als Schwingungsknoten bzw. als Punkt mit verschwindender axialer und radialer Amplitude der Schallschwingung bzw. als ein Symmetriepunkt der Sonotrode-Grundmode oder auch als neutraler Punkt bezeichnet werden.
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Im neutralen Punkt ist die axiale und die radiale Amplitude der Grundmode im Wesentlichen oder auch genau Null. Die höheren Moden, insbesondere die elastischen Wellen, verursacht durch das Kavitationsrauschen, sind jedoch in diesem Punkt noch vorhanden. Es wird eine Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses erzielt.
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Der Sensor kann insbesondere als ein Hydrophon bzw. als ein sogenannter Acoustic Emission Sensor ausgeführt sein.
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Der Sensor ist vorzugsweise dazu ausgebildet, eine Amplitude und/oder eine Frequenz der durch das Kavitationsrauschen erzeugten elastischen Wellen, insbesondere Schallwellen, zu detektieren und kann beispielsweise ein Hydrophon sein oder ein sogenannter Acoustic Emission Sensor, wie z.B. ein Acoustic Emission Breitbandsensor. Weiterhin kann der Sensor dazu ausgebildet sein, die detektierten Wellen in ein für die Kavitationsstärke der Kavitationsereignisse indikatives Messignal umzuwandeln, und dieses an eine Prozessoreinheit der Vorrichtung zur Ermittlung einer Kavitationsstärke in einer Flüssigkeit weiterzuleiten. Die Prozessoreinheit wird optional dazu verwendet, die ermittelten Messsignale, insbesondere die Amplitude und/oder die Frequenz der detektierten elastischen Wellen zu visualisieren, abzuspeichern, oder weiter zu prozessieren, beispielsweise im Sinne einer digitalen Filterung oder anderer mathematischer Verfahren für stochastische Zeitreihen. Die Sonotrode kann dazu ausgebildet sein, die durch die Kavitationsereignisse in der Flüssigkeit ausgelösten elastischen Wellen aufzunehmen. Weiterhin kann die Vorrichtung ein in einem Schwingungsknoten bzw. sogenannten neutralen Punkt angekoppeltes Hydrophon oder einen als Acoustic Emission Sensor bezeichneten Sensor aufweisen, welches bzw. welcher dazu ausgebildet ist eine Amplitude und/oder eine Frequenz der durch die Kavitationsereignisse ausgelösten elastischen Wellen zu detektieren.
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Vorteile der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik sind:
- - Messung des Kavitationsrauschens in Normal- und Hochtemperatur-Fluiden.
- - Messung des Kavitationsrauschens am Ort der Oberfläche der Sonotrode.
- - Erfassung auch von kleinen Amplituden des Kavitationsrauschens durch die Diskriminierung der großen Amplitude der Grundmode durch die Platzierung des Sensors in einem neutralen Punkt des Schwingungssystems.
- - Geringe bzw. keine Amplitude der Grundmode am Ort des Sensors.
- - In-situ Messung des Kavitationsrauschens ohne Störung des Kavitationsblasenfeldes durch die Einführung zusätzlicher separater Sensoren und Wellenleiter.
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Im Folgenden sollen Ausführungsbeispiele sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung anhand der Figuren erläutert werden. Es zeigen:
- 1 eine schematische Draufsicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
- 2 eine schematische Draufsicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
- 3 eine schematische Querschnittansicht der in 2 dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
- 4 ein Ausführungsbeispiel der Anordnung eines neutralen Punktes in einem rotationssymmetrischen Schallhorn,
- 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Anordnung eines neutralen Punktes eines rotationssymmetrischen Schallhorns.
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1 zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführungsform der Vorrichtung.
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Dieses Ausführungsbeispiel enthält eine Sonotrode 2. Diese Sonotrode 2 ist außerhalb einer vom hier verwendeten Schallgenerator 1 platzierten Prozessoreinheit montiert. An einem neutralen Punkt 5 in der Sonotrode befindet sich eine Bohrung 4, insbesondere eine Zugangsbohrung. In diesem Loch bzw. in dieser Bohrung 4 ist von der Oberfläche bis zum Zentrum - dem neutralen Punkt - ein schwingungsentkoppelter Acoustic Emission Sensor 11 oder ein schwingungsentkoppeltes Hydrophon montiert. Im neutralen Punkt 5 ist eine akustische Kopplung zur Sonotrode hergestellt. Es werden an dieser Stelle die hochfrequenten elastischen Wellen des Kavitationsrauschens detektiert. Das Signal mit der hohen Amplitude der Grundmode ist praktisch nur noch minimal vorhanden. Das elastische Signal wird als elektrisches Signal mit den üblichen mathematischen Operatoren für stochastische Zeitreihen analysiert.
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2 zeigt eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung.
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Auch dieses Ausführungsbeispiel enthält eine Sonotrode 2. Diese Sonotrode 2 ist am Schallgenerator 1 montiert, der eine Prozessoreinheit umfasst. Am Übergang 3 von der Prozessoreinheit zur Sonotrode bzw. zum Horn befindet sich eine Zugangsbohrung 4 zum neutralen Punkt 5 des Schwingungssystems. In diesem Loch bzw. dieser von der Oberfläche bis zum Zentrum verlaufenden Bohrung 4 - im neutralen Punkt - ist ein schwingungsentkoppelter Acoustic Emission Sensor 11 oder ein schwingungsentkoppeltes Hydrophon montiert. Im neutralen Punkt 5 ist eine akustische Kopplung 6 des Sensors 11 zum Horn hergestellt. Es werden an dieser Stelle die hochfrequenten elastischen Wellen des Kavitationsrauschens detektiert. Das Signal mit der hohen Amplitude der Grundmode ist praktisch nur noch minimal vorhanden. Dadurch wird eine Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses erreicht. Das elastische Signal wird als elektrisches Signal mit den üblichen mathematischen Operatoren für stochastische Zeitreihen analysiert.
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3 zeigt eine vergrößerte schematische Ansicht eines Teilbereichs der Ausführungsform der Erfindung gemäß 2. Hier ist ersichtlich, dass an den Sensor 11 eine Signalleitung 8 angeschlossen ist, zur Übertragung der mit dem Sensor 11 aufgenommenen Signale. Im Gehäuse des Übergangs 3 ist eine akustische Entkopplung 7 der Signalleitung 8 vorgesehen.
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4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines rotationssymmetrischen Schallhorns 10 mit einem neutralen Punkt 5, in dem der Sensor 11 angeordnet ist.
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5 zeigt die Phasen einer Schwingung eines hier verwendeten Schallhorns 10 mit dem neutralen Punkt 5. Der neutrale Punkt 5 ist durch ein Minimum der radialen und axialen Komponenten der Vektoren des mechanischen Verschiebungsfeldes gekennzeichnet.
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Pfeile verdeutlichen das Vektorfeld der mechanischen Verschiebung. Es sind Phasen der Schwingung der Grundmode dargestellt. Im neutralen Punkt 5 ist die radiale und axiale Komponente des Verschiebungsvektors der Grundmode Null.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schallgenerator
- 2
- Sonotrode
- 3
- Übergang
- 4
- Bohrung
- 5
- Neutraler Punkt
- 6
- Akustische Kopplung
- 7
- Akustische Entkopplung
- 8
- Signalleitung
- 10
- Schallhorn
- 11
- Sensor
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- SU 769354 A1 [0006]
- GB 2358705 A [0007]
- DE 102010043316 B4 [0008]
