DE19539195A1

DE19539195A1 - Gerät zur Einkopplung von Ultraschall in ein flüssiges oder pastöses Medium

Info

Publication number: DE19539195A1
Application number: DE19539195A
Authority: DE
Inventors: Vladimir Dr Abramov; Vjaceslav Dipl Phys Alenicev; Leonid Dr Makarov; Andrew Dr Ruhman
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-10-20
Filing date: 1995-10-20
Publication date: 1997-04-24
Also published as: DE59602406D1; EP0857088B1; EP0857088A1; WO1997015404A1; US5994818A; ATE181857T1

Description

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Einkopplung von Ultraschall in ein flüssiges oder pastöses Medium und mit den weiteren, im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten, gattungsbestimmenden Merkmalen. Ein derarti ges Gerät ist durch die US-PS 4,016,436 bekannt.

Bei dem bekannten Gerät ist ein einseitig an einen rohrförmigen Hohlraumresonator angesetzter Wellenleiter vorgesehen, der mittels eines piezoelektrischen Trans ducers, der seinerseits elektrische Wechselspannungs- Ausgangssignale eines Wechselspannungsgenerators in longitudinale mechanische Schwingungen umwandelt, zu resonanten longitudinalen Schwingungen anregbar ist. An diesen Transducer ist mechanisch fest in einem flansch förmigen Bereich desselben der Hohlraumresonator aku stisch angekoppelt.

Bei einem weiteren Gerät der eingangs genannten Art (US-PS 5,200,666), das zum erstgenannten weitgehend funktionsanalog ist, wird an beiden Enden des rohrför migen Resonators, der zur Konversion longitudinaler Schwingungen in transversale Schwingungen vorgesehen ist, mittels je eines Transducers Ultraschall-Energie eingekoppelt
Es ist auch bekannt (US-PS 4,537,511), einen rohrför migen Hohlraumresonator zu verwenden, der an beiden Enden abgeschlossen ist und von einer Seite her mit dem mittels eines Transducers eingekoppelten Ultraschall beaufschlagt wird.

Bei all diesen Geräten wird die Länge des Hohlraumreso nators gleichsam in einer ersten Näherung gemäß der Be ziehung

L = nc₀/2f_r (1)

gewählt, in der n eine ganze Zahl bedeutet, mit c₀ die Schallgeschwindigkeit in einem stahlförmigen Resonator und mit f_r die mechanische Resonanzfrequenz des mit dem Transducer akustisch gekoppelten, zur Einleitung von Ultraschall in den Resonator benutzten Wellenlei ters bezeichnet ist. Die Schallgeschwindigkeit c₀, ist hier durch die Beziehung

gegeben, in der mit E der Elastizitätsmodul (Young′scher Modul) und mit ρ das spezifische Gewicht des Resonator- Materials bezeichnet ist.

Soweit durch eine Wahl der Resonatorlänge gemäß der Beziehung (1) "suboptimale" Ergebnisse erzielt werden, wird üblicherweise durch Versuche eine Korrektur der Resonatorlänge ermittelt, was jedoch nur dann rationell ist, wenn anschließend eine größere Zahl solcher Geräte mit dieser durch Versuche ermittelten, optimalen Länge gebaut werden können. Spezialgeräte, die nur in gerin gen Stückzahlen gebaut werden, sind daher sehr teuer. Es kommt hinzu, daß bei einem solchen Vorgehen das Re sultat oftmals vom möglichen Optimum entfernt ist, je doch hingenommen wird, da das Gerät durch Nutzung eines leistungsstarken Frequenzgenerators und Transducers für den Einsatzzweck geeignet hergestellt werden kann. Auch derartige Geräte sind wegen der erforderlichen Überdi mensionierung ihrer elektrischen Versorgung und des Transducers teuer.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Gestaltung eines eingangs genannten Geräts anzugeben, das einen günstig hohen Übertragungs-Wirkungsgrad ergibt, und, nachdem es einmal ausgelegt ist, nicht, zumindest nicht nennenswerter Nachbearbeitungen bedarf, um auf einen Betrieb mit optimalem Wirkungsgrad ausgelegt werden zu können, insbesondere ein Gerät, das mit einer vorgege benen Auslegung mit einem nahe dem optimalen Wirkungs grad liegenden Wirkungsgrad arbeitet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Hohlraumresonator so ausgelegt ist, daß sowohl für longitudinale als auch für transversale Eigenschwingun gen seines Mantels die Resonanzbedingung erfüllt ist.

Diese Bedingung wird gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 2 für Geräte, bei denen der Hohlraumresonator "stark", d. h. mechanisch weitgehend starr mit dem Wel lenleiter gekoppelt ist, dadurch erfüllte daß seine Länge L gemäß der Beziehung

gewählt ist, in der mit ν der Poisson′sche Querkontrak tionskoeffizient des Hohlraumresonator-Materials, mit δ die Wanddicke des Hohlraumresonators und mit D der Außendurchmesser des rohrförmigen Hohlraumresonators bezeichnet sind.

Die hiernach gegebene Abweichung von der Beziehung (1) kann sehr klein sein, so daß die Beziehung (2) gegen über der Beziehung (1) nur eine geringfügige Verbesse rung ergibt, kann jedoch in praktischen Fällen auch um fast 40% von dem durch die Beziehung (1) gewinnbaren Resultat abweichen, so daß, verglichen mit einem sol chen Fall, die Auslegung gemäß der Beziehung (2) ein wesentlich besseres Resultat ergibt.

In bevorzugter Gestaltung des Geräts ist eine "schwa che" Kopplung des rohrförmigen Hohlraumresonators und des Wellenleiters vorgesehen, wobei schwache Kopplung bedeutet, daß zwischen den resonanten Schwingungen des Hohlraumresonators, einerseits, und den re sonanten - longitudinalen - Schwingungen des Wellenleiters eine signifikante Phasenverschiebung von besteht. Eine sol che schwache Kopplung kann z. B. dadurch realisiert wer den, daß der Wellenleiter mit dem Hohlraumresonator über ein nachgiebiges Federelement, das die Form einer Tellerfeder haben kann, mit dem Hohlraumresonator schwingungsgekoppelt ist. Für diesen Fall, in dem der Wellenleiter vorab eine Vielzahl von longitudinalen Schwingungen ausgeführt haben muß, bevor der Hohlraum resonator in Resonanz gelangt, d. h. mit maximaler Am plitude schwingt, ist dessen Länge L_w gemäß der Bezie hung

gegeben, wenn gleichzeitig der Ultraschall nur von ei ner Seite des Resonators her in diesen eingekoppelt wird.

Für den ebenfalls für schwache akustische Kopplung zwi schen dem Hohlraumresonator und dem Wellenleiter vor gesehenen Fall, daß der Hohlraumresonator von seinen beiden Enden her gleichphasig mit der von zwei Trans ducern erzeugten Schwingungsenergie beaufschlagt wird, ist seine Länge L_w, durch die Beziehung

Durch die Merkmale der Ansprüche 5 bis 7 sind Bedingun gen angegeben, bei deren Erfüllung die Schwingungsform des Hohlraumresonators vollkommen radialsymmetrisch ist (Symmetriegruppe C∞), d. h. die radialen Auslenkungen in einer rechtwinklig zur zentralen Längsachse verlau fenden Ebene immer gleichphasig sind, bzw. der Resona tor in jeder Querschnittsebene kreisförmig ist, der Durchmesser dieser Kreise jedoch über die Länge des Re sonators hinweg räumlich periodisch variiert, und in jeder Querschnittsebene der Resonatordurchmesser rest periodisch variiert.

Durch die Merkmale der Ansprüche 8, 9 und 10 sind zu sätzliche Bedingungen angegeben, bei deren Erfüllung der Resonator in einer Normalschwingungs-Form schwingt, deren Symmetrie-Ordnung definiert durch die Abmessungen des Resonators vorgebbar ist.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung. Es zeigen

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Geräts für starke Kopplung zwischen Hohlraumre sonator und Transducer, in schematisch verein fachter Längsschnittdarstellung;

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel eines Geräts mit schwa cher Kopplung zwischen Hohlraumresonator und Transducer;

Fig. 3a und b mögliche Schwingungstypen des Hohlraumre sonators für definierte geometrische Gestaltun gen desselben und

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel mit Erregung des Hohl raumresonators mittels zweier gegenphasig ange regter Transducer.

In der Fig. 1 ist insgesamt mit 10 ein Gerät bezeich net, mittels dessen Ultraschall in ein fluides Medium 11, das dünnflüssig oder pastös oder fluid-ähnlich, z. B. pulverförmig sein kann, einkoppelbar ist.

Das Gerät 10 umfaßt einen insgesamt mit 20 bezeichneten Transducer, der in Form einer Wechselspannung angebote ne elektrische Energie in (Ultra-)Schalleistung umsetzt und diese Schalleistung in Form erzwungener longitudi naler Schwingungen eines zylindrisch-bockförmigen Transducerblocks 21 anbietet, ein insgesamt mit 24 be zeichneten langgestreckt zylindrisch-rohrförmigen Hohl raumresonator und einen diesen akustisch mit dem Trans ducer koppelnden, seinerseits kreiszylindrisch-block förmig ausgebildeten Wellenleiter 23, über den die mit tels des Transducers erzeugten longitudinalen Schwin gungen in den Mantel 36 des Hohlraumresonators 24 ein koppelbar sind. Der Transducer 20, der Wellenleiter 23 und der Hohlraumresonator 24 sind, in dieser Reihenfol ge entlang einer gemeinsamen zentralen Längsachse 26 koaxial bezüglich dieser angeordnet und mechanisch fest miteinander verbunden sind. Zur diesbezüglich festen Verbindung des Wellenleiters 23 mit dem Transducerblock 21 ist ein zentraler Gewindebolzen 22 vorgesehen, der mit einander gegenüberliegend angeordneten Gewinden 25 und 25′ des Wellenleiters 23 bzw. des Transducerblocks 21 in kämmendem Eingriff steht, so daß diese durch ge genseitiges Verdrehen um die zentrale Längsachse mit ihren einander gegenüberliegenden Ringstirnflächen 17 und 18 fest aneinander anpreßbar sind.

Zur mechanisch festen Verbindung des Wellenleiters 23 mit dem Hohlraumresonator 24 ist dessen wellenleiter seitiger Endabschnitt 19 als Überwurfmutter ausgebil det, die mit einem am zugewandten Endabschnitt 28 vor handenen Außengewinde 31 in kämmendem Eingriff steht, so daß der Hohlraumresonator 24 durch Verdrehen um die zentrale Längsachse 26 gegenüber dem Wellenleiter 23 mit diesem kraftformschlüssig fest verbindbar ist, wo bei der Hohlraumresonator 24 sich mit einer Ringstirn fläche 29, die zwischen dem Gewindemantel 32 und der inneren Mantelfläche 41 des Resonatormantels 36 radial verläuft, an der dem Hohlraumresonator 24 zugewandten Endstirnfläche 38 des Gewindeabschnitts 28 des Wellen leiters 23 axial abstützt. Durch die hierdurch erzielte mechanische Verbindung des Hohlraumresonators 24 und des Wellenleiters 23 wird zwischen diesen Funktionsele menten des Geräts eine Schwingungskopplung im Sinne ei ner starken akustischen Kopplung erzielt, wobei die ra diale Breite r_b der Ringstirnfläche 29 des Hohlraumre sonatormantels 36, mit der dieser an der resonatorsei tigen Endstirnfläche 38 des Wellenleiters 23 axial ab gestützt ist, mindestens und etwa dem 0,7fachen Wert der Dicke δ des Resonatormantels entspricht, die durch die Beziehung

δ = (D₀ - D₁)/2

gegeben ist, in der mit D₀ der Außendurchmesser und mit D₁ der Innendurchmesser des Resonatormantels 36 des Hohlraumresonators 24 bezeichnet sind. Auch der Durch messer des Wellenleiters hat den dem Außendurchmesser D₀ des Hohlraumresonators 24 entsprechenden Wert.

Der Transducer 20 umfaßt als elektromechanischen Span nungs-/Schwingungswandler eine insgesamt mit 27 be zeichnete piezoelektrische Säule, die durch Ansteuerung mit einer Wechselspannung zu in Richtung der zentralen Längsachse 26 verlaufenden "Dicken"-Schwingungen, d. h. longitudinalen Längenänderungen anregbar ist, die über den Transducerblock 21 und den fest mit diesem verbunde nen Wellenleiter 23 auf den Mantel 36 des Hohlraumreso nators 24 übertragbar sind. Die piezoelektrische Säule 27 ist durch eine Mehrzahl piezokeramischer Ringschei ben 33 realisiert, die mittels einer zentralen Spann schraube 34 zwischen einem stabilen Spannring 37 und dem Transducerblock 21 fest eingespannt sind und durch parallele Ansteuerung mit der Ausgangswechselspannung U_r eines Wechselspannungsgenerators 35 zu gleichphasi gen Dicken-Schwingungen anregbar sind. Die Ausgangs- Wechselspannung des Wechselspannungsgenerators ist auf die Resonanzfrequenz der longitudinalen Eigenschwingun gen des Wellenleiters 23 einstellbar, so daß dieser re sonant zu solchen Schwingungen anregbar ist.

Bei dem zur Erläuterung gewählten Ausführungsbeispiel des Geräts 10 ist das der Ultraschallbehandlung aus zu setzende Medium 11 von einem insgesamt mit 12 bezeich neten, zylindrisch-topfförmigen Reaktorbehälter aufge nommen, der an seiner Unterseite durch eine ringschei benförmige Bodenplatte 13 abgeschlossen ist, die eine zentrale, kreisrunde Öffnung 14 hat an deren außensei tigem, gemäß der Darstellung der Fig. 1 unteren Randbe reich 14′ das Gerät 10 mittels eines radialen Flansches 30 des Wellenleiters 23 befestigbar ist, wie durch Schrauben-Mutter-Verbindungen schematisch veranschau licht, die in axialsymmetrischer Gruppierung bezüglich der zentralen Längsachse 26 des Geräts 10 vorgesehen sind.

Der radiale Flansch 30 des Wellenleiters 23 ist, in dessen Längsrichtung gesehen, in der Mitte zwischen der resonatorseitigen Endstirnfläche 38 und der transducer seitigen Ringstirnfläche 17 des Wellenleiters 23 ange ordnet, so daß die rechtwinklig zur zentralen Längsach se 26 des Geräts 10 verlaufende Mittelebene 40 des Flansches 30 bei resonanter Schwingungsanregung des Wellenleiters 23 eine Knotenebene seiner longitudinalen Schwingungen repräsentiert.

Durch die in dem Wellenleiter 23 angeregten, longitudi nalen Schwingungen, die mit in Richtung der zentralen Längsachse 26 verlaufenden Auslenkungen seiner End stirnflächen 17 und 38 verknüpft sind, wobei diese Aus lenkungen, entlang der zentralen Längsachse 26 des Wel lenleiters 23 gesehen, stets einander entgegengesetzt gerichtet sind, wird auch der Hohlraumresonator 24 zu longitudinalen Schwingungen angeregt, mit denen auf grund der hiermit verknüpften Querkontrakton des Reso nator-Mantels 36 auch transversale, d. h. radial zur zentralen Längsachse 26 gerichtete Mantel-Schwingungen einhergehen, mittels derer Ultraschallenergie über die äußeren und inneren Zylindermantelflächen 39 und 41 in radialer Richtung in das der Ultraschallbehandlung aus zusetzende Medium "abstrahlbar" - einkoppelbar - ist.

Um einen möglichst hohen Wirkungsgrad der Umsetzung von elektrischer Energie in Schall-Leistung, die in das Medium 11 einkoppelbar ist, zu erzielen, wird der Wel lenleiter 23 in seiner mechanischen Resonanzfrequenz fr betrieben, bei der die halbe Wellenlänge der im Wellen leiter anregbaren longitudinalen Schwingungen gleich dem mittleren, in axialer Richtung gemessenen Abstand a seiner Endstirnflächen 17 und 38 ist. Der Wechselspan nungsgenerator 35 ist soweit durchstimmbar, daß die resonante Anregung des Wellenleiters 23 sichergestellt ist. Zur Erzielung des erwünscht hohen Wirkungsgrades der Umsetzung von elektrischer Leistung in mechanische Schall-Leistung ist auch der Hohlraumresonator 24 auf die Resonanz-Frequenz f_r des Wellenleiters 23 abgestimmt und hierbei auch dahingehend ausgelegt, daß die Reso nanzbedingung sowohl für die longitudinalen als auch die transversalen Schwingungsmoden seines Mantels 36 erfüllt ist.

Hierzu ist die von der Einkoppelebene 42, in der die resonatorseitigen Endstirnfläche 38 des Wellenleiters 23 an der einen, gemäß der Darstellung der Fig. 1 unte ren ringförmigen Endstirnfläche 29 des Hohlraumresona tors 24 abgestützt und hierbei fest an diese angepreßt ist, bis zur oberen, freien Endstirnfläche 44 des Hohl raumresonators 24 gemessene Länge L desselben gemäß der Beziehung

gewählt ist. In dieser Beziehung bedeuten:
ν: Poisson′scher Querkontraktionskoeffizient
D₀: Außendurchmesser des Hohlraumresonators 24
: Wanddicke des Mantels 36 des Hohlraumresonators
f_r: Resonanzfrequenz des Wellenleiters 23
n: ganze Zahl 1
c₀: Schallgeschwindigkeit in einem stabförmigem Reso nator die ihrerseits durch die Beziehung

gegeben ist, in der mit E der Elastizitäts-Koeffi zient (Young′scher Modul) des Materials des Hohl raumresonators 24 und mit ρ dessen Dichte be zeichnet sind.

Um bei einer solchen Auslegung des Hohlraumresonators 24 eine definierte, axial voll-symmetrische Abstrahl charakteristik zu erzielen, derart, daß der Mantel (36) radiale Schwingungsbewegungen ausführt, bei denen in Knoten Ebenen derselben der mittlere Durchmesser D des Hohlraumresonatormantels 36 erhalten bleibt und anson sten über die Länge L des Hohlraumresonators sinusoidal variiert, wobei in jeder Querschnittsebene der Quer schnitt kreisförmig bleibt, wenngleich im Durchmesser zeitlich variierend, ist der Hohlraumresonator 24 wei terhin so ausgelegt, daß zusätzlich zu der Beziehung (2) auch die Beziehung

erfüllt ist.

Zur Erläuterung der vollsymmetrischen Schwingungsform resonanter Schwingungen des Hohlraumresonators 24, die sich ergibt, wenn dieser gemäß den Beziehungen (2) und (5′) ausgelegt ist, sei auf die Fig. 3a Bezug genommen, in der durch radial auswärts gerichtete Pfeile 46 und radial einwärts gerichtete Pfeile 47 die Auslenkungen des Resonatormantels 36 bezüglich seiner zentralen Längsachse 26 veranschaulicht sind, die der Resonator mantel 36 - außerhalb einer Knotenebene - unter Beibe haltung seines kreisringförmigen Querschnitts erfährt.

Alternativ zu der durch die Fig. 3a veranschaulichten, axial voll-symmetrischen Schwingungsform kann der Hohl raumresonator 24 auch resonant zu Eigenschwingungen niedrigerer axialer Symmetrie angeregt werden, z. B. zu Eigenschwingungen seines Mantels 36, die bezüglich der zentralen Längsachse 26 eine 3-zählige Symmetrie haben, derart, daß, in Umfangsrichtung des Mantels 36 gesehen, äquidistant voneinander angeordnete 60°-Teilbereiche 48, 49 und 51 des Resonator-Mantels 36 auswärts gerich tete Auslenkungen erfahren, während die zwischen je weils zwei dieser Teilbereiche angeordneten komplemen tären 60°-Teilbereiche 52, 53 und 54 des Resonatorman tels 36 radial einwärts gerichtete Auslenkungen erfah ren, wie durch die entsprechenden Richtungspfeile 56 und 57 veranschaulicht. Ein Schwingungsverhalten des Hohlraumresonators 24 mit derartigen Schwingungsformen axialer Symmetrie definierter Zähligkeit p, wobei für die Schwingungsform gemäß Fig. 3b p = 3 gilt, ist da durch erreichbar, daß der Hohlraumresonator 24 gemäß Fig. 1 so ausgelegt wird, daß zusätzlich zu der Rela tion (2) auch die Relation

erfüllt ist.

Zur Erläuterung eines weiteren Ausführungsbeispiels ei nes zu dem Gerät 10 gemäß Fig. 1 analog einsetzbaren, insgesamt mit 10′ bezeichneten Geräts sei nunmehr auf die Fig. 2 bezug genommen, in der, der Einfachheit hal ber, das Gerät 10′ lediglich durch seinen Transducer 20, den Wellenleiter 23′ und den mit diesem akustisch gekoppelten Hohlraumresonator 24′ sowie die zu deren akustischer Kopplung vorgesehen Montage- und Kopplungs elemente dargestellt sind. Das Gerät 10′ gemäß Fig. 2 unterscheidet sich in funktioneller Hinsicht von dem Gerät 10 gemäß Fig. 1 lediglich dadurch, daß der Hohl raumresonator 24′ mit dem Wellenleiter 23′ im Sinne einer "schwachen" akustischen Kopplung verbunden ist, die bewirkt, daß der Hohlraumresonator 24′ und der zy lindrisch-stabförmige Block 58 des Wellenleiters 23′ longitudinale Relativbewegungen gegeneinander ausführen können, wobei diese schwache Kopplung im Ergebnis dazu führt, daß, im Resonanzfall, die longitudinalen Bewe gungen des Hohlraumresonators 24′ gegenüber den longi tudinalen Schwingungen des Wellenleiters 23′ eine sig nifikante Phasenverschiebung haben. Die - akustisch schwache - Kopplung des rohrförmigen Hohlraumresonators 24′ und des stabförmigen Blocks 58 des Wellenleiters 23′ wird durch Abstützung eines sich radial verjüngen den Stützflansches 60 an einer in einem äußeren radia len Bereich konisch komplementär verlaufenden inneren Stützfläche 59 des Hohlraumresonators 24′ erzielt, die zwischen Mantelabschnitten 36′ und 36′′ unterschiedli cher Dicken δ und δ₁ vermittelt, wobei der Außendurch messer D₀ beider Abschnitte 36′ und 36′′ derselbe ist. Der Abschnitt 36′′ der kleineren Dicke δ₁ hat, in Rich tung der zentralen Längsachse 26 des Geräts 10′ gese hen, eine axiale Ausdehnung, die 1/8 der Wellenlängen λ entspricht, die im Falle resonanter Schwingungsanregung des Hohlraumresonators 24′ der Wellenlänge λ der lon gitudinalen Schwingungsanregung im Hohlraumresonator 24′ entspricht. Der gemäß der Längsschnittdarstellung der Fig. 2 schneidenförmig beziehungsweise keilförmig ausgebildete radial äußere Rand 60′ des Stützflansches 60, der sich an der konischen Stützfläche 59 des Hohl raumresonators 24′ axial abstützt, geht von einem ra dial inneren, ringscheibenförmigen Flanschbereich 60′′ aus, der seinerseits einstückig mit dem stabförmigen Block 58 des Wellenleiters 23′ ausgebildet ist. Inner halb dieses ringscheibenförmigen Teilbereichs 60′′ greift ein von dem dünnerwandigen Abschnitt 36′′ des Hohlraumresonatormantels 36′ koaxial und in lichtem ra dialem Abstand von diesem umschlossenes, rohrförmiges Distanzstück 61 an, das mittels einer Überwurfmutter 62, die mit einem Außengewinde 63 des dünnerwandigen Abschnittes 36′′ der Dicke δ₁ des Resonatormantels 36′ in kämmendem Eingriff steht und auf einen vorgegebenen Wert der axialen Kraft einstellbar ist, mit der sich der Wellenleiter 23′ über seinen Stützflansch 60 an der konischen Stützfläche 59 des Hohlraumresonators 24′ axial abstützt, gegen den ringscheibenförmigen Flansch bereich 60′′ gedrängt wird. Durch die sich radial nach außen verjüngende Gestaltung des Stützflansches 60 er langt dieser die Eigenschaft einer Feder, ähnlich der jenigen einer Tellerfeder, die die axial-nachgiebige Verbindung - Kopplung - des Hohlraumresonators 24′ mit dem stabförmigen Block 58 des Wellenleiters 23′ vermit telt.

Bei dem Gerät 10′ sind, verglichen mit dem Gerät 10 gemäß Fig. 1, größere Beträge der radialen Schwingungs amplituden des Hohlraumresonators 24′ erreichbar, d. h. ein höherer Q-Faktor, der allgemein durch das Verhält nis der abgestrahlten akustischen Leistung zur hierzu benötigten - elektrischen - Anregungsleistung definiert ist.

Um bei dem Gerät 10′ die für die Erreichung eines mög lichst hohen Q-Faktors geeigneten Bedingungen einzuhal ten, nämlich den Hohlraumresonator 24′ so zu gestalten, daß bei diesem sowohl für longitudinale als auch für transversale Schwingungen die Resonanzbedingung erfüllt ist, ist die Länge L_w des Hohlraumresonators 24′ gemäß der Beziehung

gewählt.

Soll der Hohlraumresonator 24′ des Geräts 10′ im Reso nanzfall in der axial vollsymmetrischen Schwingungsform (Fig. 3a) schwingen, wird er so ausgelegt, daß seine Länge L_w zusätzlich zu der Bedingung (3) auch der Be dingung

genügt.

Sollen andererseits bei dem Gerät 10′ Schwingungsformen niedrigerer axialer Symmetrie anregbar sein, wie z. B. anhand der Fig. 3b erläutert, so wird dies durch eine Auslegung des Hohlraumresonators 24′ dahingehend er reicht, daß dieser zusätzlich zu der Beziehung (3) auch der Beziehung

genügt, in der mit p
eine ganze Zahl 1 bezeichnet ist.

Das als weiteres Ausführungsbeispiel in der Fig. 4, auf die nunmehr Bezug genommen sei, in stark vereinfachter, schematischer Form dargestellte Gerät 10′′ ist dem Ge rät 10′ gemäß Fig. 2 sowohl in konstruktiver als auch in funktioneller Hinsicht weitestgehend analog und un terscheidet sich von diesem lediglich dadurch, daß an beiden Enden seines rohrförmigen Hohlraumresonators 24′′ je ein akustisch schwach an den Hohlraumresonator 24′′ angekoppelter Transducer und Wellenleiter 23′ des anhand der Fig. 2 geschilderten Typs vorgesehen ist, um höhere Amplituden der transversalen Schwingungen des Hohlraumresonators 24′′ zu erreichen.

Die - nicht eigens dargestellten - piezokeramischen Säulen oder magnetostriktiven Wandler dieser Transducer 20′ und Wellenleiter 23′ werden mittels des Wechsel spannungsgenerators 35′ so angesteuert, daß sie zu ge genphasigen Schwingungen angeregt werden.

Die Bedingung, daß der Hohlraumresonator 24′ sowohl die Resonanzbedingung für longitudinale resonante Schwin gungen als auch für transversale resonante Schwingungen erfüllt, ist bei dem Gerät 10′′ gemäß Fig. 4 dadurch erreichbar, daß die Länge L_w′ des Hohlraumresonators 24′′ gemäß der Beziehung

gewählt wird, in der mit n eine ganze Zahl 2 be zeichnet ist.

Soll der Hohlraumresonator 24′′ des Geräts 10′′ gemäß Fig. 4 mit der vollsymmetrischen Abstrahlcharakteristik gemäß Fig. 3a betrieben werden, so wird der Hohlraumre sonator 24′′ so ausgelegt, daß zusätzlich zu der Rela tion (4) auch die Relation

erfüllt ist.

Soll, andererseits, das Gerät 10′′ gemäß Fig. 4 mit Schwingungsformen niedrigerer axialer Symmetrie seines Hohlraumresonators 24′′ betrieben werden, wird der Hohlraumresonator 24′′ so ausgelegt, daß seine Länge L_w′ zusätzlich zu der Bedingung (4) auch der Bedingung

genügt.

Die anhand der Fig. 1, 2 und 4 erläuterten Geräte 10, 10′ und 10′′ können zur Reinigung von Werkstücken, zur Stimulierung chemischer Reaktionen, zur Mischung mehre rer flüssiger oder pastöser Komponenten von Nahrungs mitteln, zur Emulgation und dergleichen eingesetzt wer den.

Eine - nicht dargestellte - Abwandlung der Ausführungs beispiele gemäß den Fig. 1 und 2 kann auch darin beste hen, daß der Resonator 24 oder der Resonator 24′ an seinem Ende abgeschlossen ist, z. B. durch eine Platte, die fest an das Resonatorrohr angesetzt ist.

Solange die Dicke dieser Abschlußplatte klein gegen die halbe Wellenlänge der Schallwellen im Resonatorrohr ist, werden auch mit einem solchermaßen abgeschlossenen Resonator dieselben Resultate erzielt, wie anhand der Ausführungsbeispiele gemäß den Fig. 1 und 2 erläutert.

Claims

1. Gerät zur Einkopplung von Ultraschall in ein flüs siges oder pastöses Medium, bestehend aus folgen den Funktionselementen:

a) einem Wechselspannungsgenerator, der auf Fre quenzen zwischen 1 kHz und 100 kHz ausgelegt ist,
b) einem mit der Ausgangs-Wechselspannung des Ge nerators zu hochfrequenten - longitudinalen - mechanischen Schwingungen ansteuerbaren, magne tostriktiven oder piezoelektrischen Transducer,
c) einem zylindrisch-stabförmigen Wellenleiter, der durch den Transducer zu longitudinalen re sonanten Schwingungen anregbar ist und
d) einem mit dem Wellenleiter akustisch gekoppel ten, rohrförmigen Hohlraumresonator, der die longitudinalen resonanten Schwingungen in be züglich seiner Längsachse transversale Schwin gungen umsetzt, deren Schwingungsenergie in das mit Ultraschall zu behandelnde Medium einkop pelbar ist,

dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraumresonator (24; 24′, 24′′) so ausgelegt ist, daß er sowohl hin sichtlich longitudinaler als auch hinsichtlich transversaler Eigenschwingungen seines Mantels (36; 36′, 36′′) der Resonanzbedingung genügt.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge L des an den Wellenleiter (23) angekop pelten Hohlraumresonators gemäß der Beziehung gewählt ist, in der mit
ν der Poisson′sche Querkontraktionskoeffizient, mit
D₀ der Außendurchmesser des Hohlraumresonators, mit
δ die Wanddicke des Mantels 36 des Hohlraumreso nators 24, mit
f_r die Resonanzfrequenz des Hohlraumresonators 24 mit
n eine ganze Zahl 1 (und) mit
c₀ die Schallgeschwindigkeit in einem stabförmigen Resonator bezeichnet sind, wobei diese Schall geschwindigkeit c₀ ihrerseits durch die Bezie hung gegeben ist, in der mit E der Elastizitäts-Ko effizient (Young′scher Modul) des Materials des Hohlraumresonators 24 und mit ρ dessen Dichte bezeichnet sind.

3. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraumresonator (24′) akustisch schwach an den Wellenleiter (23′) angekoppelt ist, und daß seine Länge L_w gemäß der Beziehung gewählt ist, in der mit
ν der Poisson′sche Querkontraktionskoeffizient, mit
D₀ der Außendurchmesser des Hohlraumresonators (24′′), mit
δ die Wanddicke des Mantels 36 des Hohlraumreso nators (24′′), mit
f_r die Resonanzfrequenz des Hohlraumresonators (24′′) mit
n eine ganze Zahl 2, mit
c₀ die Schallgeschwindigkeit in einem stabförmigen Resonator bezeichnet sind, wobei diese Schall geschwindigkeit c₀ ihrerseits durch die Bezie hung gegeben ist, in der mit E der Elastizitäts-Ko effizient (Young′scher Modul) des Materials des Hohlraumresonators (24′′) und mit ρ dessen Dichte bezeichnet sind, und mit δ₁ die gegen über der Dicke δ des die Einkopplung der Schallenergie in das zu behandelnde Medium ver mittelnden Abschnitts (36′) des Resonatorman tels reduzierte Dicke eines transducerseitigen Mantelabschnitts (36′′) bezeichnet ist, dessen Außendurchmesser ebenfalls den Wert D₀ hat und dessen Länge 1/8 der Schallwellenlänge λ bei resonanter Anregung des Hohlraumresonators (24′′) entspricht.

4. Gerät nach Anspruch 1, wobei der Hohlraumresonator von beiden Seiten her durch schwach angekoppelte Transducer zu resonanten transversalen Schwingungen anregbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Reso natorlänge L_w gemäß der Beziehung gewählt ist, in der mit
ν der Poisson′sche Querkontraktionskoeffizient, mit
D₀ der Außendurchmesser des Hohlraumresonators (24′′), mit
δ die Wanddicke des Mantels 36 des Hohlraumreso nators (24′′), mit
f_r die Resonanzfrequenz des Hohlraumresonators (24′′) min
n eine ganze Zahl 1, mit
c₀ die Schallgeschwindigkeit in einem stabförmigen Resonator bezeichnet sind, wobei diese Schall geschwindigkeit c₀ ihrerseits durch die Be ziehung gegeben ist, in der mit E der Elastizitäts-Ko effizient (Young′scher Modul) des Materials des Hohlraumresonators (24′′) und mit ρ dessen Dichte bezeichnet sind, und mit δ₁ die gegen über der Dicke δ des die Einkopplung der Schall energie in das zu behandelnde Medium vermitteln den Abschnitts (36′) des Resonatormantels redu zierte Dicke eines transducerseitigen Mantelab schnitts (36′′) bezeichnet ist, dessen Außen durchmesser ebenfalls den Wert D₀ hat und des sen Länge 1/8 der Schallwellenlänge λ bei re sonanter Anregung des Hohlraumresonators (24′′) entspricht.

5. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge l des Hohlraumresonators (24) zusätzlich zu der Beziehung (2) auch der Beziehung: genügt.

6. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Hohlraumresonators (24′) zusätzlich zu der Beziehung (3) auch der Beziehung genügt.

7. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge L_w des Hohlraumresonators (24′′) zusätz lich zu der Beziehung (4) auch der Beziehung genügt.

8. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Hohlraumresonators (24) zusätzlich zu der Beziehung (2) auch der Beziehung genügt, in der mit p eine ganze Zahl bezeichnet ist.

9. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge L_w des Hohlraum-Resonators (24′) zusätz lich zu der Beziehung (3) auch der Beziehung genügt, in der mit p eine ganze Zahl 1 bezeichnet ist.

10. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge L_w des Hohlraumresonators (24′′) zusätz lich zu der Beziehung (4) auch der Beziehung genügt, in der mit p eine ganze Zahl 1 bezeichnet ist.