DE19546099A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Dichte von Kavitationsblasen und der kavitationsstärke in Kavitationsfeldern - Google Patents

Description

Kavitation beschreibt die Entstehung von gas- oder dampfgefüllten Blasen in Flüssigkeiten unter Einwirkung starker Unterdrucke. Auch in Schallfeldern hoher Intensität können solche Felder von Blasen, die sogenannten Kavitationsfelder, erzeugt werden. Nach der Wachstumsphase im Unterdruckbereich folgt bei akustischer Anregung ein Kollaps der Blasen in der Überdruckphase, der mit einer hohen Energiekonzentration und hohen Temperaturen im Blaseninneren verbunden ist. Die Vielzahl der Anwendungen in der industriellen Praxis zeigt die Bedeutung des Kavitationseffektes.

Die Abb. 1 zeigt schematisch den einfachsten Aufbau zur Erzeugung eines Kavitationsfeldes. Eine Flüssigkeit wird durch einen Ultraschallwandler, der ein Schallfeld hoher Intensität erzeugt, angeregt. Anordnungen dieser Art finden zum Beispiel als Ultraschallreinigungsgeräte Verwendung. Auch andere Anwendungen von Kavitationsfeldern sind denkbar, wie die Beeinflussung chemischer Reaktionen oder die Inaktivierung von Plankton und Bakterien in Wasseraufbereitungsanlagen und Klärwerken. Jede kompliziertere Form eines Aufbaus zur akustischen Kavitationserzeugung läßt sich aus diesem gegebenen Modell ableiten, die Effekte der Kavitation sind in den verschiedensten Flüssigkeiten nachgewiesen worden. Die Anregung erfolgt meist monofrequent, wenigstens in einem für die Untersuchung des Kavitationseffektes notwendigen Zeitintervall.

Der in Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, daß es für die Dimensionierung eines Aufbaus zur Erzeugung von Kavitationsfeldern von großem Nutzen wäre, das entstehende Kavitationsfeld nach Blasendichte und Kavitationsstärke vermessen zu können.

Dieses Problem wird durch das in Patentanspruch 1 aufgeführte Verfahren gelöst.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß es aus Gründen der Wirtschaftlichkeit und für die Dimensionierung eines solchen Kavitationsaufbaus von großem Nutzen ist, das entstehende Kavitationsfeld nach Blasendichte und Kavitationsstärke vermessen zu können. Bei einer Vielzahl von Anwendungen ist es wichtig, ein räumlich möglichst gleichmäßig verteiltes Feld von Kavitationsblasen zu erlangen, desweiteren sollten die Kavitationsvorgange meist in einem bestimmten Toleranzbereich am Übergang zur transienten (heftigen) Kavitation liegen. Im Gegensatz zu den Anwendungsbereichen, in denen gezielt Kavitation erzeugt werden soll, gibt es auch Fälle, in denen die zerstörende Wirkung der kollabierenden Kavitationsblasen nicht wünschenswert ist. Auch dabei ist von großer Bedeutung, eine eventuell entstehende heftige Kavitation sofort nachzuweisen.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Patentanspruch 2 gegeben. Als sekundäre Anregungssignaie können nicht nur kontinuierliche, monofrequente Signale, sondern auch sogenannte Bursts herangezogen werden. Eine zusätzliche Mittelung reduziert den Meßfehler.

Patentanspruch 3 bezieht sich auf die Auswertung der Meßsignale, die räumliche Untersuchung eines Kavitationsfeldes liefert für einige Anwendungen sehr wichtige Informationen.

Ein Ausführungsbeispiel und die Grundlagen der Erfindung werden im folgenden näher beschrieben.

Der Effekt der Kavitation stellt ein stark nichtlineares Phänomen dar. Bringt man gemäß der Erfindung mit einem zweiten Ultraschallwandler ein zusätzliches monofrequentes Schallsignal geringerer Amplitude in das Kavitationsfeld, so bilden sich bedingt durch die Nichtlinearität des Systems Intermodulationserscheinungen aus. Es bilden sich Schallanteile mit Frequenzen, die den Differenz- und Summenfrequenzen zwischen allen vorliegenden spektralen Anteilen entsprechen. Den Vorgang der Bildung der Intermodulationsfrequenzen verdeutlicht Abb. 2. Die geringere Intensität der Sekundäranregung ist notwendig, um nicht durch den Meßvorgang das vorliegende Kavitationsfeld zu beeinflussen.

Die Entstehung der Intermodulationsanteile kann, wie hier am Beispiel der Differenzfrequenzen gezeigt, mit Hilfe der Gleichung der parametrischen Ultraschalierzeugung [1] beschrieben werden:

dabei ist Ω = ω₂-ω₁ die Differenzfrequenz und

stellt den Nicht­ linearitätskoeffizienten dar. ρ₀ ist der Gleichgewichtsdruck des Gases im Blaseninneren, γ ist adiabatische Exponent, Q die Güte der Blasenresonanz, n(R) beschreibt die Verteilungsfunktion der Blasengrößen und die Resonanzfrequenz der Blasenschwingung steht über den Ausdruck

in Zusammenhang mit dem entsprechenden Blasenradius. ρ₀ steht für Dichte der Flüssigkeit.

Liegt gemäß der Erfindung die Frequenz der Sekundäranregung sehr weit oberhalb der Primärfrequenz, so werden die Intermodulationsfrequenzen wieder sehr nah an der Sekundäranregung liegen. Analog zu den Herleitungen von Kobelev und Sutin [1] läßt sich der Koeffizient der Nichtlinearität (1) sehr stark vereinfachen und unter der Annahme einer ausreichend glatten Verteilungsfunktion der Blasendichte in Abhängigkeit vom Radius n(R) mit ω «, ω₂ Ω ≈ ω ergibt sich

p_Ω ≈ p₁ p₂ Cn(R_ω) (2).

R_ω ist dabei der Radius der Kavitationsblasen mit der Frequenz ω, C enthält alle hier als konstant angesehenen Terme, wobei die Näherung einer geringen Blasendichte betrachtet wurde [1, 2]. Gleichung (2) beschreibt eine direkte Proportionalität der Schalldruckamplitude der Intermodulationssignaie von der Dichte der Kavitationsblasen und von den Amplituden der Primär- und der Sekundäranregung, wobei die Dichte der Blasen zusätzlich direkt von der Amplitude der Primäranregung abhängt. Hält man nun gemäß der Erfindung die Amplitude der sekundären Anregung konstant, so ist der gemessene Schalidruck der Differenz- und Summenfrequenzen direkt zu dem Produkt aus Blasendichte und Primärschalidruck proportional, bei bekanntem oder gleichzeitig gemessenem Primärschalldruck kann die Blasendichte angegeben werden. Die Auswertung kann durch den Vergleich der gemessenen Schalldruckamplituden mit den in einer vorhergehenden Referenzmessung bei bekanntem Blasenfeld bestimmten Zahlenwerten erfolgen, oder aber auch durch die vorherige Bestimmung der Konstanten C. Damit die gemessenen Amplitudenwerte der Intermodulationsfrequenzen p_2±1 nicht durch variierende Absorptionseffekte verschiedener Blasenfelder beeinflußt werden, werden die meßtechnisch ermittelten Druckamplituden mit Hilfe der gleichzeitig gemessenen Amplitude der sekundären Anregung p₂ normiert.

Die von einer Primäranregung erzeugten Kavitationsprozesse zeigen ein charakteristisches Spektrum emittierten Schalls. Neben der Frequenz der Anregung sind harmonische sowie sub- und ultraharmonische Schallanteile enthalten. Die genaue Zusammensetzung des Kavitationsspektrums hängt sehr stark von der Heftigkeit der Kavitationseffekte und der Schwingung der betrachteten Blasen ab [3]. Durch Bildung der Intermodulationseffekte wird das niederfrequente Kavitationsspektrum in den hochfrequenten Bereich um die Sekundäranregung herum abgebildet und steht dort sehr viel leichter für eine Auswertung zur Verfügung.

In diesem Ausführungsbeispiel wird die Untersuchung an einem kommerziellen Ultraschallreini­ gungsbad betrachtet. Abb. 3 zeigt ein gemessenes Frequenzspektrum der empfangenen Signale um die sekundäre Anregung herum und demonstriert die Bildung der Intermodulationsfrequenzen. Werden die Amplituden der Intermodulationen p_2±1/2 zwischen den sub- und ultraharmonischen Schallanteilen und dem Sekundärsignal normiert die Intermodulationen zwischen den Anregungsfrequenzen p_2±1 ausgewertet, so erhält man Auskunft über das bei dem vorliegenden Kavitationsprozeß entstehende Spektrum des emittierten Schalles und kann somit die Kavitationsstärke im betrachteten System abschätzen.

In Abb. 1 ist eine Anordnung zur Vermessung von Kavitationsfeldern schematisch dargestellt. Ein Sendewandler erzeugt mit Hilfe des piezoelektrischen Effektes oder anderer Effekte zur Erzeugung von Ultraschall die sekundäre Schallanregung. Demgegenüber ist ein Hydrophon angeordnet, weiches das gesamte entstehende Schallfeld empfängt. Das Hydrophon wandelt das empfangene Schallfeld in elektrische Signale. Neben der dargestellten Anordnung mit direkt gegenüberliegenden Sekundärwandler und Hydrophon sind noch eine Reihe anderer Aufbauten denkbar, bei denen mit einem beliebig angeordneten Sendewandler ein sekundäres Schallfeld erzeugt und ein Hydrophon zum Empfang eingesetzt wird. Gemäß der Erfindung beruhen alle diese Meßanordnungen auf demselben Meßprinzip, die Anordnungen können aus der Dargestellten abgeleitet werden.

Die empfangenen Signale werden entweder digital oder analog weiterverarbeitet. Durch entsprechende Filterung des empfangenen Signais werden die Schalldruckamplituden der einzelnen Frequenzanteile am Intermodulationsspektrum ermittelt.

Die beschriebene Meßsonde wird zur räumlichen Untersuchung des Kavitationsfeldes im Flüssigkeitsvolumen bewegt, um so die räumliche Verteilung der Blasendichte und einen Überblick über die örtliche Verteilung der Kavitationsstärke zu gewinnen. In Abb. 4 ist das Ergebnis der Untersuchung der Blasendichte im Ultraschall-Reinigungsbad gezeigt. Das Reinigungsbecken wurde dabei in einer Höhe von 3,5 cm abgetastet. Die räumliche Verteilung der Blasendichte wurde bestimmt, dargestellt mit einer Normierung auf die maximale Dichte der Kavitationsblasen, die in der Versuchsanordnung gemessen werden konnte. Im Gegensatz dazu demonstriert Abb. 5 eine Auswertung der verschiedenen Intermodulationsspektren bezüglich der Subharmonischen der Primäranregung. Die Entstehung der subharmonischen Anteile markiert den Übergang zur heftigen Kavitation [3] und gibt damit die räumlichen Bereiche an, an denen heftige Kavitation vorliegt.

Eine große Anzahl Messungen nach dem beschriebenen Verfahren und die Verifizierung der experimentellen Ergebnisse anhand einer Blasendichtebestimmung nach dem bewährten Absorptionsprinzip bestätigen die Leistungsfähigkeit des Meßprinzips.

Literatur

[1] Y. A. Kobelev, A. M. Sutin, Difference-Frequency Sound Generation in a Liquid Containing Bubbles of Different Sizes, J. Sov. Phys. Acoust. 26/6, 485, (1980).

[2] E. Zabolotskaya, S. Soluyan, Emission of Harmonic and Combination Frequency Waves by Air Bubbles, J. Sov. Phys. Acoust. 18/3, 396, (1971).

[3] W. Lauterborn, E. Cramer, On the Dynamics of Acoustic Cavitation Noise Spectra, Acustica, 49, 280, (1981).

[4] T. Niederdränk, Untersuchung von Intermodulationseffekten in Kavitationsfeldern bei doppelfrequenter Anregung, Fortschritte der Akustik - DAGA ′95, DPG-GmbH, Bad Honnef 1995.

Claims (3)

1. Verfahren zur meßtechnischen Bestimmung der Dichte von Kavitationsblasen sowie zur Beurteilung der Kavitationsstärke in Kavitationsfeldern, wie sie beispielsweise in Ultraschallreinigungsgeräten, aber auch in Ultraschallreaktoren in der Chemie sowie in der Wasseraufbereitungs- und der Klärwerktechnik Verwendung finden, dadurch gekennzeichnet, daß zu der zur Erzeugung der Kavitationsfelder notwendigen primären Anregung durch ein Ultraschallfeld hoher Intensität ein sekundäres hochfrequentes Ultraschallfeld eingeschallt wird. Die Amplituden der sich durch Intermodulationseffekte ausbildenden Schallanteiie werden zur Beurteilung von Blasendichte und Kavitationsstärke im Kavitationsfeld herangezogen.

2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sekundäre Anregung durch kontinuierlich eingeschallte monofrequente Signale oder einige Wellenzüge eines solchen monofrequenten Signales erfolgt. Zur Mittelung können die Frequenzen der sekundären Anregungssignale bei aufeinanderfolgenden Messungen variiert werden.

3. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch verschiedene Messungen innerhalb eines Flüssigkeitsvolumens eine räumliche Untersuchung des Kavitationsfeldes erfolgt. Die digitalisierten Meßdaten werden digital ausgewertet, oder analog gefiltert und ausgewertet. Die Kalibrierung der Meßergebnisse geschieht entweder auf Bezugswerte derselben Probe an einem ortsfesten Bezugspunkt oder durch Vergleichsmessungen an einer Referenzprobe.