DE3114657A1 - Vorrichtung zur erzeugung von ultraschallwellen in einer fluessigkeitsmenge - Google Patents

Vorrichtung zur erzeugung von ultraschallwellen in einer fluessigkeitsmenge

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DE3114657A1
DE3114657A1 DE19813114657 DE3114657A DE3114657A1 DE 3114657 A1 DE3114657 A1 DE 3114657A1 DE 19813114657 DE19813114657 DE 19813114657 DE 3114657 A DE3114657 A DE 3114657A DE 3114657 A1 DE3114657 A1 DE 3114657A1
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Dario Guissano Milano Felisari
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    • GPHYSICS
    • G10MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10KSOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K13/00Cones, diaphragms, or the like, for emitting or receiving sound in general
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06BMETHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B3/00Methods or apparatus specially adapted for transmitting mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung
  • von Ultraschallwellen in einer Flüssigkeit.
  • Nach dem Stand der Technik wird die Erzeugung von Ultraschallwellen in einer Flüssigkeitsmasse mittels einer Platte ausgeführt, die ein einheitlicher Teil der Barriere zur Eingrenzung der Flüssigkeit ist und auf die die Schwingungen geeigneter elektromechanischer Wandler übertragen werden. Diese Wandler sind an der der Abstrahlungsseite abgewandten Seite der Platte angebracht, und zwar durch Ankleben mittels organischer Klebemittel, durch Löten, durch kombinierte Schweiß- und Lötverfahren oder durch Einsetzen in speziell vorgesehene Bohrungen,die in der Eingrenzungsplatte geformt sind, wobei nach dem Einsetzen die Wandler durch Umfangsschweißen befestigt werden.
  • Bei diesen herkömmlichen Ausbildungen ergibt sich eine Anzahl von Nachteilen. Die abstrahlende Wandfläche wird zum Sitz von direkt erregten Bereichen, entsprechend den Wandlern, an denen die Schwingung etwa das gleiche Verteilungsmuster und die gleiche Intensität wie die Anpaßfläche aufweist, und es werden auch komplementäre Umfangs-Erregungsbereiche geformt, an denen die Plattenschwingungen erzeugt werden, die eine Funktion einer Anzahl von Faktoren sind, die der geometrischen Gestalt der Platte, ihren mechanischen Eigenschaften, den mechanischen Eigenschaften der enthaltenen Flüssigkeit und des Verteilungsmusters der auftreffenden Strahlungen aus der Flüssigkeit.
  • In der Praxis treten bei diesen Erscheinungen Plattenschwingungen mit stationären Versetzungs-Antiknoten auf, die eine unkontrollierte Amplitude aufweisen und die insbesondere bei Anwesenheit ionischer Lösungen die rasche Erosion der Metalloberfläche des Behälters fördern.
  • Zusätzlich werden eine Anzahl von Problemen erzeugt, wie die durch Ermüdung hervorgerufene Verschlechterung der Übertragungseigenschaften der organischen Kleber und der gelöteten Verbindungen, sowie die sich daraus ergebende allmähliche Isolation der Wandler von den schallabstrahlenden Flächen.
  • Nach dem vorstehend erwähnten Stand der Technik ist es erforderlich, verhältnismäßig dünne Metallwände zu verwenden, um ernsthafte Ermüdungsbelastungen in den Anpaßbereichen zu verhindern, sowie Verluste, die auf der Verminderung der Anpaßfaktors beruhen. Diese Umstände machen ein derartiges Konstruktionsmuster unter den gewöhnlichen Bedingungen kommerzieller Anwendung ungeeignet oder kritisch, insbesondere, wenn die Möglichkeit von Stößen oder erheblichen Deformationen der die Flüssigkeit einschließenden Metallplatte besteht.
  • Das Ziel der Erfindung besteht darin, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden, und zwar insbesondere dadurch, daß verhindert wird, daß die die Flüssigkeit eingrenzende Wand ein passives und störendes Element bei der Übertragung der Schwingungen zum Flüssigkeitskörper wird.
  • Zu diesem Zweck wird gemäß der Erfindung eine Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschallwellen in einem Flüssigkeitskörper geschaffen, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie eine Wandplatte aufweist, deren oberflächliche Abmessungen größer sind als die akutische Wellenlänge und die anisotrope Eigenschaften aufweist oder mit einer Permeabilität bezüglich der Übertragung derakustischen Energie in Querrichtung ausgestattet ist, die vielmals größer istals die Übertragung in tangentialer Richtung der Platte, daß elektromechanische Konverter zur Erzeugung von Schallwellen entsprechend einem im wesentlichen gleichförmigen Verteilungsmuster an der Wand angebracht sind, und daß die Dicke der Platte wenigstens entsprechend den Konvertern gleich etwa einem Viertel der akustischen Wellenlänge ist, die von der Vorrichtung wie erzeugt wird, so daß sie/ein Resonator wirkt.
  • Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise mit Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigt: Fig. 1 und 2 Teilansichten einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in teilgeschnittener Vorderansicht bzw. in Draufsicht; Fig. 3 eine der Fig. 1 ähnliche Darstellung einer alternativen Ausführung der Vorrichtung; Fig. 4 eine Draufsicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und Fig. 5 eine Querschnittsansicht entlang der Linie V-V der Fig. 4.
  • Die Fig. 1 und 2 zeigen schematisch eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
  • In einer Platte bzw. Tafel 10, die aus einem Material gefertigt ist, das ein guter Schwingungsleiter ist, wie Stahl, sind senkrecht zueinander verlaufende, in das Material eindringende Nuten angeordnet, so daß ein gitterförmiges Muster entsteht. Dadurch werden diskrete Plattenbereiche 12 geschaffen, auf denen ein elektromechanischer Konverter 13 angebracht ist, der gegen jeden Bereich 12 durch ein Element 14 durch Anziehen eines Bolzens 15 geklemmt wird; dieser Aufbau stellt einen Generator für Ultraschallschwingungen dar. Beispielsweise kann angenommen werden, daß 13 ein piezoelektrischer Ultraschallgenerator ist.
  • Die Gesamtdicke h einer derart aufgebauten Platte ist im wesentlichen gleich der halben Wellenlänge (Lambda : 2) der Schwingungen, die durch die Vorrichtung erzeugt werden sollen.
  • Der Konverter ist seinerseits im wesentlichen im Mittelbereich der Gesamtdicke h ausgebildet, so daß die Fläche 12 als Resonanzelement mit einer Höhe von Lambda/4 betrachtet werden kann. Die Nuten 11 machen die Platte 10 anisotropisch in dem Sinn, daß sie die Möglichkeit beträchtlich einschränken, daß oberflächliche Wellen mit einer Periode erzeugt werden, die in der gleichen Größenordnung liegt, wie diejenigen der Vibration in Richtung der Plattendicke.
  • Dadurch wird ein sehr großer Bruchteil der Schwingungen in Richtung der Plattendicke übertragen, so daß der Energieverlust auf ein Minimum gebracht wird.
  • Die vorstehend erläuterte Gestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gestattet, daß eine schallabstrahlende Fläche erzielt wird, die tatsächlich isokinetisch ist mit einem hohen Energieübertragungswirkungsgrad, wobei das eingangs erläuterte Wanderosions-Phänomen beseitigt ist. Die Struktur kann durch maschinelle Bearbeitung einer massiven Platte erhalten werden oder kann durch Schmieden oder Gießen oder in anderer herkömmlicher Weise geformt werden.
  • Die Verwirklichung des Grundprinzips der Erfindung, das bewirkt, daß Teile der Wand an sich als Viertelwellen-Resonatoren wirken, ist nicht auf die beschriebene geometrische Gestaltung beschränkt.
  • Die Anisotropie der Platte kann dadurch erzielt werden, daß die leeren Räume 11 in einer Vielzahl von Gestaltungen geformt werden, beispielsweise mit einer Gestaltung, die ein verteiltes kreisförmiges Muster aufweist statt des rechtwinkligen Gitters. Es können unterschiedliche Muster geschaffen werden, wobei die Ergebnisse bezüglichder Anisotropie der Platte gleich oder ähnlich sein werden.
  • Gleichermaßen können die die leeren Räume in der Platte in Querrichtung bildenden Nuten nicht nur auf einer Oberfläche, sondern auf beiden Oberflächen der Platte geformt werden. Die Fig. 3 zeigt eineder Fig. 1 ähnliche Darstellung, bei welcher die Wand grob entsprechend dem Halbdicken-Bereich noch kontinuierlich bleibt und wobei gegenüberstehend angeordnete Nuten 11 und 11' vorgesehen sind.
  • Die Nuten, die die leeren Räume in der Platte bilden, sind als nicht mit irgendeinem Material gefüllt dargestellt, doch ändert sich ihre Funktion der Beschränkung der Möglichkeit der Übertragung von Oberflächenwellen nicht, wenn sie mit einem Material gefüllt werden, das eine andere Wellenübertragungsgeschwindigkeit aufweist als das Plattenmaterial.
  • Die Wand, von welcherein Teil wie Resonatoren wirkt, kann noch weitere unterschiedliche Gestaltungen annehmen, in dem die Teile von dem verbleibenden Teil der Platte mittels dünnerer Bereiche abgetrennt werden, die sich mit dickeren Bereichen abwechseln. Ein Beispiel einer derartigen Anordnung ist in den Fig. 4 und 5 dargestellt.
  • Dabei sind in der Platte 20 kreisförmige Bereiche 22 mit der Höhe Lambda/4 geformt, die in Verbindung mit den Konvertern 23 Resonatoren bilden; diese Konverter 23 sind beispielsweise in einer Weise zusammengesetzt und angebracht, die derjenigen ähnlich ist wie sie für die Konverter 13 der Ausführung der Fig. 1 und 2 angewendet wird.
  • Dünnere Bereiche 25 sind um solche Resonatoren 22 herum angeordnet. Durch Vornahme einer derartigen konstruktiven Anordnung ergibt sich das Resultat, daß ein System zur Dämpfung der oberflächlichen Schwingungen erzielt wird, sogar während eine sehr dicke Flüssigkeit einschließende Wand vorgesehen wird. Jedoch wird in diesem Fall nicht der isokinetische Schwingungsmodus erhalten, der durch die Struktur der Fig. 1 und 2 erzeugt wird. Die Anisotropie kann in gleicher Weise dadurch erzielt werden, daß vorspringende Rippen anstelle der Hohlräume der bei 25 gezeigten Art vorgesehen werden.
  • Auf der Basis der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen wird es möglich sein, eine Anzahl von unterschiedlichen Gestaltungen im Rahmen des Grundprinzips der Erfindung zu schaffen.
  • Insbesondere können die elektromechanischen Konverter zur Erzeugung der Schwingungen von jeder bekannten Art sein, also nicht nur piezoelektrisch, sondern auch magnetostriktiv oder auf anderen Grundprinzipien beruhend; der Fachmann ist ohne weiteres in der Lage, denjenigen Konverter auszuwählen, der der besonderen angestrebten Anwendung am besten angepaßt ist.
  • L e e r s e i t e

Claims (5)

  1. Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschallwellen in einer Flüssigkeitsmenge Patentansprüche Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschallwellen in einer Flüssigkeitsmenge, dadurch g e k e n n z e i c h n e t daß eine Wandplatte vorgesehen ist, deren Oberflächenabmessungen größer sind als die betrachtete Wellenlänge und deren anisotrope Eigenschaften einen Ubertragungsfaktor der akustischen Energie in Querrichtung haben, der ein Vielfaches des Übertragungsfaktors in Tangentialrichtung der Platte ist, daß ferner elektromechanische Konverter zur Erzeugung von Schallwellen entsprechend einem im wesentlichen gleichmäßigen Verteilungsmuster an der Wand angebracht sind, und daß die Dicke der Platte wenigstens entsprechend den Konvertern gleich einem Viertel der Wellenlänge der von der Vorrichtung erzeugten Wellen ist, um als ein Resonator zu wirken.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Anisotropie der Platte dadurch erzielt ist, daß Bereiche unterschiedlicher Dicken auf wenigstens einer Seite der Platte geformt sind.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Bereiche Nuten sind, in denen ein Material angeordnet ist, das eine Schallübertragungsgeschwindigkeit aufweist, die von der Schallübertragungsgeschwindigkeit im Plattenmaterial abweicht.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Nuten derart verteilt sind, daß sie ein gitterförmiges Muster bilden.
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Nuten derart angeordnet sind, daß sie die Bereiche umschließen, in denen die elektromechanischen Konverter angebracht sind.
DE19813114657 1980-04-11 1981-04-10 Vorrichtung zur erzeugung von ultraschallwellen in einer fluessigkeitsmenge Granted DE3114657A1 (de)

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IT21324/80A IT1141417B (it) 1980-04-11 1980-04-11 Convertitore elettromeccanico monoblocco per l'emissione di onde acustiche ultrasonore nei liquidi tramite l'eccitazione in risonanza meccanica di elementi della stessa parete di contenimento isolati dalla interazione del contorno da opportuni canali di smorzamento

Publications (2)

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DE3114657C2 DE3114657C2 (de) 1992-03-19

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DE19813114657 Granted DE3114657A1 (de) 1980-04-11 1981-04-10 Vorrichtung zur erzeugung von ultraschallwellen in einer fluessigkeitsmenge

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IT (1) IT1141417B (de)

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Also Published As

Publication number Publication date
IT1141417B (it) 1986-10-01
IT8021324A0 (it) 1980-04-11
DE3114657C2 (de) 1992-03-19

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