DE9200559U1 - Vorrichtung zum Erzeugen von Schall oder Ultraschall - Google Patents
Vorrichtung zum Erzeugen von Schall oder UltraschallInfo
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Description
ELMA Hans Schmidbauer
GmbH & Co. KG
Kolpingstr. 1-7
7700 Singen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen von Schall oder Ultraschall insbesondere als elektroakustischer
Wandler mit einem mehrschichtigen Aufbau aus schalleitenden Festkörperwerkstoffen.
Es sind viele Arten des Aufbaus und der Anordnung von elektroakustischen Wandlern bekannt, um möglichst verlustarm
Schallenergie in flüssige Medien zu übertragen. Die spezifischen Schallwirkungen sind im Ultraschallbereich,
bedingt durch das Auftreten von Kavitation, am größten und werden durch kostengünstige Wandlerherstellung bei der
Ultraschallreinigung am meisten genutzt.
Durchgesetzt haben sich dabei im wesentlichen mit
Piezokeramiken bestückte und sandwichartig aufgebaute
Wandler, die zumeist in longitudinalen Schwingungsmoden arbeiten.
Vielen Vorrichtungen gemeinsam ist die unbedingt notwendige kraftschlüssige Verbindung der einzelnen Wandler mit der
Fläche, die mit dem flüssigen Medium in Kontakt steht. Dazu werden die Wandler bzw. deren Kopplungsstücke mit
beispielsweise Boden- und Seitenwänden von Edelstahlwannen, -schwing-platten und -blechen von Tauchschwingern verklebt,
da sie aus physikalischen Gründen vorteilhaft aus Aluminiumlegierungen bestehen.
Derartige Anordnungen sind beispielsweise in der DE-OS 21 20 654 und der US-PS 3 318 578 beschrieben. Diese
Anordnungen sind kostengünstig herstellbar und daher relativ weit verbreitet. Entscheidende Nachteile sind
allerdings eine begrenzte Haltbarkeit und Beständigkeit der Klebungen, die keinesfalls höheren Temperaturen und
erhöhten mechanischen Belastungen ausgesetzt werden dürfen. Ihre Lebensdauer ist begrenzt.
Andere mechanische Verbindungstechniken, wie beispielsweise das Reibschweißen oder eine Verbindung mittels angeschweißter
Bolzen, haben sich aus Kostengründen nicht durchgesetzt.
Unter Inkaufnahme einer verminderten Schallamplitude auf der schallabstrahlenden Seite, d.h., einer verminderten
Ultraschallintensität, werden auch Wandler-Kopplungsstücke und das Blech der abstrahlenden Seite aus Edelstahl, d.h.,
aus dem gleichen Grundmaterial gewählt. Die Kopplungsstücke können dann in vorgestanztes Material eingeschweißt
oder mit diesem durch z.B. Löten direkt verbunden werden. Nachteile ergeben sich durch einen erhöhten Energie- und
Vorbereitungsaufwand, einen geringeren Wirkungsgrad der Wandler sowie durch Spannungs- und Fügeveränderungen des
Grundmaterial der abstrahlenden Seite.
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Alle bekannten Vorrichtungen setzen die Existenz von einzelnen, häufig schon montierten elektroakustischen
Wandlern voraus, die zur Schallübertragung mit einem Blech, einer Wanne oder ähnlichem verbunden werden. Die Anbringung
und/oder Ankopplung separater Wandler an das die Schwingung übertragende Blech führt oft zu unerwünschten
Biegeschwingungen und Materialermüdungen. Vermehrte Kavitations- und Korrosionserscheinungen sind die Folge. In
der DE-OS 26 05 898 und der DE-OS 39 33 519 sind deshalb verschiedene kostenaufwendige Vorrichtungen und Maßnahmen
vorgeschlagen, um diese Nachteile zu minimieren.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Wandleraufbau so zu gestalten, daß eine direkte und guasi
verlustfreie Einbringung der Schallenergie in ein Medium möglich ist, daß jedoch teure Verbindungstechniken
entfallen. Der elektroakustische Wirkungsgrad soll dabei erhalten und unerwünschte Energieverluste, z.B. in Form von
Biegeschwingungen, minimiert werden.
Zur Lösung dieser Aufgabe führt, daß eine vordere Schicht nämlich eine schallabstrahlende Schicht, und die darauf
folgende Schicht eine Verbindung mit hoher Verbindungsfestigkeit eingehen und zusammen ein Kopplungsstück zum
Verbinden mit weiteren Schichten des Wandlers bilden.
Hierdurch wird auf einfachem Wege eine erfindungsgemäße
Vorrichtung vorgeschlagen, die eine nahezu verlustlose Ankopplung bzw. Übertragung von Schall- oder Ultraschallwellen
an flüssige oder andere Medien in Behältnisse ermöglicht, in denen schall- oder ultraschallspezifische
Wirkungen beabsichtigt sind. Hierzu zählen insbesondere Ultraschall-Reinigungsbäder und -Wannen, Tauchschwinger,
Schwingplatten und dgl. mehr, deren Blech vorzugsweise aus nichtrostenden und chemisch resistenten Werkstoffen
hergestellt ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht somit mindestens
aus einer mindestens zweischichtigen Schwingplatte oder -
tafel, wobei aus Teilen dieser Schwingplatte auch selbst
ein Behältnis od. dgl. herausgeformt sein kann. Diese erste dünne Schicht ist dabei sowohl Teil des eigentlichen
Wandlers als auch gleichzeitig schallabstrahlende 5 Oberfläche. An die dünne Schicht schließt eine dickere
Schicht an, auf der sandwichartig weitere Elemente des akustischen Wandlers aufgebaut sind, wie beispielsweise
entsprechende Piezokeramiken und Druckstücke.
Durch die Verwendung eines mindestens zweischichtigen Verbund- oder plattierten Metallmaterials für den Aufbau
von Wandlern ist die Voraussetzung für eine hohe Verbindungsfestigkeit zwischen Werkstoffen unterschiedlicher
Schallkennimpedanz und Dicke gegeben. Vorteilhaft ist die Nutzung geeigneter Materialkombinationen in der
Form, daß die dicke Schicht eine wesentlich niedrigere Schallkennimpedanz aufweist als die dünne Schicht. Dies ist
z.B. beim Verhältnis von Aluminium für die dicke Schicht zu Edelstahl für die dünne Schicht gegeben.
Die Dicken der Schichten sind im übrigen frequenzbestimmend.
Erfindungsgemäß wird ein Teil des Wandlers, nämlich der
oder die Körper aus der dicken Schicht so herausgearbeitet, daß die wesentlich dünnere Schicht unverändert stehen
bleibt. Sollten mehrere Körper vorgesehen sein, so werden diese durch die dünnere Schicht verbunden, wobei die
dünnere Schicht die schallabstrahlende Seite bildet. Aus schallphysikalischer Sicht bilden beide Schichten zusammen
immer das Kopplungsstück des jeweiligen Wandlers. Mit Piezokeramiken und Druckstücken aus z.B. Stahl
komplettiert, kann so eine beliebige Anzahl von Wandlern auf einer dünnen Schicht konfiguriert werden und zwar in
Abhängigkeit von der gewünschten Größe, Leistung und Frequenz. Dabei darf allerdings nicht übersehen werden, daß
im Rahmen der Erfindung auch liegt, daß an eine dünne
-S-
Schicht ein einziger Körper zum Aufbau beispielsweise weiterer Piezok.eramik.en und Druckstücke anschließt.
Dieser asymetrische Betrieb von mit ungleichen Massen Zusammengesetzen Wandlern bewirkt zudem eine Verstärkung der Intensität zur abstrahlenden Seite hin. Über die dünne Schicht, die einerseits gleichzeitig Bestandteil des Wandlers ist, andererseits direkt mit dem Medium in Kontakt steht, an das Schall- oder Ultraschallenergie abgestrahlt werden soll, wird die Schallenergie direkt und verlustlos übertragen.
Dieser asymetrische Betrieb von mit ungleichen Massen Zusammengesetzen Wandlern bewirkt zudem eine Verstärkung der Intensität zur abstrahlenden Seite hin. Über die dünne Schicht, die einerseits gleichzeitig Bestandteil des Wandlers ist, andererseits direkt mit dem Medium in Kontakt steht, an das Schall- oder Ultraschallenergie abgestrahlt werden soll, wird die Schallenergie direkt und verlustlos übertragen.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die dickere Schicht zusätzlich so bearbeitet, daß durch
Freiräume oder Stegrahmen unerwünschte Biegeresonanzen vermieden werden. Aus diesem Grunde sind die Körper
beispielsweise in einem Abstand voneinander angeordnet oder aber es befindet sich zwischen den Körpern ein Stegrahmen.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt darin, daß die dünne Schicht selbst als ein Behältnis, eine Wanne oder
eine Platte ausgebildet sein kann. Ferner besteht auch die Möglichkeit, die dünne Schicht in ein Behältnis, eine Wanne
oder eine Platte so zu integrieren, daß sie direkt mit dem Medium in Verbindung steht.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter
Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in
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Figur 1 eine Seitenansicht einer Schwingplatte;
Figur 2 eine Draufsicht auf einen Teil der Schwingplatte gemäß Figur 1;
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Figur 3 eine Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels
einer Schwingplatte;
Figur 4 eine Draufsicht auf einen Teil der Schwingplatte gemäß Figur 3;
Figur 5 eine Seitenansicht einer geringfügig mechanisch bearbeiteten Schwingplatte;
Figur 6 eine Draufsicht auf einen Teil der Schwingplatte gemäß Figur 5;
Figur 7 eine schematische Seitenansicht eines mit einer Zentralschraube montierten Schallwandlers.
In Figur 1 ist eine zweischichtige Schwingplatte P aus metallenem Verbundmaterial gezeigt. Beide Schichten 1 und 2
bilden Kopplungsstücke zum Aufbau von elektroakustischen Wandlern und weisen eine unterschiedliche Schallkennimpedanz
für einen logitudinalen Schwingungsmodus auf. Die dünne Schicht 1 besteht bevorzugt aus Edelstahl und besitzt
zusätzlich Bohrungen 3 zum An- oder Einschrauben in eine Edelstahlwanne od. dgl.. Die dickere Schicht 2 beinhaltet
herausgearbeitete Körper 4, welche aus einer Aluminiumlegierung bestehen. In diese Körper 4 sind Gewindebohrungen
5 zum Verschrauben mit in Figur 7 gezeigten Piezokeramiken und Druckstücken eingeformt.
Durch beispielsweise Fräsen oder Sägen sind aus der Schicht 2 die Körper 4 mit quadratischem Grundriß so herausgearbeitet,
daß ein Abstand a zwischen ihnen eine stehende Biegewelle verhindert.
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Die Form der Körper ist kostenabhängig und kann verschieden
sein; für eine gute Lastanpassung eignen sich Pyramidenstümpfe, beispielsweise ist auch ein Körper in
paraboloider Form denkbar.
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An diese Körper 4 schließen die restlichen Teile eines Schallwandlers an, wie dies beispielsweise in Figur 7
gezeigt ist.
In Figur 3 und 4 ist eine ähnliche Schwingplatte Pl wie in den Figuren 1 und 2 gezeigt. Sie dient beispielsweise dem
Aufbau von Tauchschwingern und besteht ebenfalls aus einer Schicht 1 und 2. Im Gegensatz zu Figur 1 ist jedoch
zwischen der Schicht 2 und der Schicht 1 ein umlaufender Randstreifen 6 der Breite b freigelassen, welcher zum
Aufschweißen einer Haube 7 genutzt wird.
Die aus der zweiten Schicht 2 herausgeformten Körper 4a weisen im Gegensatz zur Figur 1 einen kreisförmigen
Grundriß auf. Zusätzlich ist aber aus der Schicht 2 ein Stegrahmen 8 geringer Höhe herausgearbeitet, um Biegewellen
in der Schicht 1 zu verhindern. Die Form und Höhe des Stegrahmens 8 kann variieren. Für die Körper 4a ist
beispielsweise auch der Kegelstumpf eine effektive Form. An den jeweiligen Körper 4a können dann die restlichen Teile
eines Schallwandlers entsprechend Figur 7 anschließen.
Die Figuren 5 und 6 zeigen einen äußerst einfachen und kostengünstigen Aufbau zur Realisierung von
Mehrfachanordnungen für adäquate Anwendungen. Im Unterschied zu den Ausführungsformen der Figuren 1 bis 4
ist die Schicht 2 bis auf die Gewindebohrungen 5 und einen
Randstreifen 6 nicht oder nur geringfügig bearbeitet. Die
Schichten 1 und 2 bilden so ein gemeinsames Kopplungsstück einer definierten und frequenzbestimmenden Dicke c für eine
Vielzahl von Wandlern. Eventuelle Biegeerscheinungen der Schwingplatte P2 hin zur abstrahlenden Seite der Schicht 1
werden wirksam vermieden. Geringe flächenförmige
Vertiefungen 9 können von Vorteil sein, welche in den Figuren 5 und 6 gestrichelt dargestellt sind. Die übrigen
Teile eines Schallwandlers entsprechend Figur 7 können auf dieser Schwingplatte P2 aufgebaut werden.
Die Schicht 1 bei diesen in den Figuren 1 bis 6 gezeigten Schwingplatten kann vorteilhafterweise aber nicht
ausschließlich selbst als Behältnis, Wanne, Platte od.dgl. ausgebildet sein.
In Figur 7 ist eine Variante eines einzelnen Schallwandlers S dargestellt, der als Halbwellen-Verbundschwinger im
Längsschwingungsmodus arbeitet. Er besteht aus einem mindestens zweischichtigen Verbund- oder plattierten Metall
mit den Schichten 1 und 2, axial gepolten Piezokeramiken 10 und 11, einem Druckstück 12 aus Stahl, Anschlüssen 13a und
13b und einer Druckschraube 14. Mittels dieser Druckschraube 14 können die Piezokeraraiken, Druckstücke und
Anschlüsse jeweils in den Gewindebohrungen 5 der Körper 4 festgelegt werden.
Eine bevorzugte Verwendung dieses Wandlers ist gegeben, wenn die Materialkombination des Verbundwerkstoffes
Edelstahl zu Aluminium ist. Die dünne Schicht 1, d.h., die Schicht aus Edelstahl, kann dann leicht mit entsprechenden
Behältnissen, Wannen, Platten od.dgl. gleichen Materials oder anderen Materials verbunden werden. Eine Verbindung
beider Schichten aus gleichem Material kann z.B. durch Ringbuckelschweißen, Reibschweißen, Löten, Elektronenstrahlschweißen
od. dgl. erfolgen.
Die beschriebenen Ausführungsformen sind in ihrer Geometrie
variierbar und durch moderne mechanische Bearbeitungstechniken leicht zu realisieren. Der erfindungsgemäße
Aufbau gestattet auch die Uebertragung anderer Schwingungsmoden, z.B., von Transversal-, Torsions- oder
Radialschwingungen. Dazu ist insbesondere die im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 7 gezeigte Schallwandlerkonfiguration
entsprechend abzuändern. Denkbar ist auch der Aufbau von Wandlern, deren axiale Ausdehnungsrichtung nicht
nur K /2 sondern auch ein Vielfaches von 1\ /2 beträgt und
die unter Umständen mehrere Arbeitsfrequenzen haben können.
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Aktenzeichen
1947.6
Datum: 07.01.1992
| POSITIONSZAHLENL | 13b | Anschlüsse | ISTE | Abstand | |
| 1 | Schicht | a | Brei te | ||
| 2 | Schicht | b | Dicke | ||
| 3 | Bohrung | C | |||
| 4 | Körper | ||||
| 5 | Gewindebohrung | ||||
| 6 | Radstreifen | ||||
| 7 | Haube | ||||
| 8 | Stegrahmen | Schwingplatte | |||
| 9 | Vertiefungen | P | |||
| 10 | Piezokeramik | ||||
| 11 | tt | ||||
| 12 | Druckstück | Schal!wandler | |||
| 13a | Anschlüsse | S | |||
| 14 | Druckschraube | ||||
| 15 | |||||
| 16 | |||||
| 17 | |||||
| 18 | |||||
| 19 | |||||
| 20 | |||||
| 21 | |||||
| 22 | |||||
| 23 | |||||
| 24 | |||||
| 25 | |||||
| 26 | |||||
| 27 | |||||
| 28 | |||||
| 29 | |||||
| 30 | |||||
| 31 | |||||
| 32 | |||||
| 33 | |||||
Claims (18)
1. Vorrichtung zum Erzeugen von Schall oder Ultraschall insbesondere als elektroakustischer Wandler mit einem
mehrschichtigen Aufbau aus schalleitenden Festkörperwerkstoffen,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine vordere Schicht (1) als schallabstrahlende Schicht und die darauf folgende Schicht (2) eine Verbindung mit
hoher Verbindungsfestigkeit eingehen und zusammen ein Kopplungsstück zum Verbinden mit weiteren Schichten des
Wandlers bilden.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten (1 und 2) eine unterschiedliche
Schallkennimpedanz besitzen und damit freguenzbestimmende Teile des Wandlers (S) sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten (1, 2) unterschiedlich
dick sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dünnere Schicht (1) die schallabstrahlende Seite
bildet, während aus der dickeren Schicht (2) Körper (4) zum Konfigurieren mit weiteren Schichten zu einem oder mehreren
Wandlern herausgearbeitet sind.
5. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung mit hoher
Verbindungsfestigkeit zwischen den beiden Schichten (1, 2) durch eine weitere Metallschicht erfolgt.
6. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (1) aus Edelstahl
und die Schicht (2) aus einer Aluminiumlegierung besteht.
7. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der/die Körper (4) als
ebenflächige oder krummflächige Körper, z.B. als quader-, zylinder-, prismen-, pyramiden- oder kegelstumpfförmige
Körper ausgebildet sind.
8. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (4) eine
Gewindebohrung (5) zum Anschließen der weiteren Schichten (10, 11, 12) des Wandlers (S) aufweist.
9. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß an die Schicht (2) zumindest
eine Piezokeramik (10, 11) sowie ein Druckstück (12) anschließt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren Schichten (10, 11, 12)
über eine Druckschraube (14) mit der Schicht (2) verbunden sind.
11. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis
10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (1) ein Behältnis, eine Wanne, eine Platte od. dgl. ausbildet oder
ein Bestandteil eines Behältnisses, einer Wanne, Platte od. dgl. ist.
12. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis
11, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Schicht (2) mehrere Körper (4) beispielsweise durch spanabhebende Bearbeitung
herausgeformt sind.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
daß die Körper (4) einen Abstand (a) voneinander einhalten.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 oder 13,
dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Körpern (4) Stege und/oder ein Stegrahmen (8) mit vorbestimmter Höhe und
Breite vorgesehen ist.
15. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (2) eine
Mehrzahl von Gewindebohrungen (5) für eine Mehrzahl von weiteren Schichten (10, 11, 12) für eine Mehrzahl von
Wandlern (S) aufweist.
16. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die schallabstrahlende
Schicht (1) eines oder mehrerer Wandler mit einem Behältnis, einer Wanne, einer Platte od.dgl. verbunden
ist/sind.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen der Schicht (1) und dem
Behältnis, der Wanne, der Platte od.dgl. durch Ringbuckelschweißen, Reibschweißen, Löten, Elektronenstrahlschweißen
od. dgl. erfolgt.
18. Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Behältnis, die Wanne, Platte
od.dgl. aus dem gleichen Werkstoff besteht, wie die schallabstrahlende Schicht (1), vorzugsweise aus Edelstahl.
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| DE9200559U Expired - Lifetime DE9200559U1 (de) | 1992-01-18 | 1992-01-18 | Vorrichtung zum Erzeugen von Schall oder Ultraschall |
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Cited By (3)
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