EP0542016B1 - Ultraschall-Reinigungsbad - Google Patents

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EP0542016B1
EP0542016B1 EP92118228A EP92118228A EP0542016B1 EP 0542016 B1 EP0542016 B1 EP 0542016B1 EP 92118228 A EP92118228 A EP 92118228A EP 92118228 A EP92118228 A EP 92118228A EP 0542016 B1 EP0542016 B1 EP 0542016B1
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EP
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lambda
frequency
resonator
sound
length
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EP0542016A2 (de
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Martin Walter
Dieter Weber
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Martin Walter Ultraschalltechnik GmbH
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Martin Walter Ultraschalltechnik GmbH
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    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K15/00—Acoustics not otherwise provided for
    • G10K15/02—Synthesis of acoustic waves
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B3/00—Methods or apparatus specially adapted for transmitting mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency

Definitions

  • the invention relates to a method for generating and emitting ultrasonic energy in liquids, in particular for sonicating ultrasonic cleaning baths by means of a sound transducer, that is to say an oscillating element with an attached rod-shaped or tubular resonator immersed in the liquid.
  • a sound transducer that is to say an oscillating element with an attached rod-shaped or tubular resonator immersed in the liquid.
  • f (25) has the length lambda / 2 (25) or an integer multiple thereof.
  • the sound transducer When using such sound transducers in ultrasonic cleaning baths or systems, the sound transducer is attached to the wall of a liquid container in such a way that the sound-emitting part, ie the rod-shaped or tubular resonator, is in the liquid.
  • the longitudinal vibration transmitted to the resonator by the oscillating element is partially converted into transverse vibrations, so that the ultrasonic energy is radiated both in the longitudinal direction of the resonator and radially thereto.
  • only radial radiation is desired; the radiation emanating in the longitudinal direction, that is to say from the end face of the rod-shaped (tubular) sound-emitting resonator, cannot normally be utilized.
  • the sonication is often not sufficient, particularly in the case of ultrasonic cleaning baths, since the ultrasonic energy is emitted in the form of a sinusoidal oscillation over the length of the resonator, that is to say with pronounced maxima and minimae.
  • the sinusoidal oscillation coincides with the wavelength lambda, so that for example with a resonator of length 3/2 lambda there are four nodes with zero energy at three maxima. Parts that are located in the ultrasound cleaning baths at the nodes, i.e. with 0 radiation, are not sonicated and therefore not cleaned.
  • the aim of the invention is to provide a possibility of how this different energy distribution is compensated for over the length of the resonator or how a largely uniform sound system is used the liquid and thus the parts in the liquid can be brought about.
  • This is achieved in a manner according to the invention in that the sound transducer continuously or in intervals alone or in intervals simultaneously with the main frequency f (25) with at least one further frequency f (n) , corresponding to an integer multiple ( ⁇ 0) of lambda / 2 (25 ) is operated.
  • the sound transducer is still operated at the optimum cleaning frequency f (25) , but in addition the bathroom is also sonicated with a frequency f (n) that lies outside this main frequency f (25) and an integer multiple of lambda / 2 ( 25) as well as lambda / 2 (n) .
  • a sound transducer is operated with a resonator corresponding to the length 5/2 lambda (25) and a specific ultrasound frequency f (25)
  • an additional frequency f (n) for the given resonator geometry 4/2 lambda (n) , 6 could be used / 2 lambda, 3/2 lambda (n) or 7/2 lambda (n) .
  • the predetermined length of the resonator always corresponds to an integer multiple of lambda / 2, but with an increased or decreased frequency f (n) .
  • the maxima and minimae lie at other points, so that previous dead sound zones are now also sonicated.
  • the possibly lower sonication at the previous maxima at the frequency f (25) has little effect in practice, since there are maximum radiation results, as mentioned at the beginning.
  • the main frequency f (25) alternates with the additional frequency f ( n) at intervals or the additional frequency f ( n) is fed in at intervals to the main frequency f (25) .
  • the main frequency f (25) and the additional frequency (additional frequencies) f (n) can be continuously fed together to the resonator.
  • An ultrasound generator (1) is joined to a resonator (2).
  • the resonator has a length 1 corresponding to the ultrasound frequency of 3/2 lambda (25) .
  • the lambda vibration nodes 1/2 lambda (25) , 2/2 lambda (25) and 3/2 lambda (25) result from the the length of the resonator (2) are marked. 3, each with sinusoidal antinodes at 1/4 lambda (25) , 3/4 lambda (25) and 5/4 lambda (25) .
  • An increased frequency f (n) corresponding to 5/2 lambda (n) is shown in the curves of FIGS. 2 and 3 with a small line width.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen und Abstrahlen von Ultraschallenergie in Flüssigkeiten, insbesondere zum Beschallen von Ultraschall-Reinigungsbädern mittels eines Schallwandlers, also eines Schwingelementes mit einem angefügten, in die Flüssigkeit eintauchenden stab- oder rohrförmigen Resonator, der für die gewählte Ultraschallfrequenz, f(25) die Länge lambda/2(25) oder eines ganzzahligen Vielfachen hiervon aufweist.
  • Beim Einsatz derartiger Schallwandler in Ultraschall-Reinigungsbädern beziehungsweise -Anlagen wird der Schallwandler an der Wand eines Flüssigkeitsbehälters befestigt so, daß sich der schallabstrahlende Teil, also der stab- oder rohrförmgie Resonator, in der Flüssigkeit befindet. Die dem Resonator durch das Schwingelement übermittelte longitudinale Schwingung wird teilweise in transversale Schwingungen umgesetzt, so daß die Ultraschallenergie sowohl in Längsrichtung des Resonators wie auch radial hierzu abgestrahlt wird. Erwünscht ist allerdings im allgemeinen nur die radiale Abstrahlung; die in Längsrichtung, also von der Stirnfläche des stabförmigen (rohrförmigen) schallabstrahlenden Resonators ausgehende Abstrahlung kann normalerweise nicht verwertet werden. Um weitgehend die longitudinal eingespeiste Schwingung in eine radial vom Resonator ausgehende Schwingung umzuwandeln, wurde bereits schon vorgeschlagen (EP-B-44 800), den Resonator am Ort eines longitudinalen Schwingungsmaximums an eine Stirnfläche des Schwingelementes anzufügen und die Gesamtlänge des Resonators auf ein ganzzahliges Vielfaches einer halben Wellenlänge (lambda/2) der vom Schwingelement in den Resonator eingespeisten Longitudinalschwingung abzustimmen. Durch das Ankoppeln des Resonators am Ort des Schwingungsmaximums des Schwingelements wird dessen Gesamtleistung in den Resonator übertragen, der dadurch, daß seine Länge auf die Frequenz des Schwingelements abgestimmt ist, maximale Abstrahlungsergebnisse aufweisen kann.
  • Trotz der so erzielten maximalen Abstrahlung der Ultraschallenergie in die Flüssigkeit genügt des öfteren die Beschallung, insbesondere bei Ultraschall-Reinigungsbädern, nicht, da die Ultraschallenergie über die Länge des Resonators gesehen in Form einer Sinusschwingung, also mit ausgeprägten Maximae und Minimae abgestrahlt wird. Die Sinusschwingung stimmt mit der Wellenlänge lambda überein, so daß sich beispielsweise bei einem Resonator der Länge 3/2 lambda vier Knotenpunkte mit 0-Energie ergeben bei drei Maximae. Teile, die sich in Ultraschall-Reinigungsbädern bei den Knotenpunkten, also bei der 0-Abstrahlung befinden, werden dadurch nicht beschallt und mithin auch nicht gereinigt.
  • Ziel der Erfindung ist es, eine Möglichkeit anzugeben, wie diese unterschiedliche Energieverteilung über die Länge des Resonators ausgeglichen beziehungsweise wie eine weitgehend gleichmäßige Beschallung der Flüssigkeit und damit der in der Flüssigkeit befindlichen Teile herbeigeführt werden kann. Erreicht wird dies in erfindungsgemäßer Weise dadurch, daß der Schallwandler dauernd oder in Intervallen allein oder in Intervallen gleichzeitig zur Hauptfrequenz f(25) mit mindestens einer weiteren Frequenz f(n), entsprechend einer ganzzahligen Vielfachen (‡0) von lambda/2(25) betrieben wird.
  • Nach wie vor wird also der Schallwandler mit der optimalen Reinigungsfrequenz f(25) betrieben, zusätzlich wird das Bad jedoch noch mit einer Frequenz f(n) beschallt, die außerhalb dieser Hauptfrequenz f(25) liegt und einem ganzzahligen Vielfachen von lambda/2(25) wie auch lambda/2(n) entspricht. Wird also beispielsweise ein Schallwandler mit einem Resonator entsprechend der Länge 5/2 lambda(25) und einer bestimmten Ultraschallfrequenz f(25) betrieben, so könnte eine zusätzliche Frequenz f(n) für die vorgegebene Resonatorgeometrie 4/2 lambda(n), 6/2 lambda, 3/2 lambda(n) oder auch 7/2 lambda(n) entsprechen. Nach wie vor werden also die Resonanzbedingungen eingehalten, es entspricht also stets die vorgegebene Länge des Resonators einem ganzzahligen Vielfachen von lambda/2, bei jedoch erhöhter oder erniedrigter Frequenz f(n). Damit liegen jedoch, über die Länge des Resonators gesehen, die Maximae und Minimae an anderen Stellen, so daß bisherige Totschallzonen nunmehr auch beschallt werden. Die möglicherweise geringere Beschallung an den vorherigen Maximae bei der Frequenz f(25) wirkt sich in der Praxis kaum aus, da dort ja maximale Abstrahlungsergebnisse, wie eingangs angeführt, zu verzeichnen sind.
  • Selbstverständlich können statt einer zusätzlichen Frequenz auch mehrere zusätzliche Frequenzen, die jeweils allerdings einem ganzzahligen Vielfachen von lambda/2(n) entsprechen müssen, eingespeist werden.
  • Im einfachsten Falle wechselt die Hauptfrequenz f(25) mit der Zusatzfrequenz f(n) intervallartig ab oder die Zusatzfrequenz f(n) wird intervallartig zu der Hauptfrequenz f(25) eingespeist. Selbstverständlich können auch die Hauptfrequenz f(25) und die Zusatzfrequenz (Zusatzfrequenzen) f(n) dauernd zusammen dem Resonator zugeführt werden.
  • Auf jeden Fall wird bei Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung erreicht, daß die bisherigen Totschallzonen vermieden werden und sich damit bessere und gleichmäßigere Reinigungsergebnisse über die gesamte Fläche der zu reinigenden Teile erzielen lassen.
  • Auf der Zeichnung ist schematisch ein derartiger Schallwandler mit den zugehörigen Frequenzen und Schalleistungen dargestellt, und zwar zeigen:
    • Fig. 1
    einen Schallwandler,
    Fig. 2
    unterschiedliche Ultraschallabstrahlungen über die Länge des Resonators,
    Fig. 3
    zwei unterschiedliche Longitudinalschwingungen über die Länge des Resonators und
    Fig. 4
    die sich aus Fig. 3 ergebende Hüllkurve.
  • Ein Ultraschallgenerator (1) ist mit einem Resonator (2) zusammengefügt. Der Resonator weist eine Länge 1 entsprechend der Ultraschallfrequenz von 3/2 lambda(25) auf. Aus der vom Ultraschallgenerator (1) erzeugten Longitudinalwelle, die in Fig. 2 dargestellt ist, ergeben sich die lambda-Schwingungsknotenpunkte 1/2 lambda(25), 2/2 lambda(25) und 3/2 lambda(25), die über die Länge des Resonators (2) markiert sind. Entsprechend verlaufen auch die Leistungskurven nach Fig. 3, jeweils mit sinusförmigen Schwingungsbäuchen bei 1/4 lambda(25), 3/4 lambda(25) und 5/4 lambda(25). Mit geringer Strichstärke eingezeichnet ist in die Kurven der Fig. 2 und Fig. 3 eine erhöhte Frequenz f(n) entsprechend 5/2 lambda(n). Auch hier sind die Schwingungsknotenpunkte 1/2 lambda(n), 2/2 lambda(n), 3/2 lambda(n) und 4/2 lambda(n) in Fig. 1 markiert. 5/2 lambda(n) fällt selbstverständlich zusammen mit 3/2 lambda(25). Entsprechend dieser erhöhten Frequenz ergibt sich auch eine schnellere Longitudinalschwingung, die mit geringer Strichstärke in Fig. 3 dargestellt ist, sowie auch eine entsprechende Folge der Schwingungsbäuche, die sich ebenfalls mit geringer Strichstärke in Fig. 2 finden. Aus den beiden Kurven ist deutlich ersichtlich, daS sich bei der jeweiligen Frequenz stets Knotenpunkte, also Totschallgebiete ausbilden, die nun aber zumindest teilweise von der jeweils anderen Frequenz abgedeckt werden. Besonders deutlich sichtbar ist dies aus der Hüllkurve nach Fig. 4, aus der ersichtlich ist, daß sich über die gesamte Länge 1 des Resonators (2) keine Totschallbereiche mehr befinden, vielmehr eine nahezu gleichmäßige Beschallung der Flüssigkeit und damit der in der Flüssigkeit befindlichen Teile über die gesamte Länge 1 des Resonators (2) erfolgt.

Claims (1)

  1. Verfahren zum Erzeugen und Abstrahlen von Ultraschallenergie in Flüssigkeiten, insbesondere zum Beschallen von Ultraschall-Reinigungsbädern mittels eines Schallwandlers, also eines Schwingelementes mit einem angefügten, in die Flüssigkeit eintauchenden stab- oder rohrförmigen Resonator, der für die gewählte Ultraschallfrequenz f(25) die Länge lambda/2(25) oder eines ganzzahligen Vielfachen hiervon aufweist,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Schallwandler (1,2) dauernd oder in Intervallen allein oder in Intervallen gleichzeitig zur Hauptfrequenz f(25) mit mindestens einer weiteren Frequenz f(n), entsprechend einer ganzzahligen Vielfachen (‡0) von lambda/2(25), betrieben wird.
EP92118228A 1991-11-09 1992-10-24 Ultraschall-Reinigungsbad Revoked EP0542016B1 (de)

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