EP0552696A2 - Vorrichtung zum Erzeugen von Schall oder Ultraschall - Google Patents

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    • B06B1/0629Square array

Abstract

Bei einer Vorrichtung zum Erzeugen von Schall oder Ultraschall insbesondere als elektroakustischer Wandler mit einem Schichtaufbau aus schalleitenden Festkörperwerkstoffen soll ein gemeinsames Kopplungsstück als vordere schallabstrahlenden Schicht (1) für eine Mehrzahl von Elementen (10, 11, 12) einer Mehrzahl von Wandlern (S) vorgesehen sein. <IMAGE>

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen von Schall oder Ultraschall insbesondere als elektroakustischer Wandler mit einem Schichtaufbau 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 Grundmaterials der abstrahlenden Seite.
  • 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 quasi 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 ein gemeinsames Kopplungsstück als vordere schallabstrahlenden Schicht (1) für eine Mehrzahl von Elementen (10, 11, 12) einer Mehrzahl von Wandlern (S) vorgesehen ist.
  • Wesentlich ist dabei, daß an einer einzigen Schicht eine Vielzahl von Wandlerelementen festgelegt sind. Bei diesen Elementen von Wandlern kann es sich um eine oder mehr Piezokeramiken handeln, die über entsprechende Befestigungselemente mit der Schicht verbunden sind.
  • In einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist zwischen diese schallabstrahlende Schicht und die Wandlerelemente noch eine weitere Schicht eingefügt, welche mit der ersten Schicht eine Verbindung mit hoher Verbindungsfestigkeit eingeht und mit der ersten Schicht zusammen das Kopplungsstück zum Verbinden mit weiteren Elementen des Wandlers bildet.
  • 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 in diesem Ausführungsbeispiel 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 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 zwei- oder mehrschichtigen 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 eine oder eine der Schichten kann aus einem nichtmetallischen Werkstoff, beispielsweise aus einem faserverstärkten Kunststoff, einer Keramik od. dgl. bestehen. Vom Erfindungsgedanken sind alle Werkstoffe umfaßt, welche als schallabstrahlende Schicht Verwendung finden können.
  • Die Dicke/n der Schicht/en ist/sind im übrigen frequenzbestimmend.
  • Erfindungsgemäß wird ein Teil des Wandlers, nämlich der oder die Körper, aus der einen oder, bei Verwendung meherer Schichten, 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 in diesem Fall beide Schichten zusammen 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 Schicht ein einziger Körper zum Aufbau beispielsweise weiterer Piezokeramiken und Druckstücke anschließt.
  • Dieser asymmetrische 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.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in
    • Figur 1 eine Seitenansicht eines Ausschnittes aus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erzeugen von Schall oder Ultraschall;
    • Figur 2 eine Seitenansicht einer Schwingplatte;
    • Figur 3 eine Draufsicht auf einen Teil der Schwingplatte gemäß Figur 2;
    • Figur 4 eine Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Schwingplatte;
    • Figur 5 eine Draufsicht auf einen Teil der Schwingplatte gemäß Figur 4;
    • Figur 6 eine Seitenansicht einer geringfügig mechanisch bearbeiteten Schwingplatte;
    • Figur 7 eine Draufsicht auf einen Teil der Schwingplatte gemäß Figur 6;
    • Figur 8 eine schematische Seitenansicht eines mit einer Zentralschraube montierten Schallwandlers.
  • Gemäß Figur 1 sind mit einer Schicht 1 aus schallabstrahlendem Material Elemente 10,11,12 und 14 verbunden, welche jeweils Teile eines Wandlers S sind. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel handelt es sich bei den Elementen um zwei aufeinanderliegende Piezokeramiken 11 und 12, wobei der Piezokeramik 12 ein Druckstück anliegt und die gesamte Anordnung über eine Druckschraube 14 mit der Schicht 1 verbunden ist. Die Schicht 1 bildet ein gemeinsames Kopplungsstück für die Wandlerelemente.
  • In Figur 2 ist eine zweischichtige Schwingplatte P aus metallenem Verbundmaterial gezeigt. Hier bilden zwei Schichten 1 und 2 ein 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 1 und 8 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.
  • 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.
  • An diese Körper 4 schließen die restlichen Teile eines Schallwandlers an, wie dies beispielsweise in Figur 8 gezeigt ist.
  • In Figur 4 und 5 ist eine ähnliche Schwingplatte P1 wie in den Figuren 2 und 3 gezeigt. Sie dient beispielsweise dem Aufbau von Tauchschwingern und besteht ebenfalls aus einer Schicht 1 und 2. Im Gegensatz zu Figur 2 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 2 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 1 und 8 anschließen.
  • Die Figuren 6 und 7 zeigen einen äußerst einfachen und kostengünstigen Aufbau zur Realisierung von Mehrfachanordnungen für adäquate Anwendungen. Im Unterschied zu den Ausführungsformen der Figuren 2 bis 5 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 6 und 7 gestrichelt dargestellt sind. Die übrigen Teile eines Schallwandlers entsprechend Figur 1 und 8 können auf dieser Schwingplatte P2 aufgebaut werden.
  • Die Schicht 1 bei diesen in den Figuren 2 bis 7 gezeigten Schwingplatten kann vorteilhafterweise aber nicht ausschließlich selbst als Behältnis, Wanne, Platte od.dgl. ausgebildet sein.
  • In Figur 8 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, den axial gepolten Piezokeramiken 10 und 11, dem Druckstück 12 aus Stahl, Anschlüssen 13a und 13b und der Druckschraube 14. Mittels dieser Druckschraube 14 können die Piezokeramiken, Druckstücke und Anschlüsse jeweils in den Gewindebohrungen 5 der Körper 4 festgelegt werden.
  • Die Körper 4 können bei Verwendung des einschichtigen Aufbaus gemäß Figur 1 auch in diese eine Schicht 1 eingeformt sein.
  • Für die Schicht 1 bzw. die Schichten 1 und 2 kommen verschiedene Materialien in Frage. Dies können insbesondere metallische aber auch nicht-metallische Werkstoffe, beispielsweise Kunststoffe sein. Auch Faserverbundstoffe oder keramische Stoffe können bevorzugt Anwendung finden.
  • Bei einem mehrschichtigen Aufbau ist eine bevorzugte Verwendung dieses Wandlers 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 8 gezeigte Schallwandlerkonfiguration entsprechend abzuändern. Denkbar ist auch der Aufbau von Wandlern, deren axiale Ausdehnungsrichtung nicht nur /2 sondern auch ein Vielfaches von /2 beträgt und die unter Umständen mehrere Arbeitsfrequenzen haben können.
    Figure imgb0001

Claims (20)

  1. Vorrichtung zum Erzeugen von Schall oder Ultraschall insbesondere als elektroakustischer Wandler mit einem Schichtaufbau aus schalleitenden Festkörperwerkstoffen,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß ein gemeinsames Kopplungsstück als vordere schallabstrahlenden Schicht (1) für eine Mehrzahl von Elementen (10, 11, 12) einer Mehrzahl von Wandlern (S) vorgesehen ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß eine vordere Schicht (1) als schallabstrahlende Schicht und eine darauf folgende Schicht (2) eine Verbindung mit hoher Verbindungsfestigkeit eingehen und zusammen ein Kopplungsstück zum Verbinden mit weiteren Elementen (10,11,12) des Wandlers bilden.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten (1 und 2) eine unterschiedliche Schallkennimpedanz besitzen und damit frequenzbestimmende Teile des Wandlers (S) sind.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten (1, 2) unterschiedlich dick sind.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die dünnere Schicht (1) die schallabstrahlende Seite bildet, während aus der dickeren Schicht (2) oder, falls die Schicht (1) alleine Anwendung findet, aus der Schicht (1) Körper (4) zum Konfigurieren mit weiteren Elementen zu einem oder mehreren Wandlern herausgearbeitet sind.
  6. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung mit hoher Verbindungsfestigkeit zwischen den beiden Schichten (1, 2) durch eine weitere Metallschicht erfolgt.
  7. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (1 bzw. 1 oder 2) aus einem nicht-metallischen Werkstoff, beispielsweise einem Kunststoff, einem Faserverbundwerkstoff, einer Keramik od.dgl. besteht.
  8. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (1) aus Edelstahl und die Schicht (2) aus einer Aluminiumlegierung besteht.
  9. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der/die Körper (4) als ebenflächige oder krummflächige Körper, z.B. als quader-, zylinder-, prismen-, pyramiden- oder kegelstumpfförmige Körper ausgebildet sind.
  10. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (4) eine Gewindebohrung (5) zum Anschließen der weiteren Schichten (10, 11, 12) des Wandlers (S) aufweist.
  11. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß an die Schicht (1 bzw. 2) zumindest eine Piezokeramik (10, 11) sowie ein Druckstück (12) anschließt.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren Elemente (10, 11, 12) über eine Druckschraube (14) mit der Schicht (1 bzw. 2) verbunden sind.
  13. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 12, 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.
  14. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Schicht (1 bzw. 2) mehrere Körper (4) beispielsweise durch spanabhebende Bearbeitung herausgeformt sind.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Körper (4) einen Abstand (a) voneinander einhalten.
  16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Körpern (4) Stege und/oder ein Stegrahmen (8) mit vorbestimmter Höhe und Breite vorgesehen ist.
  17. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (1 bzw. 2) eine Mehrzahl von Gewindebohrungen (5) für eine Mehrzahl von weiteren Elementen (10, 11, 12) für eine Mehrzahl von Wandlern (S) aufweist.
  18. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die schallabstrahlende Schicht (1) eines oder mehrerer Wandler mit einem Behältnis, einer Wanne, einer Platte od.dgl. verbunden ist/sind.
  19. Vorrichtung nach Anspruch 18, 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.
  20. Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, 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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