EP0857088A1 - Gerät zur einkopplung von ultraschall in ein flüssiges oder pastöses medium - Google Patents
Gerät zur einkopplung von ultraschall in ein flüssiges oder pastöses mediumInfo
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- EP0857088A1 EP0857088A1 EP96934714A EP96934714A EP0857088A1 EP 0857088 A1 EP0857088 A1 EP 0857088A1 EP 96934714 A EP96934714 A EP 96934714A EP 96934714 A EP96934714 A EP 96934714A EP 0857088 A1 EP0857088 A1 EP 0857088A1
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- EP
- European Patent Office
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- cavity resonator
- relationship
- resonator
- length
- jacket
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Classifications
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- 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 device for coupling ultrasound into a liquid or pasty medium and with the other generic features mentioned in the preamble of claim 1.
- a device for coupling ultrasound into a liquid or pasty medium and with the other generic features mentioned in the preamble of claim 1.
- Such a device is known from US Pat. No. 4,016,436.
- a waveguide is provided on one side of a tubular cavity resonator, which can be excited to resonant longitudinal vibrations by means of a piezoelectric transducer, which in turn converts electrical AC voltage output signals of an AC voltage generator into longitudinal mechanical vibrations.
- the cavity resonator is acoustically coupled to this transducer in a mechanically fixed manner in a flange-shaped area thereof.
- n denotes an integer
- c denotes the speed of sound in a steel-shaped resonator and for the mechanical resonance frequency of the waveguide acoustically coupled to the transducer and used to introduce ultrasound into the resonator.
- the speed of sound c is here by the relationship
- a cleaning device in which the material to be cleaned, e.g. a textile web that can be exposed to an ultrasound field is known to use a so-called broad horn for coupling ultrasound into a liquid bath through which the textile web is transported, which is used by means of an ultrasound transmitter both in the longitudinal direction - the excitation direction - and also in the transverse direction perpendicular thereto, in which the expansion of the width horn corresponds at least approximately to the width of the textile web to be cleaned, can be resonantly excited to vibrations.
- This broad horn is a flat rod-shaped, solid radiating body
- the cavity resonator is designed in such a way that the resonance condition is fulfilled for both longitudinal and transverse natural vibrations of its jacket.
- the vibration-active element is designed as a three-dimensional cavity resonator in which the propagation velocities vx and vr and thus also the wavelengths ⁇ x and ⁇ r of the vibrations, which are linked to deflections in the direction of the longitudinal axis (x-direction) and radially thereto are necessarily different.
- a "weak" coupling of the tubular cavity resonator and the waveguide is provided, weak coupling meaning that there is a significant phase shift between the resonant vibrations of the cavity resonator, on the one hand, and the resonant - longitudinal - vibrations of the waveguide .
- a weak coupling can be realized, for example, in that the waveguide is vibration-coupled to the cavity resonator with the cavity resonator via a resilient spring element, which can have the shape of a plate spring.
- the waveguide has a variety of longitudinal ones Must have carried out vibrations before the cavity resonator comes into resonance, that is to say vibrates at maximum amplitude, its length L_ is in accordance with the relationship
- FIG. 1 shows an embodiment of a device according to the invention for strong coupling between the cavity resonator and transducer, in a schematically simplified longitudinal sectional view
- FIG. 2 shows an embodiment of a device with a weak coupling between the cavity resonator and the transducer
- FIG. 4 shows an exemplary embodiment with excitation of the cavity resonator by means of two transducers excited in opposite phases.
- a device is denoted overall by 10, by means of its ultrasound into a fluid medium 11 which is thin or pasty or fluid-like, can be in powder form, for example.
- the device 10 comprises a transducer, designated overall by 20, which converts electrical energy offered in the form of an alternating voltage into (ultra) sound power and offers this sound power in the form of forced longitudinal vibrations of a cylindrical-block-shaped transducer block 21, a total of 24 referred to elongated cylindrical-tubular cavity resonator and a waveguide 23, which in turn is acoustically coupled to the transducer and is in the form of a circular cylindrical block, via which the longitudinal vibrations generated by the transducer in the jacket 36 of the cavity resonator 24 can be coupled.
- a transducer designated overall by 20
- the transducer 20, the waveguide 23 and the cavity resonator 24 are arranged in this order along a common central longitudinal axis 26 coaxially with respect to this and are mechanically fixed to one another.
- a central threaded bolt 22 is provided, which is in meshing engagement with threads 25 and 25 'of the waveguide 23 or the transducer block 21 arranged opposite one another, so that they rotate by mutual rotation the central longitudinal axis with their opposing ring end faces 17 and 18 can be pressed firmly against one another.
- the cavity resonator 24 can be firmly connected to the waveguide 23 by twisting about the central longitudinal axis 26 with respect to the latter, with the cavity resonator 24 also being connected an annular end face 29, which runs radially between the threaded jacket 32 and the inner lateral surface 41 of the resonator jacket 36, axially supports the end face 38 of the threaded section 28 of the waveguide 23 facing the cavity resonator 24.
- the radial width rb of the ring end face 29 of the cavity resonator jacket 36 also being included which is axially supported on the end face 38 of the waveguide 23 on the resonator side, at least and corresponds approximately to 0.7 times the value of the thickness 6 of the resonator jacket, which is determined by the relationship
- Cavity resonator 24 are designated.
- the diameter of the waveguide also has that of the outer diameter
- the transducer 20 comprises an electromechanical chip voltage / vibration transducer a piezoelectric column designated overall by 27, which can be excited by actuation with an alternating voltage to "thick" vibrations running in the direction of the central longitudinal axis 26, that is to say longitudinal changes in length, which is transmitted via the transducer block 21 and fixedly with it connected waveguides 23 can be transferred to the jacket 36 of the cavity resonator 24.
- the piezoelectric column 27 is realized by a plurality of piezoceramic ring washers 33, which are firmly clamped between a stable clamping ring 37 and the transducer block 21 by means of a central tensioning screw 34 and are synchronized in phase with the AC output voltage Ur of an AC voltage generator 35 in parallel Thickness vibrations can be excited.
- the AC output voltage of the AC voltage generator can be adjusted to the resonance frequency of the longitudinal natural vibrations of the waveguide 23, so that the latter can be excited to such vibrations in a resonant manner.
- the medium 11 to be subjected to the ultrasound treatment is received by a cylindrical-pot-shaped reactor vessel, designated overall by 12, which is closed on its underside by an annular disk-shaped base plate 13 which A central, circular opening 14 has on the outside edge area 14 ′, as shown in FIG. 1, lower edge area 14 'of which the device 10 can be fastened by means of a radial flange 30 of the waveguide 23, as schematically illustrated by screw-nut connections.
- light which are provided in an axially symmetrical grouping with respect to the central longitudinal axis 26 of the device 10.
- the radial flange 30 of the waveguide 23, viewed in the longitudinal direction thereof, is arranged in the middle between the end face 38 on the resonator side and the ring face 17 on the transducer side 17 of the waveguide 23, so that the central plane 40 of the flange running at right angles to the central longitudinal axis 26 of the device 10 30 in the case of resonant vibration excitation of the waveguide 23, a node plane of its longitudinal vibrations is presented again.
- the cavity resonator 24 is also excited to longitudinal vibrations, which are also accompanied by transverse vibrations, ie radially directed to the central longitudinal axis 26, due to the transverse contracton of the resonator jacket 36 associated therewith , by means of which ultrasound energy can be "radiated” via the outer and inner cylinder jacket surfaces 39 and 41 in the radial direction into the medium to be subjected to the ultrasound treatment.
- the propagation velocities vx and vr of the jacket vibrations in the longitudinal and transverse directions and thus also their wavelengths ⁇ x and ⁇ r differ in a characteristic manner, ie depending on the geometry of the resonator 24 and the type of resonator material.
- the waveguide 23 is operated in its mechanical resonance frequency fr, at which half the wavelength of the longitudinal vibrations that can be excited in the waveguide is equal to the mean one in axial direction Direction measured distance a of its end faces 17 and 38.
- the alternating voltage generator 35 can be tuned to such an extent that the resonant excitation of the waveguide 23 is ensured.
- the cavity resonator 24 is also tuned to the resonance frequency f of the waveguide 23 and is also designed in such a way that the resonance condition for both the longitudinal and the transverse Vibration modes of its jacket 36 is satisfied.
- the one from the coupling plane 42 in which the resonator-side end face 38 of the waveguide 23 is supported on the one annular end end face 29 of the cavity resonator 24, as shown in FIG. 1, and is firmly pressed against it, up to upper free end face 44 of the cavity resonator 24 measured length L of the same according to the relationship
- ⁇ V is selected.
- y Poisson's transverse contraction coefficient
- E denotes the elasticity coefficient (Young's modulus) of the material of the cavity resonator 24 and f the density thereof.
- the cavity resonator 24 is further designed such that, in addition to the relationship (2), the relationship also
- FIG. 3a in which the arrows 46 and radially directed outward Inward arrows 47 illustrate the deflections of the resonator jacket 36 with respect to its central longitudinal axis 26, which the resonator jacket 36 experiences - outside of a node plane - while maintaining its circular cross-section.
- the cavity resonator 24 can also be excited resonantly to natural vibrations of lower axial symmetry, for example to natural vibrations of its jacket 36, which have a 3-fold symmetry with respect to the central longitudinal axis 26 , in such a way that, viewed in the circumferential direction of the jacket 36, 60 'subregions 48, 49 and 51 of the resonator jacket 36 arranged equidistantly from one another experience outward deflections, while the complementary 60s arranged between two of these subareas Sub-areas 52, 53 and 54 of the resonator jacket 36 experience radially inward deflections, as illustrated by the corresponding directional arrows 56 and 57.
- FIG. 2 To explain a further exemplary embodiment of a device which can be used analogously to the device 10 according to FIG. 1 and is designated overall by 10 ', reference is now made to FIG. 2, in which, for the sake of simplicity, the device 10' only by its transducer 20, the waveguide 23 'and the cavity resonator 24' acoustically coupled therewith and the assembly and coupling elements provided for their acoustic coupling are shown.
- the device 10 'according to FIG. 2 differs from the device 10 according to FIG.
- the cavity resonator 24' is connected to the waveguide 23 'in the sense of a "weak" acoustic coupling which causes that the cavity resonator 24 'and the cylindrical-rod-shaped block 58 of the waveguide 23' can perform longitudinal relative movements with respect to one another, this weak coupling resulting in the result that, in the case of resonance, the longitudinal movements of the cavity resonator 24 'with respect to the longi Ududinal vibrations of the waveguide 23 'have a significant phase shift.
- the - acoustic weak coupling of the tubular cavity resonator 24 'and the rod-shaped block 58 of the waveguide 23' is achieved by supporting a radially tapering support flange 60 on an inner support surface 59 of the cavity resonator 24 'which is conically complementary in an outer radial area, which mediated between jacket sections 36 'and 36''of different thicknesses 0 and 0 1, the outer diameter Do of both sections 36' and 36 '' being the same.
- the section 36 ′′ of the smaller thickness o viewed in the direction of the central longitudinal axis 26 of the device 10 ′, has an axial extent that corresponds to 1/8 of the wavelength * ⁇ , which in the case of resonant vibration excitation of the cavity resonator 24 ′ corresponds to the wavelength ⁇ of the longitudinal vibration excitation in the cavity 24 '.
- the radial outer edge 60 'of the support flange 60 which is designed in the form of a wedge or a wedge, as shown in the longitudinal section in FIG.
- a tubular spacer 61 which is enclosed by the thin-walled section 36 ′′ of the cavity resonator jacket 36 ′ and coaxially and at a slight radial distance from it, engages by means of a union nut 62 which is connected to an external thread 63 of the thin-walled section 36 '' of the thickness o 1 of the resonator jacket 36 'is in meshing engagement and to a predetermined The value of the axial force with which the waveguide 23 'is axially supported via its support flange 60 on the conical support surface 59 of the cavity resonator 24' is pressed against the annular disk-shaped flange region 60 ''.
- the latter acquires the property of a spring, similar to that of a plate spring, which provides the axially flexible connection - coupling - of the cavity resonator 24 'with the tab-shaped block 58 of the waveguide 23' ⁇ telt.
- a higher Q factor which is generally defined by the ratio of the emitted acoustic power to the electrical excitation power required for this.
- the cavity resonator 24 'of the device 10' is to oscillate in the axially fully symmetrical waveform (FIG. 3a) in the case of resonance, it is designed such that its length Lw in addition to the condition (3) also the condition
- the device 10 ′′ shown as a further exemplary embodiment in FIG. 4, to which reference is now made, in a highly simplified, schematic form, is the device 10 ′ according to FIG. 2, both in a constructive manner and also in FIG From a functional point of view, it is largely analogous and differs from this only in that an acoustically weak transducer and waveguide 23 'of the type described with reference to FIG. 2 are provided at each end of its tubular cavity resonator 24'' is to achieve higher amplitudes of the transverse vibrations of the cavity resonator 24 ′′.
- the piezoceramic columns or magnetostrictive transducers of these transducers 20 'and waveguides 23' - not specifically shown - are controlled by means of the alternating voltage generator 35 'in such a way that they are excited to oscillations in opposite phases.
- the condition that the cavity resonator 24 'fulfills both the resonance condition for longitudinal resonant vibrations and for transverse resonant vibrations can be achieved in the device 10' 'according to FIG. 4 in that the length Lw' of the cavity resonator
- n is an integer> _ 2.
- the cavity resonator 24 ′′ of the device 10 ′′ according to FIG. 4 is to be operated with the fully symmetrical radiation characteristic according to FIG. 3a, the cavity resonator sonator 24 '' designed such that in addition to the relation (4) also the relation
- the cavity resonator 24 ′′ is designed such that its length Lw ′ in addition to the condition (4) also the condition
- the devices 10, 10 'and 10' 'explained with reference to FIGS. 1, 2' and 4 '' can be used for cleaning workpieces, for stimulating chemical reactions, for mixing several liquid or pasty components of foods, for emulsification. and the like are used.
- a modification (not shown) of the exemplary embodiments according to FIGS. 1 and 2 can also consist in that the resonator 24 or the resonator 24 'is terminated at its end, e.g. through a plate that is firmly attached to the resonator tube.
Description
Gerät zur Einkopplung von Ultraschall in ein flüssiges oder pastöses Medium
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Einkopplung von Ultraschall in ein flüssiges oder pastöses Medium und mit den weiteren, im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten, gattungsbestimmenden Merkmalen. Ein derarti¬ ges Gerät ist durch die US-PS 4,016,436 bekannt.
Bei dem bekannten Gerät ist ein einseitig an einen rohrförmigen Hohlraumresonator angesetzter Wellenleiter vorgesehen, der mittels eines piezoelektrischen Trans¬ ducers, der seinerseits elektrische Wechselspannungs- Äusgangssignale eines Wechselspannungsgenerators in longitudinale mechanische Schwingungen umwandelt, zu resonanten longitudinalen Schwingungen anregbar ist. An diesen Transducer ist mechanisch fest in einem flansch- förmigen Bereich desselben der Hohlraumresonator aku¬ stisch angekoppelt.
Bei einem weiteren Gerät der eingangs genannten Art (US-PS 5,200,666) , das zum erstgenannten weitgehend funktionsanalog ist, wird an beiden Enden des rohrför¬ migen Resonators, der zur Konversion longitudinaler Schwingungen in transversale Schwingungen vorgesehen ist, mittels je eines Transducers Ultraschall-Energie eingekoppelt .
Es ist auch bekannt (US-PS 4,537,511) , einen rohrför-
ORIGINAL UNTERLAGEN
migen Hohlraumresonator zu verwenden, der an beiden Enden abgeschlossen ist und von einer Seite her mit dem mittels eines Transducers eingekoppelten Ultraschall beaufschlagt wird.
Bei all diesen Geräten wird die Länge des Hohlraumreso- nators gleichsam in einer ersten Näherung gemäß der Be¬ ziehung
L = nc / 2f (i:
gewählt, in der n eine ganze Zahl bedeutet, mit c die Schallgeschwindigkeit in einem stahlförmigen Resonator und mit fr die mechanische Resonanzfreuquenz des mit dem Transducer akustisch gekoppelten, zur Einleitung von Ultraschall in den Resonator benutzten Wellenlei¬ ters bezeichnet ist. Die Schallgeschwindigkeit c , ist hier durch die Beziehung
gegeben, in der mit E der Elastizitätsmodul (Young' scher Modul) und mit f das spezifische Gewicht des Resonator- Materials bezeichnet ist.
Soweit durch eine Wahl der Resonatorlänge gemäß der Beziehung (1) "suboptimale" Ergebnisse erzielt werden, wird üblicherweise durch Versuche eine Korrektur der Resonatorlange ermittelt, was jedoch nur dann rationell ist, wenn anschließend eine größere Zahl solcher Gerate mit dieser durch Versuche ermittelten, optimalen Lange
gebaut werden können. Spezialgeräte, die nur in gerin¬ gen Stückzahlen gebaut werden, sind daher sehr teuer. Es kommt hinzu, daß bei einem solchen Vorgehen das Re¬ sultat oftmals vom möglichen Optimum entfernt ist, je¬ doch hingenommen wird, da das Gerät durch Nutzung eines leistungsstarken Frequenzgenerators und Transducers für den Einsatzzweck geeignet hergestellt werden kann. Auch derartige Geräte sind wegen der erforderlichen Überdi¬ mensionierung ihrer elektrischen Versorgung und des Transducers teuer.
Durch die DE-33 16 353 AI ist es in Verbindung mit ei¬ nem Reinigungsgerät, bei dem das zu reinigende Mate¬ rial, z.B. eine Textilstoffbahn, einem Ultraschallfeld aussetzbar ist, bekannt, zur Einkopplung von Ultra¬ schall in ein Flüssigkkeitsbad, durch das die Textil- stoffbahn hindurchtransportiert wird, ein sogenanntes Breithorn zu verwenden, das mittels eines Ultraschall¬ senders sowohl in Längsrichtung - der Anregungsrichtung - als auch in der dazu rechtwinkligen Querrichtung, in der die Ausdehnung des Breithorns mindestens annähernd der Breite der zu reinigenden Textilstoffbahn entspricht, resonant zu Schwingungen anregbar ist. Dieses Breithorn ist als flachstab-förmiger, massiver Abstrahlkörper
( "Sonotrode" ) ausgebildet, dessen in Anregungsrichtung gemessene Länge der halben Ultraschall-Wellenlänge
(λ/2) und dessen in Querrichtung gemessene Breite ei¬ nem ganzzahligen Vielfachen dieses Wertes entspricht; die zwischen den breiten Längsflächen gemessene Dicke des plattenförmigen Breithorns ist signifikant kleiner als die halbe Ultraschallwellenlänge, die in Längs- und
Querrichtung denselben Wert hat. Durch diese Dimensio¬ nierung des Breithorns soll, was prinzipiell auch mög¬ lich ist, über die gesamte Breite (n . λ/2) eine gleich¬ förmige Abstrahlcharakteristik des Breithorns und damit auch eine gleichmäßig gute Reinigung des bahnförmigen Materials erreicht werden, jedoch ist der Q-Faktor (nutzbare Ultraschall-Energie / elektrische Anregungs¬ energie) , verglichen mit Ultraschallgeräten, die mit Hohlraumresonator-Anregung arbeiten, vergleichsweise gering, so daß sehr leistungsstarke und entsprechend teure Ultraschallsender verwendet werden müssen, was den Betrieb solcher bekannter Reinigungsgeräte, die mit blockförmig-massiven Abstrahlelementen arbeiten, erheb¬ lich verteuert .
Von einem Gerät der eingangs genannten Art ausgehend, ist es daher Aufgabe der Erfindung, für ein solches eine Gestaltung anzugeben, die einen günstig hohen Übertragungs-Wirkungsgrad ergibt, und, nachdem es ein¬ mal ausgelegt ist, nicht, zumindest nicht nennenswerter Nachbearbeitungen bedarf, um auf einen Betrieb mit op¬ timalem Wirkungsgrad ausgelegt werden zu können, insbe¬ sondere ein Gerät, das mit einer vorgegebenen Auslegung mit einem nahe dem optimalen Wirkungsgrad liegenden Wirkungsgrad arbeitet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Hohlraumresonator so ausgelegt ist, daß sowohl für longitudinale als auch für transversale Eigenschwingun¬ gen seines Mantels die Resonanzbedingung erfüllt ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Gerät ist das schwingungsak¬ tive Element als dreidimensionaler Hohlraumresonator ausgebildet, bei dem die Ausbreitungsgeschwindigkeiten vx und vr und damit auch die Wellenlängen λx und λr der Schwingungen, die mit Auslenkungen in Richtung der Längsachse (x-Richtung) und radial dazu, verknüpft sind, notwendigerweise verschieden sind. Diejenigen Ul¬ traschallwellen, denen Auslenkungen in Richtung der Längsachse (x-Richtung) des Resonators entsprechen, dessen axiale Länge gleich einem ganzzahligen Vielfa¬ chen der halben Wellenlänge (λ X 12 ) gewählt ist, tragen nicht zur Abstrahlung von Ultraschallenergie bei, ver¬ mitteln jedoch eine Speicherung von Ultraschallenergie und bewirken eine gute Gleichförmigkeit der Verteilung der Ultraschall-Energie über die gesamte - axiale - Resonatorlänge, während diejenigen Ultraschallwellen, denen Schwingungsformen des Resonators mit Auslenkungen radial zur Resonator-Längsachse und zu seiner Außen¬ fläche entsprechen, eine hoch-wirksame Abstrahlung von Ultraschallenergie in die Umgebung vermitteln.
Die Erfüllung der Resonanzbedingung sowohl für longi¬ tudinale als auch für transversale Eigenschwingungen des Resonatormantels wird gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 2 für Geräte, bei denen der Hohlraum¬ resonator "stark", d.h. mechanisch weitgehend starr, mit dem Wellenleiter gekoppelt ist, dadurch erfüllt, daß seine Länge L gemäß der Beziehung
gewählt ist, in der mit V der Poisson'sche Querkontrak- tionskoeffizient des Hohlraumresonator-Materials, mit
Λ die Wanddicke des Hohlraumresonators und mit Do der
Außendurchmesser des rohrförmigen Hohlraumresonators bezeichnet sind.
Die hiernach gegebene Abweichung von der Beziehung (1) kann sehr klein sein, so daß die Beziehung (2) gegen¬ über der Beziehung (1) nur eine geringfügige Verbesse¬ rung ergibt, kann jedoch in praktischen Fällen auch um fast 40% von dem durch die Beziehung (1) gewinnbaren Resultat abweichen, so daß, verglichen mit einem sol¬ chen Fall, die Auslegung gemäß der Beziehung (2) ein wesentlich besseres Resultat ergibt.
In bevorzugter Gestaltung des Geräts ist eine "schwa¬ che" Kopplung des rohrförmigen Hohlraumresonators und des Wellenleiters vorgesehen, wobei schwache Kopplung bedeutet, daß zwischen den resonanten Schwingungen des Hohlraumresonators, einerseits, und den resonanten - longitudinalen - Schwingungen des Wellenleiters eine signifikante Phasenverschiebung von besteht. Eine sol¬ che schwache Kopplung kann z.B. dadurch realisiert wer¬ den, daß der Wellenleiter mit dem Hohlraumresonator über ein nachgiebiges Federelement, das die Form einer Tellerfeder haben kann, mit dem Hohlraumresonator schwingungsgekoppelt ist. Für diesen Fall, in dem der Wellenleiter vorab eine Vielzahl von longitudinalen
Schwingungen ausgeführt haben muß, bevor der Hohlraum¬ resonator in Resonanz gelangt, d.h. mit maximaler Am¬ plitude schwingt, ist dessen Länge L_ gemäß der Bezie¬ hung
Lw zμ τv ι vo π+ 2ιrfrr HY [ »o 'J 3dvtw,) gegeben, wenn gleichzeitig der Ultraschall nur von ei¬ ner Seite des Resonators her in diesen eingekoppelt wird.
Für den ebenfalls für schwache akustische Kopplung zwi¬ schen dem Hohlraumresonator und dem Wellenleiter vor¬ gesehenen Fall, daß der Hohlraumresonator von seinen beiden Enden her gleichphasig mit der von zwei Trans- ducern erzeugten Schwingungsenergie beaufschlagt wird, ist seine Länge L # durch die Beziehung
Durch die Merkmale der Ansprüche 5 bis 7 sind Bedingun¬ gen angegeben, bei deren Erfüllung die Schwingungsform des Hohlraumresonators vollkommen radialsymmetrisch ist (Symmetriegruppe Coo) , d.h. die radialen Auslenkungen in einer rechtwinklig zur zentralen Längsachse verlau¬ fenden Ebene immer gleichphasig sind, bzw. der Resona¬ tor in jeder Querschnittsebene kreisförmig ist, der Durchmesser dieser Kreise jedoch über die Länge des Re¬ sonators hinweg räumlich periodisch variiert, und in jeder Querschnittsebene der Resonatordurchmesser rest¬ periodisch variiert.
Durch die Merkmale der Ansprüche 8, 9 und 10 sind zu¬ sätzliche Bedingungen angegeben, bei deren Erfüllung der Resonator in einer Normalschwingungs-Form schwingt, deren Symmetrie-Ordnung definiert durch die Abmessungen des Resonators vorgebbar ist.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung. Es zeigen
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Geräts für starke Kopplung zwischen Hohlraumre¬ sonator und Transducer, in schematisch verein¬ fachter LängsschnittdarStellung;
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel eines Geräts mit schwa¬ cher Kopplung zwischen Hohlraumresonator und Transducer;
Fig. 3a und b mögliche Schwingungstypen des Hohlraumre¬ sonators für definierte geometrische Gestaltun¬ gen desselben und
Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel mit Erregung des Hohl- raumresonators mittels zweier gegenphasig ange¬ regter Transducer.
In der Fig. 1 ist insgesamt mit 10 ein Gerat bezeich¬ net, mittels dessen Ultraschall in ein fluides Medium 11, das dünnflüssig oder pastos oder fluid-ahnlich,
z.B. pulverförmig sein kann, einkoppelbar ist.
Das Gerät 10 umfaßt einen insgesamt mit 20 bezeichneten Transducer, der in Form einer Wechselspannung angebote¬ ne elektrische Energie in (Ultra-) Schalleistung umsetzt und diese Schalleistung in Form erzwungener longitudi- naler Schwingungen eines zylindrisch-bockförmigen Transducerblocks 21 anbietet, ein insgesamt mit 24 be¬ zeichneten langgestreckt zylindrisch-rohrförmigen Hohl¬ raumresonator und einen diesen akustisch mit dem Trans¬ ducer koppelnden, seinerseits kreiszylindrisch-block- förmig ausgebildeten Wellenleiter 23, über den die mit¬ tels des Transducers erzeugten longitudinalen Schwin¬ gungen in den Mantel 36 des Hohlraumresonators 24 ein¬ koppelbar sind. Der Transducer 20, der Wellenleiter 23 und der Hohlraumresonator 24 sind, in dieser Reihenfol¬ ge entlang einer gemeinsamen zentralen Längsachse 26 koaxial bezüglich dieser angeordnet und mechanisch fest miteinander verbunden sind. Zur diesbezüglich festen Verbindung des Wellenleiters 23 mit dem Transducerblock 21 ist ein zentraler Gewindebolzen 22 vorgesehen, der mit einander gegenüberliegend angeordneten Gewinden 25 und 25' des Wellenleiters 23 bzw. des Transducerblocks 21 in kämmendem Eingriff steht, so daß diese durch ge¬ genseitiges Verdrehen um die zentrale Längsachse mit ihren einander gegenüberliegenden Ringstirnflachen 17 und 18 fest aneinander anpreßbar sind.
Zur mechanisch festen Verbindung des Wellenleiters 23 mit dem Hohlraumresonator 24 ist dessen wellenleiter- seitiger Endabschnitt 19 als Überwurfmutter ausgebil-
- l ü ¬
det, die mit einem am zugewandten Endabschnitt 28 vor¬ handenen Außengewinde 31 in kämmendem Eingriff steht, so daß der Hohlraumresonator 24 durch Verdrehen um die zentrale Längsachse 26 gegenüber dem Wellenleiter 23 mit diesem kraftformschlüssig fest verbindbar ist, wo¬ bei der Hohlraumresonator 24 εich mit einer Ringstirn¬ fläche 29, die zwischen dem Gewindemantel 32 und der inneren Mantelfläche 41 des Resonatormantels 36 radial verläuft, an der dem Hohlraumresonator 24 zugewandten Endstirnflache 38 des Gewindeabschnitts 28 des Wellen¬ leiters 23 axial abstützt. Durch die hierdurch erzielte mechanische Verbindung des Hohlraumresonators 24 und des Wellenleiters 23 wird zwischen diesen Funktionsele¬ menten des Geräts eine Schwingungskopplung im Sinne ei¬ ner starken akustischen Kopplung erzielt, wobei die ra¬ diale Breite rb der Ringstirnfläche 29 des Hohlraumre- sonatormantels 36, mit der dieser an der resonatorsei- tigen Endstirnfläche 38 des Wellenleiters 23 axial ab¬ gestützt ist, mindestens und etwa dem 0,7-fachen Wert der Dicke 6 des Resonatormantels entspricht, die durch die Beziehung
6 = (D - D ) 12
gegeben ist, in der mit D der Außendurchmesser und mit
Dι der Innendurchmesser des Resonatormantels 36 des
Hohlraumresonators 24 bezeichnet sind. Auch der Durch¬ messer des Wellenleiters hat den dem Außendurchmesser
Do des Hohlraumresonators 24 entsprechenden Wert,
Der Transducer 20 umfaßt als elektromechanischen Span-
nungs-/Schwingungswandler eine insgesamt mit 27 be¬ zeichnete piezoelektrische Säule, die durch Ansteuerung mit einer Wechselspannung zu in Richtung der zentralen Längsachse 26 verlaufenden "Dicken"-Schwinungen, d.h. longitudinalen Längenänderungen anregbar ist, die über den Transducerblock 21 und den fest mit diesem verbunde¬ nen Wellenleiter 23 auf den Mantel 36 des Hohlraumreso¬ nators 24 übertragbar sind. Die piezoelektrische Säule 27 ist durch eine Mehrzahl piezokeramischer Ringschei¬ ben 33 realisiert, die mittels einer zentralen Spann¬ schraube 34 zwischen einem stabilen Spannring 37 und dem Transducerblock 21 fest eingespannt sind und durch parallele Ansteuerung mit der Ausgangswechselspannung Ur eines Wechselspannungsgenerators 35 zu gleichphasi- gen Dicken-Schwingungen anregbar sind. Die Ausgangs¬ wechselspannung des Wechselspannungsgenerators ist auf die Resonanzfrequenz der longitudinalen Eigenschwingun¬ gen des Wellenleiters 23 einstellbar, so daß dieser re¬ sonant zu solchen Schwingungen anregbar ist.
Bei dem zur Erläuterung gewählten Ausführungsbeispiel des Geräts 10 ist das der Ultraschallbehandlung auszu¬ setzende Medium 11 von einem insgesamt mit 12 bezeich¬ neten, zylindrisch-topfförmigen Reaktorbehälter aufge¬ nommen, der an seiner Unterseite durch eine ringschei¬ benförmige Bodenplatte 13 abgeschlossen ist, die eine zentrale, kreisrunde Öffnung 14 hat an deren außensei¬ tigem, gemäß der Darstellung der Fig. 1 unteren Randbe¬ reich 14' das Gerät 10 mittels eines radialen Flansches 30 des Wellenleiters 23 befestigbar ist, wie durch Schrauben-Mutter-Verbindungen schematisch veranschau-
licht, die in axialsymmetrischer Gruppierung bezüglich der zentralen Längsachse 26 des Geräts 10 vorgesehen sind.
Der radiale Flansch 30 des Wellenleiters 23 ist, in dessen Längsrichtung gesehen, in der Mitte zwischen der resona- torseitigen Endstirnfläche 38 und der transducerseitigen Ringstirnfläche 17 des Wellenleiters 23 angeordnet, so daß die rechtwinklig zur zentralen Längsachse 26 des Geräts 10 verlaufende Mittelebene 40 deε Flansches 30 bei resonanter Schwingungsanregung des Wellenleiters 23 eine Knotenebene seiner longitudinalen Schwingungen re¬ präsentiert.
Durch die in dem Wellenleiter 23 angeregten, longitudi¬ nalen Schwingungen, die mit in Richtung der zentralen Längsachse 26 verlaufenden Auslenkungen seiner Endstirn¬ flächen 17 und 38 verknüpft sind, wobei diese Auslenkun¬ gen, entlang der zentralen Längsachse '26 des Wellenlei¬ ters 23 gesehen, stets einander entgegengesetzt gerich¬ tet sind, wird auch der Hohlraumresonator 24 zu longitudi¬ nalen Schwingungen angeregt, mit denen aufgrund der hier¬ mit verknüpften Querkontrakton des Resonator-Mantels 36 auch transversale, d.h. radial zur zentralen Längsachse 26 gerichtete Mantel-Schwingungen einhergehen, mittels derer Ultraschallenergie über die äußeren und inneren Zylindermantelflächen 39 und 41 in radialer Richtung in das der Ultraschallbehandlung auszusetzende Medium "ab¬ strahlbar" - einkoppelbar - ist.
Die Ausbreitungsgeschwindigkeiten vx und vr der Man- telschwingungen in longitudinaler und transversaler Rich¬ tung und damit auch deren Wellenlängen λx und λr sind hierbei in charakteristischer Weise, d.h. je nach Geome¬ trie des Resonators 24 und Art des Resonator-Materials, verschieden. Um einen möglichst hohen Wirkungsgrad der Umsetzung von
elektrischer Energie in Schall-Leistung, die in das Medium 11 einkoppelbar ist, zu erzielen, wird der Wel¬ lenleiter 23 in seiner mechanischen Resonanzfrequenz fr betrieben, bei der die halbe Wellenlänge der im Wellen¬ leiter anregbaren longitudinalen Schwingungen gleich dem mittleren, in axialer Richtung gemessenen Abstand a seiner Endstirnflächen 17 und 38 ist. Der Wechselspan¬ nungsgenerator 35 ist soweit durchstimmbar, daß die resonante Anregung des Wellenleiters 23 sichergestellt ist. Zur Erzielung des erwünscht hohen Wirkungsgrades der Umsetzung von elektrischer Leistung in mechanische Schall-Leistung ist auch der Hohlraumresonator 24 auf die Resonanz-Frequenz f des Wellenleiters 23 abgestimmt und hierbei auch dahingehend ausgelegt, daß die Reso¬ nanzbedingung sowohl für die longitudinalen als auch die transversalen Schwingungsmoden seines Mantels 36 erfüllt ist.
Hierzu ist die von der Einkoppelebene 42, in der die resonatorseitigen Endstirnflache 38 des Wellenleiters 23 an der einen, gemäß der Darstellung der Fig. 1 unte¬ ren ringförmigen Endstirnfläche 29 des Hohlraumresona¬ tors 24 abgestützt und hierbei fest an diese angepreßt ist, bis zur oberen, freien Endstirnfläche 44 des Hohl¬ raumresonators 24 gemessene Länge L desselben gemäß der Beziehung
^ V gewählt ist. In dieser Beziehung bedeuten:
y : Poisson' scher Querkontraktionskoeffizient
D : Außendurchmesser des Hohlraumresonators 24 o
: Wanddicke des Mantels 36 des Hohlraumresonators f : Resonanz frequenz des Wellenleiters 23 r n : ganze Zahl >_ 1
CAo: Schallgeschwindigkeit in einem stabförmigem Reso¬ nator die ihrerseits durch die Beziehung
ff gegeben ist, in der mit E der Elastizitätε Koeffi¬ zient (Young'scher Modul) des Materials des Hohl¬ raumresonators 24 und mit f dessen Dichte be¬ zeichnet sind.
Um bei einer solchen Auslegung des Hohlraumresonatorε 24 eine definierte, axial voll-symmetrische Abstrahl- charakteristik zu erzielen, derart, daß der Mantel (36) radiale Schwingungsbewegungen ausführt, bei denen in Knoten-Ebenen derselben der mittlere Durchmesser D des Hohlraumresonatormantels 36 erhalten bleibt und anson¬ sten über die Länge L des Hohlraumresonators sinusoidal variiert, wobei in jeder Querεchnittsebene der Quer¬ schnitt kreisförmig bleibt, wenngleich im Durchmesser zeitlich varriierend, ist der Hohlraumresonator 24 wei¬ terhin so ausgelegt, daß zusätzlich zu der Beziehung (2) auch die Beziehung
L nir do [ /i - ^Q - τo)2] (/l~%) ( 5, ,
*7T V 2
erfül l t is t .
Zur Erläuterung der vollsymmetrischen Schwingungsform resonanter Schwingungen des Hohlraumresonators 24, die sich ergibt, wenn dieser gemäß den Beziehungen (2) und (5') ausgelegt ist, sei auf die Fig. 3a Bezug genommen, in der durch radial auswärts gerichtete Pfeile 46 und radial einwärts gerichtete Pfeile 47 die Auslenkungen des Resonatormantels 36 bezüglich seiner zentralen Längsachse 26 veranschaulicht sind, die der Resonator¬ mantel 36 - außerhalb einer Knotenebene - unter Beibe¬ haltung seines kreisringförmigen Querschnitts erfährt.
Alternativ zu der durch die Fig. 3a veranschaulichten, axial voll-symmetrischen Schwingungsform kann der Hohl¬ raumresonator 24 auch resonant zu Eigenschwingungen niedrigerer axialer Symmetrie angeregt werden, z.B. zu Eigenschwingungen seines Mantels 36, die bezüglich der zentralen Längsachse 26 eine 3-zählige Symmetrie haben, derart, daß, in Umfangsrichtung des Mantels 36 gesehen, äquidistant voneinander angeordnete 60 ' -Teilbereiche 48, 49 und 51 des Resonator-Mantels 36 auswärts gerich¬ tete Auslenkungen erfahren, während die zwischen je¬ weils zwei dieser Teilbereiche angeordneten komplemen¬ tären 60 ' -Teilbereiche 52, 53 und 54 des Resonatorman¬ tels 36 radial einwärts gerichtete Auslenkungen erfah¬ ren, wie durch die entsprechenden Richtungspfeile 56 und 57 veranschaulicht. Ein Schwingungsverhalten des Hohlraumresonators 24 mit derartigen Schwingungsformen axialer Symmetrie definierter Zähligkeit p, wobei für
die Schwingungsform gemäß Fig. 3b p = 3 gilt, ist da¬ durch erreichbar, daß der Hohlraumresonator 24 gemäß Fig. 1 so ausgelegt wird, daß zusätzlich zu der Rela¬ tion (2) auch die Relation
^ erfüllt ist.
Zur Erläuterung eines weiteren Ausfuhrungsbeispiels ei¬ nes zu dem Gerät 10 gemäß Fig. 1 analog einsetzbaren, insgesamt mit 10' bezeichneten Geräts sei nunmehr auf die Fig. 2 bezug genommen, in der, der Einfachheit hal¬ ber, das Gerät 10' lediglich durch seinen Transducer 20, den Wellenleiter 23' und den mit diesem akustisch gekoppelten Hohlraumresonator 24' sowie die zu deren akustischer Kopplung vorgesehen Montage- und Kopplungs¬ elemente dargestellt sind. Das Gerät 10' gemäß Fig. 2 unterscheidet sich in funktioneller Hinsicht von dem Gerät 10 gemäß Fig. 1 lediglich dadurch, daß der Hohl¬ raumresonator 24' mit dem Wellenleiter 23' im Sinne einer "schwachen" akustischen Kopplung verbunden ist, die bewirkt, daß der Hohlraumresonator 24' und der zy- lindrisch-stabförmige Block 58 des Wellenleiters 23 ' longitudinale Relativbewegungen gegeneinander ausführen können, wobei diese schwache Kopplung im Ergebnis dazu führt, daß, im Resonanzfall, die longitudinalen Bewe¬ gungen des Hohlraumresonators 24' gegenüber den longi¬ tudinalen Schwingungen des Wellenleiters 23' eine sig¬ nifikante Phasenverschiebung haben. Die - akustisch
schwache - Kopplung des rohrförmigen Hohlraumresonators 24' und des stabförmigen Blocks 58 des Wellenleiters 23' wird durch Abstützung eines sich radial verjüngen¬ den Stützflansches 60 an einer in einem äußeren radia¬ len Bereich konisch komplementär verlaufenden inneren Stützfläche 59 des Hohlraumresonators 24' erzielt, die zwischen Mantelabschnitten 36' und 36'' unterschiedli¬ cher Dicken o und 0 1 vermittelt, wobei der Außendurch- messer Do beider Abschnitte 36' und 36'' derselbe ist.
Der Abschnitt 36' ' der kleineren Dicke o hat, in Rich¬ tung der zentralen Längsachse 26 des Geräts 10' gese¬ hen, eine axiale Ausdehnung, die 1/8 der Wellenlänge *λχ entspricht, die im Falle resonanter Schwingungsanregung des Hohlraumresonators 24' der Wellenlänge Λχ der lon¬ gitudinalen Schwingungsanregung im Hohlraumresonator 24' entspricht. Der gemäß der Längsschnittdarstellung der Fig. 2 schneidenförmig beziehungsweise keilförmig ausgebildete radial äußere Rand 60' des Stützflansches 60, der sich an der konischen Stützfläche 59 des Hohl¬ raumresonators 24' axial abstützt, geht von einem ra¬ dial inneren, ringscheibenförmigen Flanschbereich 60' ' aus, der seinerseits einstückig mit dem stabförmigen Block 58 des Wellenleiters 23' ausgebildet ist. Inner¬ halb dieses ringscheibenförmigen Teilbereichs 60'' greift ein von dem dünnerwandigen Abschnitt 36'' des Hohlraumresonatormantels 36' koaxial und in lichtem ra¬ dialem Abstand von diesem umschlossenes, rohrförmiges Distanzstück 61 an, das mittels einer Überwurfmutter 62, die mit einem Außengewinde 63 des dünnerwandigen Abschnittes 36' ' der Dicke o 1 des Resonatormantels 36' in kämmendem Eingriff steht und auf einen vorgegebenen
Wert der axialen Kraft einstellbar ist, mit der sich der Wellenleiter 23 ' über seinen Stützflansch 60 an der konischen Stützfläche 59 des Hohlraumresonators 24' axial abstützt, gegen den ringscheibenförmigen Flansch¬ bereich 60' ' gedrängt wird. Durch die sich radial nach außen verjüngende Gestaltung des Stützflansches 60 er¬ langt dieser die Eigenschaft einer Feder, ähnlich der¬ jenigen einer Tellerfeder, die die axial-nachgiebige Verbindung - Kopplung - des Hohlraumresonatorε 24' mit dem εtabförmigen Block 58 des Wellenleiters 23 ' vermit¬ telt.
Bei dem Gerät 10' sind, verglichen mit dem Gerät 10 gemäß Fig. 1, größere Beträge der radialen Schwingungs- amplituden des Hohlraumresonators 24' erreichbar, d.h. ein höherer Q-Faktor, der allgemein durch das Verhält¬ nis der abgestrahlten akustischen Leistung zur hierzu benötigten - elektrischen - Anregungsleistung definiert ist.
Um bei dem Gerät 10' die für die Erreichung eines mög¬ lichst hohen Q-Faktors geeigneten Bedingungen einzuhal¬ ten, nämlich den Hohlraumresonator 24' so zu gestalten, daß bei diesem sowohl für longitudinale als auch für transversale Schwingungen die Resonanzbedingung erfüllt ist, ist die Länge Lw des Hohlraumresonators 24' gemäß der Beziehung
H ^ ^ M
gewähl t .
Soll der Hohlraumresonator 24' des Geräts 10' im Reso¬ nanzfall in der axial vollsymmetrischen Schwingungsform (Fig. 3a) schwingen, wird er so ausgelegt, daß seine Länge Lw zusätzlich zu der Bedingung (3) auch der Be- dingung
genügt.
Sollen andererseits bei dem Gerät 10' Schwingungsformen niedrigerer axialer Symmetrie anregbar sein, wie z.B. anhand der Fig. 3b erläutert, so wird dies durch eine Auslegung des Hohlraumresonators 24' dahingehend er¬ reicht, daß dieser zusätzlich zu der Beziehung (3) auch der Beziehung
genügt, in der mit p
eine ganze Zahl > 1 bezeichnet ist.
Das als weiteres Ausführungsbeispiel in der Fig. 4, auf die nunmehr Bezug genommen sei, in stark vereinfachter, schematischer Form dargestellte Gerät 10' ' iεt dem Ge¬ rät 10' gemäß Fig. 2 sowohl in konεtruktiver als auch
in funktioneller Hinsicht weitestgehend analog und un¬ terscheidet sich von diesem lediglich dadurch, daß an beiden Enden seines rohrförmigen Hohlraumresonators 24' ' je ein akustiεch εchwach an den Hohlraumresonator 24' ' angekoppelter Transducer und Wellenleiter 23' des anhand der Fig. 2 geschilderten Typs vorgesehen ist, um höhere Amplituden der transversalen Schwingungen des Hohlraumresonators 24'' zu erreichen.
Die - nicht eigens dargestellten - piezokeramischen Säulen oder magnetostriktiven Wandler dieser Transducer 20' und Wellenleiter 23' werden mittels des Wechsel¬ spannungsgenerators 35' so angesteuert, daß sie zu ge- genphasigen Schwingungen angeregt werden.
Die Bedingung, daß der Hohlraumresonator 24' sowohl die Resonanzbedingung für longitudinale resonante Schwin¬ gungen als auch für transversale resonante Schwingungen erfüllt, ist bei dem Gerät 10'' gemäß Fig. 4 dadurch erreichbar, daß die Länge Lw' des Hohlraumresonators
24' ' gemäß der Beziehung
gewählt wird, in der mit n eine ganze Zahl >_ 2 be¬ zeichnet ist.
Soll der Hohlraumresonator 24'' des Geräts 10' ' gemäß Fig. 4 mit der vollsymmetrischen Abstrahlcharakteristik gemäß Fig. 3a betrieben werden, so wird der Hohlraumre-
sonator 24' ' so ausgelegt, daß zusätzlich zu der Rela¬ tion (4) auch die Relation
erfüllt iεt.
Soll, andererseits, das Gerät 10'' gemäß Fig. 4 mit Schwingungsformen niedrigerer axialer Symmetrie seines Hohlraumresonators 24'' betrieben werden, wird der Hohlraumresonator 24'' so ausgelegt, daß seine Länge Lw' zusätzlich zu der Bedingung (4) auch der Bedingung
genügt. w
Die anhand der Fig. 1, 2 und 4 erläuterten Geräte 10, 10' und 10'' können zur Reinigung von Werkstücken, zur Stimulierung chemischer Reaktionen, zur Mischung mehre¬ rer flüssiger oder pastöser Komponenten von Nahrungs¬ mitteln, zur Emulgation. und dergleichen eingesetzt wer¬ den.
Eine - nicht dargestellte - Abwandlung der Ausführungε- beispiele gemäß den Fig. 1 und 2 kann auch darin beste¬ hen, daß der Resonator 24 oder der Resonator 24' an seinem Ende abgeschlossen ist, z.B. durch eine Platte, die fest an das Resonatorrohr angesetzt ist.
Solange die Dicke dieser Abschlußplatte klein gegen die
halbe Wellenlange der Schallwellen im Resonatorrohr ist, v/erden auch mit einem solchermaßen abgeschlossenen Resonator dieselben Resultate erzielt, wie anhand der Ausführungsbeispiele gemäß den Fig. 1 und 2 erläutert.
Claims
Patentansprüche
1. Gerät zur Einkopplung von Ultraschall in ein flüs¬ siges oder pastöses Medium, bestehend aus folgen¬ den Funktionselementen:
a) einem Wechselspannungsgenerator, der auf Fre¬ quenzen zwischen 1 kHz und 100 kHz ausgelegt ist, b) einem mit der Ausgangs-Wechselspannung des Ge- neratorε zu hochfrequenten - longitudinalen - mechanischen Schwingungen ansteuerbaren, magne¬ tostriktiven oder piezoelektrischen Transducer, c) einem zylindrisch-stabförmigen Wellenleiter, der durch den Transducer zu longitudinalen re¬ sonanten Schwingungen anregbar ist und d) einem mit dem Wellenleiter akustiεch gekoppel¬ ten, rohrförmigen Hohlraumresonator, der die longitudinalen resonanten Schwingungen in be¬ züglich seiner Längsachse transversale Schwin¬ gungen umsetzt, deren Schwingungsenergie in das mit Ultraschall zu behandelnde Medium einkop¬ pelbar ist,
dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraumresonator (24;24 ' , 24 ' ' ) so ausgelegt ist, daß er sowohl hin¬ sichtlich longitudinaler als auch hinsichtlich transversaler Eigenschwingungen seines Mantels (36,-36' , 36' ') der Resonanzbedingung genügt.
Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge L des an den Wellenleiter (23) angekop¬ pelten Hohlraumresonators gemäß der Beziehung
H ^ V gewählt ist, in der mit
Y der Poisson'sche Querkontraktionskoeffizient, mit
D o der Außendurchmesser des Hohlraumresonators, mit
<J die Wanddicke des Mantels 36 des Hohlraumreso¬ nators 24 , mit f r die Resonanzfrequenz des Hohlraumresonators 24 mit n eine ganze Zahl >. 1 (und) mit c die Schallgeschwindigkeit in einem stabförmigen Resonator bezeichnet sind, wobei diese Schall¬ geschwindigkeit c ihrerseits durch die Bezie¬ hung
c =
ge wgeben ist, in der mit E der Elastizitäts-Ko¬ effizient (Young'scher Modul) des Materials des Hohlraumresonators 24 und mit _f dessen Dichte bezeichnet sind.
Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraumresonator (24') akustisch schwach an den Wellenleiter (23') angekoppelt ist, und daß seine Länge L gemäß der Beziehung
M Ψ gewählt ist, in der mit
V der Poisson'sche Querkontraktionskoeffizient, mit
D o der Außendurchmesser des Hohlraumresonators
( 24 ' ' ) , mit
0 die Wanddicke des Mantels 36 des Hohlraumreso¬ nators (24 ' ' ) , mit fr die Resonanzfrequenz des Hohlraumresonators
(24' ' ) mit n eine ganze Zahl >, 2, mit c die Schallgeschwindigkeit in einem stabförmigen Resonator bezeichnet sind, wobei diese Schall¬ geschwindigkeit c ihrerεeitε durch die Bezie¬ hung
c =
geg •ebrenrist, in der mit E der Elastizitäts-Ko¬ effizient (Young'scher Modul) des Materials des Hohlraumresonators (24'') und mit / dessen Dichte bezeichnet sind, und mit OΛ die gegen¬ über der Dicke <j des die Einkopplung der Schallenergie in das zu behandelnde Medium ver-
mittelnden Abschnitts (36') des Resonatorman¬ tels reduzierte Dicke eines transducerseitigen Mantelabschnitts (36' ') bezeichnet ist, dessen
Außendurchmesser ebenfalls den Wert D hat und o dessen Länge 1/8 der Schallwellenlänge /\χ bei resonanter Anregung des Hohlraumresonators (24' ' ) entspricht.
Gerät nach Anspruch 1, wobei der Hohlraumresonator von beiden Seiten her durch schwach angekoppelte Transducer zu resonanten transverεalen Schwingungen anregbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Reso¬ natorlänge L* gemäß der Beziehung
^ H W H h W (4)
gewählt ist, in der mit
V" der Poisson'sche Querkontraktionskoeffizient, mit
Do der Außendurchmesser des Hohlraumresonators
(24' ' ) , mit σ die Wanddicke des Mantels 36 des Hohlraumreso¬ nators (24 ' ' ) , mit fr die Resonanzfrequenz des Hohlraumresonators
(24' ' ) mit n eine ganze Zahl >. 1, mit c die Schallgeschwindigkeit in einem stabförmigen Resonator bezeichnet sind, wobei diese Schall¬ geschwindigkeit c ihrerseits durch die Be¬ ziehung
VF gegeben ist, in der mit E der Elastizitäts-Ko¬ effizient (Young'scher Modul) des Materials des Hohlraumresonators (24'') und mit / dessen Dichte bezeichnet sind, und mit </y die gegen¬ über der Dicke 6 des die Einkopplung der Schall¬ energie in das zu behandelnde Medium vermitteln¬ den Abschnitts (36') des Resonatormantels redu¬ zierte Dicke eines transducerseitigen Mantelab¬ schnitts (36' ') bezeichnet ist, dessen Außen¬ durchmesser ebenfalls den Wert Do hat und des- sen Länge 1/8 der Schallwellenlänge Tv^bei re¬ sonanter Anregung des Hohlraumresonators (24' ') entspricht.
5. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge 1_ des Hohlraumresonators (24) zusätzlich zu der Beziehung (2) auch der Beziehung:
W genügt.
Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Hohlraumresonatorε (24') zusätzlich zu der Beziehung (3) auch der Beziehung
genügt
7. Gerät nach Anεpruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge Lw deε Hohlraumresonators (24' ') zusätz- lieh zu der Beziehung (4) auch der Beziehung
/ , ,,. fr- ara. U - tf(λ- if] (Λ- £} (5, , ,.
genügt.
8. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge deε Hohlraumresonators (24) zusätzlich zu der Beziehung (2) auch der Beziehung
L. «rx1T*. [ 4- V (* - Jfi(λ-£> (6. ,
genügt, in der mit p eine ganze Zahl >. bezeichnet ist.
9. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge Lw des Hohlraum-Resonators (24') zusätz- lieh zu der Beziehung (3) auch der Beziehung
(r.-twιιrlΛ->i,-ι(Λ-iγ](ι-ifv0 (6
genügt, in der mit p eine ganze Zahl >.l bezeichnet ist.
10. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge Lw des Hohlraumresonatorε (24' ') zuεätz- lieh zu der Beziehung (4) auch der Beziehung
genügt, in der mit p eine ganze Zahl > 1 bezeichnet ist.
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