WO2022099330A1 - Highly effective acoustic shielding device for aerosols with regard to respiratory and skin protection - Google Patents

Highly effective acoustic shielding device for aerosols with regard to respiratory and skin protection Download PDF

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WO2022099330A1
WO2022099330A1 PCT/AT2021/060399 AT2021060399W WO2022099330A1 WO 2022099330 A1 WO2022099330 A1 WO 2022099330A1 AT 2021060399 W AT2021060399 W AT 2021060399W WO 2022099330 A1 WO2022099330 A1 WO 2022099330A1
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acoustic
wave
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PCT/AT2021/060399
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Michele SCHIRRU
Serhiy BUDNYK
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Ac2T Research Gmbh
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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
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0688—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction with foil-type piezoelectric elements, e.g. PVDF
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    • B01D49/00—Separating dispersed particles from gases, air or vapours by other methods
    • B01D49/006—Separating dispersed particles from gases, air or vapours by other methods by sonic or ultrasonic techniques

Definitions

  • the invention relates to the design of a device in which a highly dynamic acoustic pressure field is generated using an acoustic point source in order to efficiently deflect particles, vapours, aerosols or pathogens (PDAK) acoustically and thus achieve a shielding effect will .
  • the principle of the acoustic point source is used, which is realized according to the invention from piezoelectric materials, in particular integrated in body protection equipment (CPS), and by means of the micro-vibrations generated by low-voltage excitation, acoustic waves (of sufficient intensity in mutual interaction) generate and this acoustic shielding causes .
  • High power, low frequency standing acoustic waves are used as filters to selectively trap and deflect particles of different sizes (US5 626767A).
  • the method most commonly used involves the generation of a standing wave between two surfaces via sound transducers.
  • the use of this method is particularly useful in liquid media (US20140190889A1) or documented for various applications in heavy industry or for particle infiltration in diesel engines (US7 7398 69B2).
  • air filter membranes of industrial plants are vibrated by sound waves in order to delay clogging of the filters (EP3192580A1).
  • US8912709B2 describes a flexible piezoelectric polymer that acts as a passive sensor and responds to displacement or flexing according to the magnitude of the force applied to the sensor surface (EP2598255A2).
  • Piezoelectric sensors are also documented as “active components” for moving mass (particles, fluids), e.g. as microfluidic mixers (Sriphutkiat, Yannapol and Yufeng Zhou, "Particle accumulation in a microchannel and their reduction by a standing surface acoustic wave ". Sensors 17.1 (2017): 106. ), as loudspeakers (FR2651633A1), or devices for the manipulation and detection of particles (Rocha-Gaso, Maria-Isabel, among others "Biosensors for surface-generated acoustic waves for the detection of pathogens: an overview. " Sensors 9.7 (2009): 5740-5769) ).
  • active components for moving mass (particles, fluids), e.g. as microfluidic mixers (Sriphutkiat, Yannapol and Yufeng Zhou, "Particle accumulation in a microchannel and their reduction by a standing surface acoustic wave ". Sensors 17.1 (2017): 106.
  • PDAK PDAK
  • respiratory protective equipment contain as an essential component z.
  • B. a passive filter that impedes the passage of particles of different sizes.
  • the filter may contain antimicrobial properties for self-cleaning (EP3287028A1).
  • a filter (or the respiratory protection element in question) should generally only be used once and for a limited period of time, as the filter becomes clogged with particles during use.
  • Piezoelectric components are known as sensors in respiratory masks to detect the presence of particles (WO201508844 6A1) and to check the degree of tightness of masks (US2011027 0085A1). Acoustically assisted air filters are described in US20170197171A1.
  • the invention relates to a device that creates an acoustic pressure field that acts as an acoustic shield to selectively acoustically deflect fine particles, vapors and aerosols.
  • the aim of the device is to: Use low-power, high-frequency point-source acoustic transducers to create a pressure field that actively repels aerosols, fine particles, vapors, and pathogens.
  • To integrate the acoustic shield as an enhancement to body armor to improve protection for the user of the acoustic shield.
  • Dust, vapor and pathogen deposits to extend on the outer surfaces of the KSA and breathing masks.
  • the acoustic shield preferably comprises a piezoelectric actuator and a lightweight electrical signal generator comprising a capacitance, a variable resistor, a Schmitt inverter and a voltage source to power the device.
  • the vibration of the piezoelectric element is preferably tuned in amplitude, frequency and wave mode to provide a sound pressure level in the range of 0.0001 Pa to 200 Pa to generate, which prevents particles in a size varying from the nm to the mm range in contact with the user of the acoustic shielding.
  • the device preferably consists essentially of at least one piezoelectric actuator as an acoustic source 3 and control electronics 10 designed according to lightweight construction criteria, which functions as a signal generator and, in particular, a capacitor 12, a variable resistor 13, a Schmitt inverter 14 and a voltage source 1 for voltage respectively .
  • Power supply of the device includes.
  • the vibrations generated by the source 3 are tuned in amplitude, frequency and wave mode, and produce a sound pressure level in the range of 0.0001 Pa to 200 Pa.
  • the acoustic pressure field generated by the source 3 is a highly dynamic acoustic pressure field, i. H . it oscillates at a frequency of 10 Hz to 10 MHz.
  • the efficiency of the device according to the invention is achieved in particular in that at least one in a KSA built-in piezoelectric transducer as a monopolar source 3, operated with low power and high frequency, generates a sound pressure field.
  • the interaction of the acoustic interference between respective acoustic, monopolarly generated wavefronts is specifically used to generate an acoustic pressure field.
  • This serves to limit the entry of PDAK in the area of KSA vulnerabilities.
  • sound waves bring about a reduction in deposits of PDAK on, in particular, exposed KSA surfaces.
  • This supplements or supplements the effect of a passive respiratory protection filter used in the KSA. supports .
  • the temperature level achieved in parts of the device that are essential for the desired protective effect also supports the rendering harmless of biogenic PDAK on the surfaces in question.
  • the source 3 is used in multiple numbers to distribute biochemically supporting media from an essentially liquid base 17 , in particular disinfectant, in the form of very finely distributed droplets, as an aerosol 20 , in the surrounding medium.
  • Figure 1 shows the principle of operation of the invention, consisting of a voltage source 1, a waveform generator 2 and an arrangement of more than one
  • Source 3 where the source 3 has geometric dimensions in all three coordinate directions that are smaller than the wavelength used. With the source 3, an acoustic wave 4 is generated, which has the energy required to repel PDAK 5.
  • a source 3 acts as a monopolar source. The selected configuration allows the maximum propagation of wave 4.
  • the sound intensity I is given by:
  • V is the voltage applied to source 3 and i is the current applied. From equations (1) and (2) it follows that the highest sound intensity is reached when the surface of the monopolar source is reduced to a point in the limiting case and the voltage is increased.
  • a sound pressure field in the range up to 150 dB can be achieved with suitable materials - including but not limited to polymer, PVDF (polyvinylidene fluoride) or PZT (lead zirconate titanate) - for the source 3.
  • This sound pressure field corresponds to a sound pressure of 0.0001 Pa to 200 Pa, with the respective level or acoustic amplitude decreasing according to equation (3):
  • A i4 0 e az ( 3 )
  • A is the amplitude at distance z
  • a o is the amplitude at source 3
  • a is the attenuation coefficient in the propagation medium.
  • a special characteristic of the embodiment according to the invention is the temperature control of surfaces.
  • Ultrasonic waves can change temperature z. B. produce in the range of 0.1 ° C to 80 ° C.
  • the temperature resulting from the intense vibrations of source 3 can be used to clean a surface either by driving PDAK 5 through induced thermal slip (relative microshear movements) are removed and/or the temperature is used to kill biogenic PDAK 5 .
  • Such temperature increases are preferably used off-situ in order to clean passive filters 8 and to enable multiple use of the protective equipment.
  • a correspondingly strong current source is connected to the control electronics 10 so that the desired surface temperature on an outer fabric layer 7 of an acoustic shielding A is reached.
  • FIG. 2 shows the propagation of the wave 4 from a source 3 using isobaric lines in three-dimensional space. If more than one source 3 is arranged, a wave 4 is superimposed on at least one other wave 4 at the same point in space, and the amplitude at this point or Node 6 equals the sum of the sound pressure of the superimposed waves. If the array of more than one source 3 pulses synchronously, the amplitude of the pulse increases at a node 6 , where the amplitudes of at least two waves 4 interact, and creates a three-dimensional sound pressure network with the nodes 6 having a higher sound pressure than the surroundings .
  • the distance d between each node 6 in the sound pressure network z is given by: where A is the wavelength and m is the number of interacting sources 3. In order to obtain the greatest possible effect for the shielding A, the distance between two sources 3 must be equal to A/n, where n is an integer.
  • FIG. 3 shows the shielding A in the embodiment of an efficient passive filter 8 according to the invention, integrated in a KSA by a possible arrangement for increasing the protection against PEAK 5 .
  • the shield A consists of an outer fabric layer 7 , the source 3 and the passive filter 8 .
  • the source 3 consists of a piezoelectric material (including flexible polymer (e.g. PVDF), AlN and PZT) with a layer thickness of 0.001 mm to 1 mm and an operating frequency of 10 Hz to 10 MHz.
  • the source 3 is fixed in a materially bonded manner inside the outer fabric layer 7 in a manner known per se. The use of frequencies above the hearing limit ensures that volatile PDAK 5 with a diameter of less than one millimeter are repelled and at the same time the sound waves are not perceived by humans.
  • Figure 4 shows an example arrangement of shield A during use.
  • Figure 5 shows the shield A with an exemplary arrangement of more than one source 3 .
  • More than one source 3 are connected to the control electronics 10 via flexible electrical conductors 9, which are located on a flexible printed circuit board 11, e.g. B. made of polyimide.
  • control electronics 10 consist of at least a voltage source 1 , a flexible circuit board 11 , a capacitor 12 , a variable resistor 13 and a Schmitt logic inverter 14 .
  • the use of the variable resistor 13 makes it possible to vary the resistance value and therefore the excitation frequency (see equation (6)) of the source 3.
  • FIG. 7 schematically shows an exemplary arrangement of the control electronics 10 and a rotary knob 15 which is connected to the variable resistor 13 on a respiratory protection mask.
  • Figure 8 shows a further arrangement of the control electronics 10 and the source 3 .
  • the control electronics 10 is located on a frame-shaped Circuit board 11 on which the electronics can be installed, which consists of at least the voltage source 1, the capacity 12, the variable resistor 13 and the Schmitt logic inverter 14.
  • Conductor tracks, preferably in the form of flexible wires 9, in particular copper wires, are routed from the control electronics 10 to at least one source 3.
  • the control electronics 10 generates a wave with an amplitude as a function of the voltage source 1 and the excitation frequency f (note equation (6)).
  • R is the variable resistance 13
  • C is the capacitance 12
  • f is the excitation frequency and
  • V h the low and high switching voltage of the Schmitt trigger.
  • Figure 9 and figure 10 show schematically two different modes of operation as a function of the material polarization of the source 3 .
  • Figure 9 shows schematically the effect of more than one wave 4 in the form of longitudinal vibrations in order to generate a sound pressure field that keeps the PDAK 5 away from the surface to be protected.
  • FIG 10 the effect of wave 4 in the form of surface waves and shear waves 16 is shown schematically, with the help of which a surface or an outer fabric layer 7 is vibrated to to reduce the likelihood of attachment of PDAK 5.
  • Figure 11 shows an example of the use of shielding A at selected points of a KSA in the form of a protective suit B .
  • the sources 3 are preferably located on the edges of the protective suit B around the respective part of the body.
  • FIG. 1 A possible expansion of the shield A based on the embodiment according to the invention by a system for the self-cleaning of KSA surfaces is shown in FIG.
  • a container for a liquid agent 17 in particular a liquid medium for generating an antiseptic aerosol 20 , is connected to the shield A and distributes the agent 17 in a capillary 18 integrated in the shield A due to capillary effects.
  • the agent 17 in the capillary 18 is released by the sound pressure generated by the source 3 from an outer tissue layer 7 to the environment in the vicinity of the KSA.
  • microholes 19 are made in the capillary 18 , which is in direct connection with the source 3 , which enable the release of the agent 17 and cause its precipitation on the outer tissue layer 7 .

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Abstract

The invention relates to the design of acoustic shielding (A), in which, by means of at least one piezoelectric actuator as an acoustic source (3) (point source), an acoustic wave (4) and thus a highly dynamic acoustic pressure field is generated at an operating frequency of from 10 Hz to 10 MHz, and particles, vapours, aerosols or pathogens (PDAK) are selectively acoustically deflected by means of said field in an efficient manner and thus a shielding effect is achieved. By low-voltage excitation of control electronics (10) by means of, inter alia, a voltage source (1) and a waveform generator (2), the source (3), for example integrated in body protection equipment (KSA), generates micro-vibrations and thus an acoustic wave (4), the intensity of which is sufficient due to interference in nodes (6), and effects the shielding (A) in mutual cooperation. In an extended embodiment of the device according to the invention, the source (3) is used to distribute biochemically supporting media from a substantially liquid base (17), in particular disinfectants, in the form of dispersed droplets, as an aerosol (20) in the environment in the vicinity of the KSA.

Description

Hocheffektive Akustische Abschirmvorrichtung für Aerosole im Hinblick auf Atem- und Hautschutz . Highly effective acoustic shielding device for aerosols with regard to respiratory and skin protection.
Die Erfindung betri fft die Gestaltung einer Vorrichtung, bei der mit Hil fe einer akustischen Punkt- guelle ein hochdynamisches akustisches Druckfeld erzeugt wird, um in effi zienter Wei se Partikel , Dämpfe , Aerosole oder Krankheitserreger ( PDAK) selektiv akustisch abzulenken und somit eine Abschirmwirkung erzielt wird . Hierzu wird das Prinzip der akustischen Punktguelle genutzt , die aus piezoelektrischen Materialien, insbesondere integriert in einer Körperschutzausrüstung ( KSA) , erfindungsgemäß realisiert wird und mittels den durch Niederspannungsanregung erzeugten Mikrovibrationen, akustische Wellen ( die im gegenseitigen Zusammenwirken ausreichende Intensität ) erzeugen und dies eine akustische Abschirmung bewirkt .The invention relates to the design of a device in which a highly dynamic acoustic pressure field is generated using an acoustic point source in order to efficiently deflect particles, vapours, aerosols or pathogens (PDAK) acoustically and thus achieve a shielding effect will . For this purpose, the principle of the acoustic point source is used, which is realized according to the invention from piezoelectric materials, in particular integrated in body protection equipment (CPS), and by means of the micro-vibrations generated by low-voltage excitation, acoustic waves (of sufficient intensity in mutual interaction) generate and this acoustic shielding causes .
Stand der Technik State of the art
Stehende niederf reguente akustische Wellen hoher Leistung werden als Filter verwendet , um Partikel unterschiedlicher Größe selektiv einzufangen und abzulenken (US5 626767A) . Die überwiegend eingesetzte Methode umfasst die Erzeugung einer stehenden Welle zwischen zwei Oberflächen über Schallwandler . Die Verwendung dieser Methode ist insbesondere in flüssigen Medien (US20140190889A1 ) bzw . für unterschiedliche Anwendung in der Schwerindustrie oder zur Partikelinfiltration in Dieselmotoren dokumentiert (US7 7398 69B2 ) . Weiters werden Luftfiltermembranen von Industrieanlagen durch Schallwellen in Vibration versetzt, um ein Zusetzen der Filter zu verzögern (EP3192580A1 ) .High power, low frequency standing acoustic waves are used as filters to selectively trap and deflect particles of different sizes (US5 626767A). The method most commonly used involves the generation of a standing wave between two surfaces via sound transducers. The use of this method is particularly useful in liquid media (US20140190889A1) or documented for various applications in heavy industry or for particle infiltration in diesel engines (US7 7398 69B2). Furthermore, air filter membranes of industrial plants are vibrated by sound waves in order to delay clogging of the filters (EP3192580A1).
In US8912709B2 wird ein flexibles piezoelektrisches Polymer beschrieben, das als passiver Sensor fungiert und auf eine Verschiebung oder Biegung entsprechend der Größe der auf die Sensoroberfläche ausgeübten Kraft (EP2598255A2 ) reagiert. US8912709B2 describes a flexible piezoelectric polymer that acts as a passive sensor and responds to displacement or flexing according to the magnitude of the force applied to the sensor surface (EP2598255A2).
Piezoelektrische Sensoren sind ebenso als „aktive Komponenten" zur Bewegung von Masse (Teilchen, Fluiden) , z. B. als Mikrofluidmischer, dokumentiert ( Sriphutkiat , Yannapol und Yufeng Zhou, "Partikelanhäufung in einem Mikrokanal und ihre Reduktion durch eine akustische Welle mit stehender Oberfläche". Sensoren 17.1 (2017) : 106. ) , als Lautsprecher (FR2651633A1) , oder Geräte zur Manipulation und Detektion von Partikeln (Rocha-Gaso, Maria-Isabel, u. a. "Biosensoren für oberflächenerzeugte akustische Wellen zum Nachweis von Krankheitserregern: Ein Überblick." Sensoren 9.7 (2009) : 5740-5769) ) . Piezoelectric sensors are also documented as "active components" for moving mass (particles, fluids), e.g. as microfluidic mixers (Sriphutkiat, Yannapol and Yufeng Zhou, "Particle accumulation in a microchannel and their reduction by a standing surface acoustic wave ". Sensors 17.1 (2017): 106. ), as loudspeakers (FR2651633A1), or devices for the manipulation and detection of particles (Rocha-Gaso, Maria-Isabel, among others "Biosensors for surface-generated acoustic waves for the detection of pathogens: an overview. " Sensors 9.7 (2009): 5740-5769) ).
Der Einsatz von akustischen Druckfeldern ist hinsichtlich der Entwicklung von Geräten zur Manipulation von Partikeln unterschiedlicher Größenordnung beschrieben (Ueha, Sadayuki, Yoshiki Hashimoto und Yoshikazu Koike, "Berührungsloser Transport mittels akustischer Nahfeld-Schwebetechnik". Ultraschall 38, 1-8 (2000) : 26-32) . Solche Geräte sind im Wesentlichen Hochleistungslautsprecher (mit einem piezoelektrischen Wandler als aktives Element ) , die stehende Schallwellen erzeugen, an deren Knotenpunkten Partikel eingefangen werden . The use of acoustic pressure fields has been described with regard to the development of devices for manipulating particles of different sizes (Ueha, Sadayuki, Yoshiki Hashimoto and Yoshikazu Koike, "Contact-free transport using acoustic near-field levitation technology". Ultrasound 38, 1-8 (2000): 26 -32) . Such devices are essentially high-power speakers (with a piezoelectric Transducers as an active element ) that generate standing sound waves, at the nodes of which particles are trapped.
Die Präsenz von schädlichen PDAK in einer Arbeitsumgebung für Menschen erfordert den Einsatz von Atemschutzgeräten . Diese enthalten als wesentliche Komponente z . B . einen passiven Filter , der den Durchgang von Partikeln unterschiedlicher Größe behindert . Der Filter kann antimikrobielle Eigenschaften zur Selbstreinigung enthalten ( EP3287028A1 ) . Ein Filter (bzw . das betreffende Atemschutzelement ) ist in der Regel nur einmal und für eine begrenzte Zeitdauer zu verwenden, da sich der Filter im Zuge des Gebrauches mit Partikeln zusetzt . The presence of harmful PDAK in a human work environment requires the use of respiratory protective equipment. These contain as an essential component z. B. a passive filter that impedes the passage of particles of different sizes. The filter may contain antimicrobial properties for self-cleaning (EP3287028A1). A filter (or the respiratory protection element in question) should generally only be used once and for a limited period of time, as the filter becomes clogged with particles during use.
Piezoelektrische Komponenten sind als Sensoren in Atemschutzmasken bekannt , um das Vorhandensein von Partikeln zu erkennen (WO201508844 6A1 ) und den Dichtheitsgrad von Masken zu überprüfen (US2011027 0085A1 ) . In US20170197171A1 sind akustisch unterstützte Luftfilter beschrieben . Piezoelectric components are known as sensors in respiratory masks to detect the presence of particles (WO201508844 6A1) and to check the degree of tightness of masks (US2011027 0085A1). Acoustically assisted air filters are described in US20170197171A1.
Geometrische Abmessungen und Funktionsparameter derartiger Luftfilter lassen j edoch eine Realisierung mit einem geringen Gewicht , wie für Atemschutzmasken unabdingbar , nicht zu . However, the geometric dimensions and functional parameters of such air filters do not permit implementation with a low weight, which is indispensable for respiratory protection masks.
Weiters ist bekannt , dass bei Einwirkung von Ultraschall entsprechender Leistung Reibungskräfte sowie die Anziehung zwischen mikroskopischen Grenz flächen ( z . B . zwischen einer Oberfläche und einem Partikel ) beeinflusst werden können. Sang Yi, Martin Dube, and Martin Grant ("Thermal effects on atomic friction" Physical Review Letters 87.17 (2001) : 174301.) zeigten, dass Reibungskräfte proportional zu Temperaturänderungen an Grenzflächen sind. It is also known that when ultrasonic power is applied, frictional forces and the attraction between microscopic interfaces (e.g. between a surface and a particle) can be influenced. Sang Yi, Martin Dube, and Martin Grant ("Thermal effects on atomic friction" Physical Review Letters 87.17 (2001) : 174301.) showed that frictional forces are proportional to temperature changes at interfaces.
Kurzzusammenfassung der Erfindung Brief Summary of the Invention
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, die ein akustisches Druckfeld erzeugt, das als akustisches Schild wirkt, um feine Partikel, Dämpfe und Aerosole selektiv akustisch abzulenken. Es ist unter anderem Ziel der Vorrichtung: Akustische Punktguellen-Wandler mit geringer Leistung und hoher Freguenz einzusetzen, um ein Druckfeld zu erzeugen, das aktiv Aerosole, feine Partikel, Dämpfe und Krankheitserreger abstößt. Die Wechselwirkung von akustisch konstruktiven Interferenzen zwischen Wellenfronten von akustischen Monopolen zu nutzen, um ein akustisches Drucknetz zu erzeugen, das Partikel im sub-mm-Bereich aktiv abstößt. Die akustische Abschirmung als Verbesserung für Körperschutzausrüstungen (KSA) zu integrieren, um den Schutz für den Benutzer der akustischen Abschirmung zu verbessern. Die akustische Abschirmung als Verbesserung für passive Atemfilter zu integrieren, um die Lebensdauer der Filter selbst durch Begrenzung vonThe invention relates to a device that creates an acoustic pressure field that acts as an acoustic shield to selectively acoustically deflect fine particles, vapors and aerosols. Among other things, the aim of the device is to: Use low-power, high-frequency point-source acoustic transducers to create a pressure field that actively repels aerosols, fine particles, vapors, and pathogens. To use the interaction of acoustically constructive interferences between wavefronts of acoustic monopoles to generate an acoustic pressure network that actively repels sub-mm particles. To integrate the acoustic shield as an enhancement to body armor to improve protection for the user of the acoustic shield. To integrate acoustic shielding as an improvement for passive breathing filters to extend the life of the filters themselves by limiting
Staub-, Dampf- und Krankheitserregerablagerungen auf Außenflächen der KSA und Atemmasken zu verlängern . Ein akustisch erzeugtes Druckfeld einzusetzen, das den Eintritt von Staubpartikeln, Dämpfen, Aerosol und Krankheitserregern durch Schwachstellen wie erhöhten Konturen der Schutzmasken und KSA zu begrenzen . Die Lebens zeit von auf passiven Filtern basierenden Atemmasken durch lokale Temperaturerhöhungen zu verlängern, um schädliche Krankheitserreger abzutöten . Akustische Wellen einzusetzen, um dieDust, vapor and pathogen deposits to extend on the outer surfaces of the KSA and breathing masks. Deploy an acoustically generated pressure field that limits the entry of dust particles, vapors, aerosol and pathogens through weak points such as raised contours of the protective masks and KSA. Extend the life of passive filter-based respirators by raising local temperatures to kill harmful pathogens. Use acoustic waves to
Reibungseigenschaften von KSA-Ober flächen zu verändern, um die Partikelablagerungen auf solchen Oberflächen zu reduzieren . Akustische Punktguellen als Mittel einzusetzen, umChanging the frictional properties of KSA surfaces in order to reduce particle deposits on such surfaces. Using acoustic point sources as a means to
Desinfektionsmitteltröpfchen an denDisinfectant droplets on the
Außenoberflächen der KSA zu verteilen, um diese zu reinigen, zu desinfi zieren die Lebens zeit der KSA selbst zu verlängern . Distributing the outer surfaces of the KSA in order to clean them, disinfect them and extend the life of the KSA itself.
Die akustische Abschirmung umfasst bevorzugt einen piezoelektrischen Aktuator und einen leichtgewichtigen elektrischen Signalgenerator , der eine Kapazität , einen variablen Widerstand, einen Schmitt-Inverter und eine Spannungsguelle zur Energieversorgung der Vorrichtung umfasst . Die Schwingung des piezoelektrischen Elements ist bevorzugt in Amplitude , Freguenz und Wellenmodus abgestimmt , um einen Schalldruckpegel im Bereich von 0 , 0001 Pa bis 200 Pa zu erzeugen, der verhindert , dass Partikeln in einer Größe variierend vom nm- bis zum mm-Bereich in Berührung mit dem Benutzer der akustischen Abschirmung kommen . The acoustic shield preferably comprises a piezoelectric actuator and a lightweight electrical signal generator comprising a capacitance, a variable resistor, a Schmitt inverter and a voltage source to power the device. The vibration of the piezoelectric element is preferably tuned in amplitude, frequency and wave mode to provide a sound pressure level in the range of 0.0001 Pa to 200 Pa to generate, which prevents particles in a size varying from the nm to the mm range in contact with the user of the acoustic shielding.
Beschreibung der Erfindung Description of the invention
Besonders bevorzugte Aus führungs formen der erfindungsgemäßen Lösung für den effi zienten Einsatz akustischer Druckfelder in Schutzvorrichtungen sowie zur Vermeidung der geschilderten Nachteile bzw . Beschränkungen wird anhand der Abbildungen 1 bis 12 wie folgt beschrieben . Particularly preferred embodiments of the solution according to the invention for the efficient use of acoustic pressure fields in protective devices and for avoiding the disadvantages or Restrictions is described using Figures 1 through 12 as follows.
Die Vorrichtung besteht bevorzugt im Wesentlichen aus mindestens einem piezoelektrischen Aktuator als akustische Quelle 3 und einer nach Leichtbaukriterien gestalteten Steuerelektronik 10 , die als Signalgenerator fungiert und insbesondere eine Kapazität 12 , einen variablen Widerstand 13 , einen Schmitt-Inverter 14 und eine Spannungsguelle 1 zur Spannungs- bzw . Stromversorgung der Vorrichtung umfasst . Die durch die Quelle 3 erzeugten Schwingungen werden in Amplitude , Freguenz und Wellenmodus abgestimmt , und erzeugen einen Schalldruckpegel im Bereich von 0 , 0001 Pa bis 200 Pa . Weiters ist das von der Quelle 3 erzeugte akustische Druckfeld ein hochdynamisches akustisches Druckfeld, d . h . es schwingt mit einer Freguenz von 10 Hz bis 10 MHz . The device preferably consists essentially of at least one piezoelectric actuator as an acoustic source 3 and control electronics 10 designed according to lightweight construction criteria, which functions as a signal generator and, in particular, a capacitor 12, a variable resistor 13, a Schmitt inverter 14 and a voltage source 1 for voltage respectively . Power supply of the device includes. The vibrations generated by the source 3 are tuned in amplitude, frequency and wave mode, and produce a sound pressure level in the range of 0.0001 Pa to 200 Pa. Furthermore, the acoustic pressure field generated by the source 3 is a highly dynamic acoustic pressure field, i. H . it oscillates at a frequency of 10 Hz to 10 MHz.
Die Effi zienz der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird insbesondere dadurch erreicht , dass mindestens ein in eine KSA eingebauter piezoelektrischer Wandler als monopolare Quelle 3 , mit niedriger Leistung und hoher Freguenz betrieben, ein Schalldruckfeld erzeugt . Dabei wird spezi fisch die Wechselwirkung der akustischen Interferenz zwi schen j eweils akustischen, monopolar generierten Wellenfronten zur Erzeugung eines akustischen Druckfeldes genutzt . Dieses dient der Begrenzung des Eintrags von PDAK im Bereich von KSA- Schwachstellen . Derart bewirken Schallwellen eine Verringerung von Ablagerung von PDAK an insbesondere exponierten KSA-Ober flächen . Damit wird die Wirkung eines in der KSA verwendeten passiven Atemschutz filters ergänzt bzw . unterstützt . Das erzielte Temperaturniveau in für die angestrebte Schutzwirkung wesentlichen Teilen der Vorrichtung unterstützt zusätzlich die Unschädlichmachung von biogenen PDAK auf den betreffenden Oberflächen . The efficiency of the device according to the invention is achieved in particular in that at least one in a KSA built-in piezoelectric transducer as a monopolar source 3, operated with low power and high frequency, generates a sound pressure field. The interaction of the acoustic interference between respective acoustic, monopolarly generated wavefronts is specifically used to generate an acoustic pressure field. This serves to limit the entry of PDAK in the area of KSA vulnerabilities. In this way, sound waves bring about a reduction in deposits of PDAK on, in particular, exposed KSA surfaces. This supplements or supplements the effect of a passive respiratory protection filter used in the KSA. supports . The temperature level achieved in parts of the device that are essential for the desired protective effect also supports the rendering harmless of biogenic PDAK on the surfaces in question.
In einer erweiterten Aus führung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Quelle 3 , in einer mehrfachen Anzahl , dafür eingesetzt , biochemisch unterstützende Medien aus im Wesentlichen flüssiger Basis 17 , insbesondere Desinfektionsmittel , in Form feinstverteilter Tröpfchen, als Aerosol 20 , im Umgebungsmedium zu verteilen . In an expanded version of the device according to the invention, the source 3 is used in multiple numbers to distribute biochemically supporting media from an essentially liquid base 17 , in particular disinfectant, in the form of very finely distributed droplets, as an aerosol 20 , in the surrounding medium.
Abbildung 1 zeigt das Funktionsprinzip der Erfindung, bestehend aus einer Spannungsguelle 1 , einem Wellenformgenerator 2 und einer Anordnung von mehr als einerFigure 1 shows the principle of operation of the invention, consisting of a voltage source 1, a waveform generator 2 and an arrangement of more than one
Quelle 3 , wobei die Quelle 3 geometrische Abmessungen in allen drei Koordinatenrichtungen hat, die kleiner als die verwendete Wellenlänge sind. Mit der Quelle 3 wird eine akustische Welle 4 erzeugt, die die erforderliche Energie aufweist, um PDAK 5 abzustoßen. Eine Quelle 3 wirkt als monopolare Quelle. Die gewählte Konfiguration erlaubt die maximale Ausbreitung der Welle 4. Die Schallintensität I ergibt sich mit:
Figure imgf000010_0001
Source 3 , where the source 3 has geometric dimensions in all three coordinate directions that are smaller than the wavelength used. With the source 3, an acoustic wave 4 is generated, which has the energy required to repel PDAK 5. A source 3 acts as a monopolar source. The selected configuration allows the maximum propagation of wave 4. The sound intensity I is given by:
Figure imgf000010_0001
Dabei ist P die Schallleistung und 0 die Fläche der relevanten abstrahlenden Oberfläche der Quelle 3, im Falle einer kreisförmigen monopolaren Quelle 3 mit dem Radius r, 0 = 4r27T. Aus Gleichung (1) folgt die von der Quelle 3 erzeugte akustische Leistung P gemäß: Where P is the sound power and 0 is the area of the relevant radiating surface of the source 3, in the case of a circular monopolar source 3 of radius r, 0 = 4r 2 7T. The acoustic power P generated by the source 3 follows from equation (1) according to:
P = Vi (2)P = Vi (2)
Dabei ist V die an der Quelle 3 angelegte Spannung und i der anliegende Strom. Aus Gleichungen (1) und (2) ergibt sich, dass die höchste Schallintensität erreicht wird, wenn die Oberfläche der monopolaren Quelle im Grenzfall zu einem Punkt reduziert und die Spannung erhöht wird. Ein Schalldruckfeld im Bereich bis 150 dB kann mit geeigneten Materialien - einschließlich, aber nicht beschränkt auf, Polymer, PVDF ( Polyvinyliden- fluorid) oder PZT (Blei-Zirkonat-Titanat ) - für die Quelle 3 erreicht werden. Dieses Schalldruckfeld entspricht einem Schalldruck von 0,0001 Pa bis 200 Pa, wobei das jeweilige Niveau bzw. die akustische Amplitude entsprechend der Gleichung (3) abnimmt: A = i40e az ( 3 )where V is the voltage applied to source 3 and i is the current applied. From equations (1) and (2) it follows that the highest sound intensity is reached when the surface of the monopolar source is reduced to a point in the limiting case and the voltage is increased. A sound pressure field in the range up to 150 dB can be achieved with suitable materials - including but not limited to polymer, PVDF (polyvinylidene fluoride) or PZT (lead zirconate titanate) - for the source 3. This sound pressure field corresponds to a sound pressure of 0.0001 Pa to 200 Pa, with the respective level or acoustic amplitude decreasing according to equation (3): A = i4 0 e az ( 3 )
Dabei ist A die Amplitude im Abstand z, Ao die Amplitude an der Quelle 3 und a der Dämpfungskoeffizient im Ausbreitungsmedium. Damit ist es möglich, Schalldruckfelder unterschiedlicher räumlicher Länge im Bereich von wenigen Mikrometern bis zu mehreren Millimetern zu erzeugen. Die Schallintensität (siehe Gleichung (1) ) und Leistung (siehe Gleichung (2) ) wird in Abhängigkeit von der Größe der zu beeinflussenden (abzustoßenden) Partikel gewählt. Die jeweilige akustische Abstrahlungskraft F im Schalldruckfeld ergibt an jedem Punkt sich mit:
Figure imgf000011_0001
where A is the amplitude at distance z, A o is the amplitude at source 3 and a is the attenuation coefficient in the propagation medium. This makes it possible to generate sound pressure fields of different spatial lengths in the range from a few micrometers to several millimeters. The sound intensity (see equation (1)) and power (see equation (2)) is selected depending on the size of the particles to be influenced (repelled). The respective acoustic radiation force F in the sound pressure field results at each point with:
Figure imgf000011_0001
Dabei ist c die Schallgeschwindigkeit im akustischen Ausbreitungsmedium. Entsprechend den Gleichungen (1) bis (4) ist es möglich, relevante akustische Abstoßkräfte mit Niederspannungsleistungsschaltkreisen zu erreichen, indem die Oberfläche der Quelle 3 verkleinert wird. Dieses Prinzip wird für die gegenständliche Erfindung angewendet. where c is the speed of sound in the acoustic propagation medium. According to equations (1) to (4) it is possible to achieve relevant acoustic repulsive forces with low voltage power circuits by reducing the surface area of the source 3. This principle is applied to the present invention.
Eine spezielle Ausprägung der erfindungsgemäßen Ausführung ist die Temperierung von Oberflächen. Ultraschallwellen können Temperaturänderungen z. B. im Bereich von 0,1 °C bis 80 °C erzeugen. Die zufolge der intensiven Vibrationen der Quelle 3 entstehende Temperatur kann zur Reinigung einer Oberfläche genutzt werden, indem entweder PDAK 5 durch induzierten thermischen Schlupf (relative Mikroscherbewegungen) entfernt werden und/oder die Temperatur zur Abtötung von biogenen PDAK 5 genutzt wird . Derartige Temperaturerhöhungen werden bevorzugt off-situ eingesetzt , um passive Filter 8 zu reinigen und eine mehrfache Verwendung der Schutzausrüstung zu ermöglichen . Hierzu wird insbesondere eine entsprechend starke Stromguelle an die Steuerelektronik 10 angeschlossen, so dass die angestrebte Oberflächentemperatur auf einer äußeren Gewebeschicht 7 einer akustischen Abschirmung A erreicht wird . A special characteristic of the embodiment according to the invention is the temperature control of surfaces. Ultrasonic waves can change temperature z. B. produce in the range of 0.1 ° C to 80 ° C. The temperature resulting from the intense vibrations of source 3 can be used to clean a surface either by driving PDAK 5 through induced thermal slip (relative microshear movements) are removed and/or the temperature is used to kill biogenic PDAK 5 . Such temperature increases are preferably used off-situ in order to clean passive filters 8 and to enable multiple use of the protective equipment. For this purpose, in particular, a correspondingly strong current source is connected to the control electronics 10 so that the desired surface temperature on an outer fabric layer 7 of an acoustic shielding A is reached.
Abbildung 2 zeigt zur Erläuterung des Wirkprinzips der erfindungsgemäßen Aus führung die Ausbreitung der Welle 4 von einer Quelle 3 anhand isobarer Linien im dreidimensionalen Raum . Bei einer Anordnung von mehr als einer Quelle 3 überlagern sich im selben Punkt des Raumes eine Welle 4 mit mindestens einer weiteren Welle 4 , und ist die Amplitude in diesem Punkt bzw . Knoten 6 gleich der Summe des Schalldrucks der sich überlagernden Wellen . Pulsiert die Anordnung von mehr als einer Quelle 3 synchron, steigt die Amplitude des Pulses an einem Knoten 6 , wo die Amplituden von zumindest zwei Wellen 4 interagieren, an und erzeugt ein dreidimensionales Schalldrucknetz mit den Knoten 6 , die einen höheren Schalldruck als die Umgebung aufweisen . Je größer die Anzahl der Quellen 3 j e Raumeinheit ist , desto dichter ist das Schalldrucknetz und dementsprechend höher ist die Abstoßungskraft an einem Knoten 6 . Der Abstand d zwischen j edem Knoten 6 im Schalldrucknet z ergibt sich gemäß :
Figure imgf000013_0001
wobei A die Wellenlänge und m die Anzahl der wechselwirkenden Quellen 3 ist . Um einen möglichst großen Effekt für die Abschirmung A zu erhalten, muss der Abstand zwischen zwei Quellen 3 gleich A/n sein , wobei n ganz zahlig i st . To explain the operating principle of the embodiment according to the invention, FIG. 2 shows the propagation of the wave 4 from a source 3 using isobaric lines in three-dimensional space. If more than one source 3 is arranged, a wave 4 is superimposed on at least one other wave 4 at the same point in space, and the amplitude at this point or Node 6 equals the sum of the sound pressure of the superimposed waves. If the array of more than one source 3 pulses synchronously, the amplitude of the pulse increases at a node 6 , where the amplitudes of at least two waves 4 interact, and creates a three-dimensional sound pressure network with the nodes 6 having a higher sound pressure than the surroundings . The greater the number of sources 3 per room unit, the denser the sound pressure network and the repulsive force at a node 6 is correspondingly higher. The distance d between each node 6 in the sound pressure network z is given by:
Figure imgf000013_0001
where A is the wavelength and m is the number of interacting sources 3. In order to obtain the greatest possible effect for the shielding A, the distance between two sources 3 must be equal to A/n, where n is an integer.
Abbildung 3 zeigt die Abschirmung A in der erfindungsgemäßen Aus führung eines effizienten passiven Filters 8 , durch eine mögliche Anordnung zur Erhöhung des Schutzes vor PEAK 5 in einer KSA integriert . Die Abschirmung A besteht aus einer äußeren Gewebeschicht 7 , der Quelle 3 und dem passiven Filter 8 . Die Quelle 3 besteht aus einem piezoelektrischen Material ( einschließlich flexiblem Polymer ( z . B . PVDF) , AIN und PZT ) mit einer Schichtdicke von 0 , 001 mm bis 1 mm und einer Betriebs t reguenz von 10 Hz bis 10 MHz . Die Quelle 3 wird im Inneren der außen liegenden Gewebeschicht 7 in einer an sich bekannten Weise stoffschlüssig fixiert . Die Verwendung von Freguenzen oberhalb der Hörgrenze gewährleistet , dass flüchtige PDAK 5 mit einem Durchmesser von unter einem Millimeter abgestoßen und gleichzeitig die Schallwellen von Menschen nicht wahrgenommen werden . FIG. 3 shows the shielding A in the embodiment of an efficient passive filter 8 according to the invention, integrated in a KSA by a possible arrangement for increasing the protection against PEAK 5 . The shield A consists of an outer fabric layer 7 , the source 3 and the passive filter 8 . The source 3 consists of a piezoelectric material (including flexible polymer (e.g. PVDF), AlN and PZT) with a layer thickness of 0.001 mm to 1 mm and an operating frequency of 10 Hz to 10 MHz. The source 3 is fixed in a materially bonded manner inside the outer fabric layer 7 in a manner known per se. The use of frequencies above the hearing limit ensures that volatile PDAK 5 with a diameter of less than one millimeter are repelled and at the same time the sound waves are not perceived by humans.
Abbildung 4 zeigt eine beispielhafte Anordnung der Abschirmung A während der Verwendung . Figure 4 shows an example arrangement of shield A during use.
Abbildung 5 zeigt die Abschirmung A mit einer beispielhaften Anordnung von mehr als einer Quelle 3 . Der Vorteil der Verwendung dünner Piezo-Polymermaterialien für Quelle 3 besteht darin, dass mit begrenztem Aufwand komplexe Formen und Größen, angepasst an unterschiedliche Geometrien eines passiven Filter 8 , hergestellt werden können . Mehr als eine Quelle 3 sind über flexible elektrische Leiter 9 mit der Steuerelektronik 10 verbunden, die sich auf einer flexiblen Leiterplatte 11 , z . B . aus Polyimid, befindet . Figure 5 shows the shield A with an exemplary arrangement of more than one source 3 . Of the The advantage of using thin piezo polymer materials for source 3 is that complex shapes and sizes, adapted to different geometries of a passive filter 8, can be produced with limited effort. More than one source 3 are connected to the control electronics 10 via flexible electrical conductors 9, which are located on a flexible printed circuit board 11, e.g. B. made of polyimide.
Um die Quelle 3 in eine KSA zu integrieren, ist es erforderlich, die Komplexität der Steuerelektronik 10 zu reduzieren, um mit möglichst wenig Komponenten eine elektrische Anregung, z . B . eine Sinus- oder Rechteckwelle , zu erzeugen . To integrate the source 3 in a KSA, it is necessary to reduce the complexity of the control electronics 10 to an electrical excitation, z. B. to produce a sine or square wave.
Wie in Abbildung 6 dargestellt , besteht die Steuerelektronik 10 zumindest aus einer Spannungsguelle 1 , einer flexiblen Leiterplatte 11 , einer Kapazität 12 , einem variablen Widerstand 13 und einem Schmitt-Logik- Inverter 14 . Die Verwendung des variablen Widerstandes 13 ermöglicht , den Widerstandswert und damit die Anregungs freguenz ( siehe Gleichung ( 6 ) ) der Quelle 3 zu variieren . As shown in FIG. 6, the control electronics 10 consist of at least a voltage source 1 , a flexible circuit board 11 , a capacitor 12 , a variable resistor 13 and a Schmitt logic inverter 14 . The use of the variable resistor 13 makes it possible to vary the resistance value and therefore the excitation frequency (see equation (6)) of the source 3.
In Abbildung 7 ist schematisch eine beispielhafte Anordnung der Steuerelektronik 10 und eines Drehknopfes 15 , der mit dem variablen Widerstand 13 verbunden ist , an einer Atemschutzmaske dargestellt . FIG. 7 schematically shows an exemplary arrangement of the control electronics 10 and a rotary knob 15 which is connected to the variable resistor 13 on a respiratory protection mask.
Abbildung 8 zeigt eine weitere Anordnung der Steuerelektronik 10 und der Quelle 3 . Die Steuerelektronik 10 befindet sich auf einer rahmenförmigen Leiterplatte 11 , auf der sich die Elektronik eingebaut werden kann, welche zumindest aus der Spannungsquelle 1 , der Kapazität 12 , dem variablen Widerstand 13 und dem Schmitt-Logik-Inverter 14 besteht . Leiterbahnen, bevorzugt als flexible Drähte 9 , insbesondere Kupferdrähte , werden von der Steuerelektronik 10 kommend, zu zumindest einer Quelle 3 geführt .Figure 8 shows a further arrangement of the control electronics 10 and the source 3 . The control electronics 10 is located on a frame-shaped Circuit board 11 on which the electronics can be installed, which consists of at least the voltage source 1, the capacity 12, the variable resistor 13 and the Schmitt logic inverter 14. Conductor tracks, preferably in the form of flexible wires 9, in particular copper wires, are routed from the control electronics 10 to at least one source 3.
Die Steuerelektronik 10 erzeugt eine Welle mit einer Amplitude in Funktion der Spannungsquelle 1 und der Anregungs frequenz f (beachte hierzu Gleichung ( 6 ) ) .
Figure imgf000015_0001
The control electronics 10 generates a wave with an amplitude as a function of the voltage source 1 and the excitation frequency f (note equation (6)).
Figure imgf000015_0001
Dabei ist R der variable Widerstand 13 , C die Kapazität 12 , f die Anregungs frequenz und
Figure imgf000015_0002
und Vh die niedrige und hohe Schaltspannung des Schmitt-Triggers .Here, R is the variable resistance 13, C is the capacitance 12, f is the excitation frequency and
Figure imgf000015_0002
and V h the low and high switching voltage of the Schmitt trigger.
Abbildung 9 und Abbildung 10 zeigen schematisch zwei unterschiedliche Betriebsarten als Funktion der Materialpolari sation der Quelle 3 . In Abbildung 9 ist schematisch die Wirkung von mehr als einer Welle 4 in Form von Längsschwingungen dargestellt , um ein Schalldruckfeld zu erzeugen, das PDAK 5 von den zu schützenden Oberfläche fernhält . Figure 9 and figure 10 show schematically two different modes of operation as a function of the material polarization of the source 3 . Figure 9 shows schematically the effect of more than one wave 4 in the form of longitudinal vibrations in order to generate a sound pressure field that keeps the PDAK 5 away from the surface to be protected.
In Abbildung 10 ist schematisch die Wirkung von Welle 4 in Form von Oberflächenwellen und Scherwellen 16 dargestellt , mit deren Hil fe eine Oberfläche bzw . eine äußere Gewebeschicht 7 zum Vibrieren gebracht wird, um die Wahrscheinlichkeit der Anhaftung von PDAK 5 zu verringern . In figure 10 the effect of wave 4 in the form of surface waves and shear waves 16 is shown schematically, with the help of which a surface or an outer fabric layer 7 is vibrated to to reduce the likelihood of attachment of PDAK 5.
Schließlich zeigt Abbildung 11 beispielhaft die Verwendung der Abschirmung A an ausgewählten Stellen einer KSA in Form eines Schutzanzuges B . Die Quellen 3 befinden sich hierbei bevorzugt an Rändern des Schutzanzuges B rund um das j eweilige Körperteil . Finally, Figure 11 shows an example of the use of shielding A at selected points of a KSA in the form of a protective suit B . The sources 3 are preferably located on the edges of the protective suit B around the respective part of the body.
Eine mögliche Erweiterung der Abschirmung A auf Basis der erfindungsgemäßen Aus führung durch ein System für die Selbstreinigung von KSA-Ober flächen zeigt Abbildung 12 . Ein Behältnis für ein flüssiges Mittel 17 , insbesondere ein flüssiges Medium für die Erzeugung eines antiseptischen Aerosols 20 , ist mit der Abschirmung A verbunden und verteilt das Mittel 17 aufgrund von Kapillareffekten in einer , in die Abschirmung A integrierten Kapillare 18 . Das Mittel 17 in der Kapillare 18 wird, durch den von der Quelle 3 erzeugten Schalldruck, von einer äußeren Gewebeschicht 7 an die Umgebung im Nahbereich der KSA abgegeben . Hierzu werden Mikrolöcher 19 in der Kapillare 18 , die in direkter Verbindung mit der Quelle 3 steht , eingebracht , welche die Freisetzung des Mittels 17 ermöglichen, und dessen Niederschlag auf der äußeren Gewebeschicht 7 bewirken . A possible expansion of the shield A based on the embodiment according to the invention by a system for the self-cleaning of KSA surfaces is shown in FIG. A container for a liquid agent 17 , in particular a liquid medium for generating an antiseptic aerosol 20 , is connected to the shield A and distributes the agent 17 in a capillary 18 integrated in the shield A due to capillary effects. The agent 17 in the capillary 18 is released by the sound pressure generated by the source 3 from an outer tissue layer 7 to the environment in the vicinity of the KSA. For this purpose, microholes 19 are made in the capillary 18 , which is in direct connection with the source 3 , which enable the release of the agent 17 and cause its precipitation on the outer tissue layer 7 .

Claims

Patentansprüche patent claims
1. Piezoelektromechanische Vorrichtung zur hocheffektiven Abschirmung von Aerosolbestandteilen, umfassend eine Spannungsguelle (1) , einen Wellenformgenerator (2) und mindestens eine durch diesen angesteuerte akustische Quelle (3) , dadurch gekennzeichnet, dass die Quelle (3) dazu ausgebildet ist, ein hochdynamisches akustisches Druckfeld zu erzeugen und Partikel, Dämpfe, Aerosole oder Krankheitserreger, PDAK, selektiv akustisch ablenkt. 1. Piezo-electromechanical device for highly effective shielding of aerosol components, comprising a voltage source (1), a waveform generator (2) and at least one acoustic source (3) controlled by this, characterized in that the source (3) is designed to generate a highly dynamic acoustic To generate a pressure field and selectively acoustically deflects particles, vapours, aerosols or pathogens, PDAK.
2. Eine Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung dazu ausgebildet ist a) mindestens eine weitere Quelle (3) durch den Wellenformgenerator (2) anzusteuern und b) wenigstens eine der Quellen (3) im Freguenzbereich von 10 Hz bis 10 MHz zu betreiben, und c) aus zumindest zwei Quellen (3) generierte, sich überlagernde akustische Wellen (4) einen Schalldruck im Bereich von 0,0001 Pa bis 200 Pa zu erzeugen, wobei die Quelle (3) in alle 3 Koordinatenrichtungen geometrische Abmessungen aufweist, die kleiner als die Wellenlänge der Welle (4) sind. 2. A device according to claim 1, characterized in that the device is designed to a) activate at least one further source (3) by the waveform generator (2) and b) at least one of the sources (3) in the frequency range from 10 Hz to 10 MHz to operate, and c) generated from at least two sources (3), superimposed acoustic waves (4) to generate a sound pressure in the range from 0.0001 Pa to 200 Pa, the source (3) having geometric dimensions in all 3 coordinate directions has, which are smaller than the wavelength of the wave (4).
3. Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung dazu ausgebildet ist, zumindest eine der Quellen (3) gegebenenfalls mit einer Phasenverschiebung pulsieren zu lassen und eine Welleninterferenz zu erzeugen, zufolge der die akustische Abschirmwirkung durch Ablenkung an wenigstens einem der Knoten (6) erhöht wird. 3. A device according to claim 1 or claim 2, characterized in that the device is designed to pulsate at least one of the sources (3), optionally with a phase shift, and to generate wave interference. According to which the acoustic shielding effect is increased by deflection at at least one of the nodes (6).
4. Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung dazu ausgebildet ist, mittels eines dreidimensionalen Schalldrucknetzes an im Abstand d voneinander liegenden Knoten (6) akustische Abstoßkräfte zu generieren . 4. A device according to claim 2 or claim 3, characterized in that the device is designed to generate acoustic repulsion forces at a distance d from one another by means of a three-dimensional sound pressure network.
5. Eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ferner einen passiven Filter (8) umfasst. 5. A device according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the device further comprises a passive filter (8).
6. Eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass a) wenigstens eine Quelle (3) aus piezoelektrischem Material als monopolare Punktguelle ausgeführt ist und b) eine Steuerelektronik (10) auf einer flexiblen Leiterplatte (11) platziert ist, die einen Schmitt-Inverter (14) zur Erzeugung einer 6. A device according to any one of claims 1 to 5, characterized in that a) at least one source (3) made of piezoelectric material is designed as a monopolar point source and b) control electronics (10) are placed on a flexible printed circuit board (11), a Schmitt inverter (14) for generating a
Welle (4) mit variabler Verstärkung, bevorzugt 1 V bis 10 V, und Anregungsf reguenz , bevorzugt 10 Hz bis 10 MHz, mittels eines variablen Widerstandes (13) umfasst. Wave (4) with variable gain, preferably 1 V to 10 V, and excitation frequency, preferably 10 Hz to 10 MHz, by means of a variable resistor (13).
7. Eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung dazu ausgebildet ist, wenigstens von einer Quelle (3) unterschiedliche Arten einer Welle (4) , insbesondere als Scherwelle (16) , zu erzeugen. 17 7. A device according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the device is designed to generate at least one source (3) of different types of a wave (4), in particular as a shear wave (16). 17
8. Eine Vorrichtung nach einem der Ansprüchen 1 bis 7 , dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ferner eine äußere Gewebeschicht (7) umfasst, wobei die Quelle (3) in der äußeren Gewebeschicht (7) zweckmäßig eingebracht, vorzugsweise geklebt oder gewebt, ist.8. A device according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the device further comprises an outer fabric layer (7), wherein the source (3) is expediently incorporated, preferably glued or woven, into the outer fabric layer (7).
9. Eine Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung dazu ausgebildet ist, wenigstens eine Quelle (3) mit intensiven Vibrationen zu betreiben, sodass die Temperatur der äußeren Gewebeschicht (7) auf Temperaturen über Umgebungstemperatur ansteigt und vorzugsweise zwischen 60 °C und 80 °C beträgt. 9. A device according to claim 8, characterized in that the device is adapted to operate at least one source (3) with intense vibrations so that the temperature of the outer tissue layer (7) rises to temperatures above ambient temperature and preferably between 60°C and 80 °C.
10. Eine Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der Vorrichtung wenigstens eine Kapillare (18) integriert ist, die kongruent zu zumindest einer benachbarten Quelle (3) angeordnet ist und die an der, der Quelle (3) abgewandten Seite der Kapillare (18) , insbesondere im Wege der äußeren Gewebeschicht (7) zur Abgabe eines flüssigen Mittels (17) , bevorzugt als Aerosol (20) mit insbesondere antiseptischer Wirkung, mit Mikrolöchern (19) versehen ist . 10. A device according to claim 8 or 9, characterized in that at least one capillary (18) is integrated in the device, which is arranged congruently to at least one adjacent source (3) and on the side facing away from the source (3). the capillary (18), in particular by way of the outer fabric layer (7) for dispensing a liquid agent (17), preferably as an aerosol (20) with an antiseptic effect in particular, is provided with microholes (19).
11. Körperschut zausrüstung umfassend eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Vorrichtung in die Körperschut zausrüstung integriert ist . 11. Body protection equipment comprising a device according to one of claims 1 to 10, wherein the device is integrated in the body protection equipment.
12. Körperschut zausrüstung nach Anspruch 11 umfassend die Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Vorrichtung derart in der Körperschut zausrüstung angeordnet ist, 18 dass sich durch das Schalldruckfeld der Welle (4) die ablagernde Menge der PDAK (5) im Bereich der Ränder der Körperschut zausrüstung verringert . 12. Body protection equipment according to claim 11 comprising the device according to claim 7, wherein the device is arranged in the body protection equipment in such a way that 18 that due to the sound pressure field of the wave (4), the amount of PDAK (5) deposited in the area of the edges of the personal protective equipment is reduced.
PCT/AT2021/060399 2020-11-10 2021-10-29 Highly effective acoustic shielding device for aerosols with regard to respiratory and skin protection WO2022099330A1 (en)

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