Die durch die Fortschritte der Elektronik hervorgebrachten Leistungssteigerungen der Materialien, die Planungstools und eine verbesserte Materialkenntnis eröffnen der Nutzung von Ultraschall neue Perspektiven.
Der piezoelektrische Effekt:
Es gibt zwar zahlreiche Methoden, um Ultraschall zu erzeugen, in erster Linie jedoch verwenden Ultraschallwandler (Konverter) den piezoelektrischen Effekt, um elektrische Energie in mechanische Bewegung umzuwandeln.
Im Jahr 1880 wiesen Pierre und Jacques Curie den piezoelektrischen Effekt an einer Quarzprobe nach; der Quarz lädt sich elektrisch auf, wenn er einer Druckbelastung ausgesetzt wird. Umgekehrt verformt sich der Kristall bei Anlegen einer elektrischen Spannung.
Ultraschallwandler (Konverter):
Die Erzeugung von Ultraschall erfolgt mittels piezoelektrischen Wandlern (Konvertern). Diese Wandler ermöglichen die Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie und umgekehrt.
Diese sollten je nach ihrer Nutzung spezifiziert werden:
- Emission: Die gewünschten Eigenschaften sind die Leistungsrate und die Fähigkeit, ein starkes Signal zu senden,
- Empfang: Empfindlichkeit und der Signal-Störabstand sind die grundlegenden Merkmale der Leistung des Wandlers (Konverters).
Es ist möglich einen Wandler (Konverter) als Sender/Empfänger zu nutzen, insbesondere in Messanlagen und in der Regeltechnik. In diesem Fall muss der Wandler (Konverter) einen Kompromiss zwischen den oben aufgeführten Kriterien darstellen. Es gibt eine Vielzahl von Wandlern (Konvertern), die für die meisten Anwendungen geeignet sind und innerhalb des Frequenzbereichs des Ultraschalls liegen. Sie können jedoch je nach Verwendung bzw. Frequenzbereich unterschieden werden.
Zwei ergänzende Technologien werden angeboten :
- Niederfrequenz :
Die Wandler (Konverter) bestehen aus Keramikscheiben, die von zwei Metallteilen gehalten und gespannt werden (Langevin-Wandler) oder werden auf der Grundlage einer Scheibe hergestellt, welche den Poisson-Effekt nutzt.
Der Leistungswandler (-konverter) wird an zwei Teile angeschlossen, um die Übertragung der Energie in das Medium anzupassen:
Die Sonotrode, die die mechanische Schwingung auf das Medium überträgt; ihre Bauart bestimmt die Schwingungsamplitude, die der Wandler (Konverter) erzeugt.
Der optionale Booster wird zwischen Wandler (Konverter) und Sonotrode geschaltet. Er dient der Verstärkung der mechanischen Schwingung.
- Hochfrequenz :
Die Wandler (Konverter) bestehen aus einer Keramik, die aus einem homogenen Material oder einem Piezokomposit gefertigt werden. Anpassungsschichten ermöglichen eine optimierte Übertragung der Energie in das Ausbreitungsmedium für Messungen; der Ultraschallwandler (Konverter) wird anschließend durch eine akustisch signaldurchlässige Membran geschützt.
Hochfrequenzwandler (-konverter) werden für sämtliche medizinisch-therapeutischen Anwendungen entwickelt.
Elektronik:
Starker Ultraschall
Ein Ultraschallgerät besteht aus einer Leistungselektronik, die entsprechend dem Wandler (Konverter) gewählt wurde. Die Versorgung des Generators erfolgt über das Stromnetz. Für mittlere Leistung werden einige unserer Generatoren auch mit einer niederen Spannung von 24 V gespeist.
Der Generator erfüllt zwei wichtige Zwecke:
- Die Umwandlung von Netzspannung in geeignete Spannung für den Wandler (Konverter) (kann 1kV übersteigen). Die Kontrolle dieser Spannung ermöglicht es, die an den Wandler abgegebene Leistung zu steuern. Es gibt zahlreiche Strategien, um eine korrekte Regelung des Geräts zu erreichen; sie hängen in erster Linie von dem
Anwendungstyp ab. Unsere Generatoren lassen sich an verschiedene von der Anwendung hervorgerufene Problemstellungen anpassen. - Die Umwandlung der Netzfrequenz in die Resonanzfrequenz des Wandlers (oder(Konverters). Der Wandler (Konverter) erbringt optimale Leistung, wenn er in seinem Resonanz- Antiresonanz-) frequenzbereich arbeitet. Die Elektronik muss also in der Lage sein, die Wandlerfrequenz abzugeben, die je nach Medium und Umgebung unterschiedlich ist. Es gibt zahlreiche Strategien, um eine korrekte Regelung des Geräts zu erreichen; sie hängen in erster Linie von der Anwendungsart ab.
Unsere leistungsstarken Generatoren können eine Leistung von einigen W bis 5KWatt bereitstellen. Leistungsstarke Wandler (Konverter) für eine Schweißanwendung sind häufig während äußerst kurzer Erregungszeiten auf 3kW bis 4kW begrenzt. Bei Anwendungen in flüssigen Medien, z. B. der Reinigung, werden die Wandler (Konverter) gruppenweise geschaltet, um Leistungen von einigen Dutzend kWatt zu liefern.
Unsere aktuellen Geräte der Reihe NexTgen sind vollständig digital, die Kontrollfunktionen wurden für eine hohe funktionale Effizienz ausgelegt. Insbesondere ermöglicht unser Modus « remote control » eine Steuerung aus der Ferne zur Sicherstellung der Diagnostik und der Anpassung von Einstellungen durch unseren Kundendienst.
Literaturangaben:
Power ultrasonics: Applications of high-intensity Ultrasound:
Gallego-Juarez and Karl F.Graff – WOODHEAD PUBLISHING
Handbook on Application of Ultrasound – Sonochemistry and Sustainability:
Dong Chen, Sanjay K. Sharma, Ackmez Mudhoo – CRC Press
Sonochemistry: From Basic Principles to Innovative Applications
Juan Carlos Colmenares, Gregory Chatel – Springer
Ultrasonics: Fundamentals, Technologies, and Applications, Third Edition: Dale Ensminger, Leonard J.Bond
La cavitation:
https://perso.imt-mines-albi.fr/~louisnar/CAVITATION/ultrasons.html
