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Ultraschall

Arbeitsgruppe 1.62

Untersuchung kavitierender Schallfelder

Ultraschall hat vielfältige Anwendungen in Medizin und Technik. In flüssigen Medien beruhen die erzielten Wirkungen sehr häufig auf Kavitation, die lokal außergewöhnliche Bedingungen erzeugen kann. Durch den hohen Unterdruck während der Zugphase der Ultraschallwelle reißt das Medium vornehmlich an mediumfremden Teilchen auseinander und die daraufhin erzeugte Blase schwingt oder implodiert unter Erzeugung hoher Temperatur und hohen Drucks oder starker Mikroströmungen. Dieser Prozess ist jedoch von sehr vielen äußeren Faktoren und Parametern abhängig und darüber hinaus von sehr stochastischer Natur. Dieser Umstand erschwert die Kontrolle, Steuerung und Optimierung aller Anwendungsprozesse außerordentlich. So werden die Betriebsparameter weitgehend empirisch ermittelt oder "nach der Erfahrung" eingestellt. Eine objektive Beschreibung fehlt ebenso wie die Möglichkeit, Prozesse miteinander zu vergleichen.

Relative Druckverteilung im Feld eines Ultraschallreinigungsbades - Messung mit faseroptischem Sensor

Eine Möglichkeit des objektiven Zugangs bietet die Möglichkeit, das Schallfeld als treibende "Kraft" messtechnisch zu erfassen. Die Messung von Schallfeldern ist technisch weit fortgeschritten und liefert verlässliche Ergebnisse. Auf Grund der hohen Druckamplituden und dem großen Zerstörungspotential des Schallfelds stellen sich aber auch hier grundsätzliche Schwierigkeiten entgegen. Weiterhin fehlt eine klare Relation zwischen den gemessenen Schallfeldparametern und den erzeugten Wirkungen der Kavitation. Die Frage, welche Aussagen Schallfeldmessungen machen können, ist bisher nicht befriedigend gelöst.

In einem, von der AiF geförderten, noch laufenden Projekt wurde deshalb an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt ein vollkommen neuer Messplatz aufgebaut, der die Erfassung der Schallfeldparameter in kavitierenden Feldern ortsaufgelöst in drei Dimensionen ermöglicht. Dabei kommen, je nach Anwendung, verschiedene Schallfeldmesstechniken zum Einsatz. Es stehen faseroptische und piezoelektrische Sensoren zur Verfügung. Weiterhin wurden Messtechniken zur Bestimmung der Kavitationswirkungen entwickelt. Mit ihnen ist ebenfalls eine ortsaufgelöste Messung möglich. Damit ergibt sich die Möglichkeit, Schallfeldmessungen und Wirkungsbestimmung direkt miteinander zu verknüpfen. Mit Hilfe dieser Daten lassen sich Antworten auf die Frage, wie Schallfeldmessungen für eine Analyse der Anwendungsprozesse genutzt werden können, finden.

 

 

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