Quantitative Bestimmung der Reinigungswirkung von Ultraschallbädern

Durch die Erfassung spektraler Schallfeldparameter direkt im Reinigungsbad kann die Effizienz von ultraschallgestützten Reinigungsprozessen bestimmt und optimiert werden.

Ultraschall im Frequenzbereich 20 - 200 kHz wird in Forschung, Medizin und Technik vielfältig eingesetzt, insbesondere für die Reinigung von Teilen aller Art. Trotz der weiten Verbreitung stehen bisher jedoch keine allgemeinen Reaktions- und Apparateprinzipien zur Verfügung. Die aktuelle Reinigungswirkung kann nur geschätzt werden und bei der Optimierung der Prozesse ist man weitgehend auf empirisches Herangehen angewiesen.

Der messtechnische Zugang durch die Charakterisierung des Schallfeldes in seiner Eigenschaft als Ursache und treibende Kraft der im Reinigungsbad ablaufenden Prozesse erschließt die Möglichkeit zum genaueren Verständnis der komplizierten Vorgänge und ihrer Beschreibung und Kontrolle. Im Rahmen eines von der AiF geförderten Projektes konnten in der Arbeitsgruppe Medizinische Akustik durch den Einsatz geeigneter Sensoren zur räumlichen Erfassung der Leistungsschallfelder einerseits, und durch Verfeinerung klassischer physikalischer Verfahren zur Wirkungsbestimmung andererseits, erstmalig direkte räumliche Korrelationen zwischen spektralen Schallfeldparametern und der erreichten Reinigungswirkung bestimmt werden.

Die dreidimensionale Erfassung der kavitierenden Ultraschallfelder erfolgt wahlweise mit faseroptischen oder piezoelektrischen Sensoren. Die Kavitationswirkung wird mit Hilfe von Aluminiumfolien zweidimensional erfasst, dabei werden die nach Ultraschalleinwirkung entstandenen Perforationen und Einbuchtungen mit spezieller Bildverarbeitungssoftware quantifiziert. So können sie mit den aus der Schallfeldmessung gewonnenen spektralen Parametern (z.B. den frequenzbandbezogenen Rauschleistungen und den Amplituden bei der Fundamentalfrequenz, der ersten Harmonischen, Sub- und Ultraharmonischen) in der korrespondierenden Ebene korreliert werden. Durch die direkte Verknüpfung von Schallfeld- und Wirkungsdaten zeigt sich, inwieweit Schallfeldmessungen zur Optimierung von Anwendungsprozessen eingesetzt werden können.

Bild 1 zeigt an einem typischen Beispiel die bisherigen Ergebnisse. Es konnte eine gute Korrelation zwischen den Amplitudenverteilungen der sub- und ultraharmonischen Komponenten gefunden werden (k = 0,77) und eine hohe Korrelation dieser Komponenten zur Amplitude bei der Grundfrequenz (k > 0,90). Auch die Rauschleistungen im hohen (1,0 - 1,2 MHz) und niedrigen (100 - 200 kHz) Frequenzband zeigten gute Übereinstimmung mit den genannten Parametern (k = 0,50 .. 0,85). Die Koeffizienten für die Korrelation der Kavitationswirkung mit den meisten spektralen Parametern lagen bei k = 0,40. Hier soll durch eine Verfeinerung des Verfahrens eine Verbesserung der Selektivität erreicht werden. Nicht geeignet für die Beurteilung der Reinigungswirkung ist die Amplitude der ersten Harmonischen, deren Korrelationskoeffizienten stets unter k = 0,20 lagen.

Bild 1:   Zweidimensionale Verteilung von spektralen Parametern aus der Schallfeldmessung in einem Ultraschallreinigungsbad. Amplituden:
avg f - der Grundfrequenz,   harm - der ersten Harmonischen,   subharm - der Subharmonischen,
ultraharm - der Ultraharmonischen (1,5 x f ),   BIE low - der Rauschleistung im niedrigen Frequenzband und
erosion - der Kavitationswirkung.

Ansprechpartner:

Klaus-Vitold Jenderka, FB 1.6, AG 1.63, E-mail: klaus-vitold.jenderka@ptb.de