[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen von Schall oder Ultraschall
insbesondere als elektroakustischer Wandler mit einem Schichtaufbau aus schalleitenden
Festkörperwerkstoffen.
[0002] Es sind viele Arten des Aufbaus und der Anordnung von elektroakustischen Wandlern
bekannt, um möglichst verlustarm Schallenergie in flüssige Medien zu übertragen. Die
spezifischen Schallwirkungen sind im Ultraschallbereich, bedingt durch das Auftreten
von Kavitation, am größten und werden durch kostengünstige Wandlerherstellung bei
der Ultraschallreinigung am meisten genutzt.
[0003] Durchgesetzt haben sich dabei im wesentlichen mit Piezokeramiken bestückte und sandwichartig
aufgebaute Wandler, die zumeist in longitudinalen Schwingungsmoden arbeiten.
[0004] Vielen Vorrichtungen gemeinsam ist die unbedingt notwendige kraftschlüssige Verbindung
der einzelnen Wandler mit der Fläche, die mit dem flüssigen Medium in Kontakt steht.
Dazu werden die Wandler bzw. deren Kopplungsstücke mit beispielsweise Boden- und Seitenwänden
von Edelstahlwannen, -schwing-platten und -blechen von Tauchschwingern verklebt, da
sie aus physikalischen Gründen vorteilhaft aus Aluminiumlegierungen bestehen.
[0005] Derartige Anordnungen sind beispielsweise in der DE-OS 21 20 654 und der US-PS 3
318 578 beschrieben. Diese Anordnungen sind kostengünstig herstellbar und daher relativ
weit verbreitet. Entscheidende Nachteile sind allerdings eine begrenzte Haltbarkeit
und Beständigkeit der Klebungen, die keinesfalls höheren Temperaturen und erhöhten
mechanischen Belastungen ausgesetzt werden dürfen. Ihre Lebensdauer ist begrenzt.
[0006] Andere mechanische Verbindungstechniken, wie beispielsweise das Reibschweißen oder
eine Verbindung mittels angeschweißter Bolzen, haben sich aus Kostengründen nicht
durchgesetzt.
[0007] Unter Inkaufnahme einer verminderten Schallamplitude auf der schallabstrahlenden
Seite, d.h., einer verminderten Ultraschallintensität, werden auch Wandler-Kopplungsstücke
und das Blech der abstrahlenden Seite aus Edelstahl, d.h., aus dem gleichen Grundmaterial
gewählt. Die Kopplungsstücke können dann in vorgestanztes Material eingeschweißt oder
mit diesem durch z.B. Löten direkt verbunden werden. Nachteile ergeben sich durch
einen erhöhten Energie- und Vorbereitungsaufwand, einen geringeren Wirkungsgrad der
Wandler sowie durch Spannungs- und Fügeveränderungen des Grundmaterials der abstrahlenden
Seite.
[0008] Alle bekannten Vorrichtungen setzen die Existenz von einzelnen, häufig schon montierten
elektroakustischen Wandlern voraus, die zur Schallübertragung mit einem Blech, einer
Wanne oder ähnlichem verbunden werden. Die Anbringung und/oder Ankopplung separater
Wandler an das die Schwingung übertragende Blech führt oft zu unerwünschten Biegeschwingungen
und Materialermüdungen. Vermehrte Kavitations- und Korrosionserscheinungen sind die
Folge. In der DE-OS 26 05 898 und der DE-OS 39 33 519 sind deshalb verschiedene kostenaufwendige
Vorrichtungen und Maßnahmen vorgeschlagen, um diese Nachteile zu minimieren.
[0009] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Wandleraufbau so zu gestalten,
daß eine direkte und quasi verlustfreie Einbringung der Schallenergie in ein Medium
möglich ist, daß jedoch teure Verbindungstechniken entfallen. Der elektroakustische
Wirkungsgrad soll dabei erhalten und unerwünschte Energieverluste, z.B. in Form von
Biegeschwingungen, minimiert werden.
[0010] Zur Lösung dieser Aufgabe führt, daß ein gemeinsames Kopplungsstück als vordere schallabstrahlenden
Schicht (1) für eine Mehrzahl von Elementen (10, 11, 12) einer Mehrzahl von Wandlern
(S) vorgesehen ist.
[0011] Wesentlich ist dabei, daß an einer einzigen Schicht eine Vielzahl von Wandlerelementen
festgelegt sind. Bei diesen Elementen von Wandlern kann es sich um eine oder mehr
Piezokeramiken handeln, die über entsprechende Befestigungselemente mit der Schicht
verbunden sind.
[0012] In einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist zwischen diese schallabstrahlende
Schicht und die Wandlerelemente noch eine weitere Schicht eingefügt, welche mit der
ersten Schicht eine Verbindung mit hoher Verbindungsfestigkeit eingeht und mit der
ersten Schicht zusammen das Kopplungsstück zum Verbinden mit weiteren Elementen des
Wandlers bildet.
[0013] Hierdurch wird auf einfachem Wege eine erfindungsgemäße Vorrichtung vorgeschlagen,
die eine nahezu verlustlose Ankopplung bzw. Übertragung von Schall- oder Ultraschallwellen
an flüssige oder andere Medien in Behältnisse ermöglicht, in denen schall- oder ultraschallspezifische
Wirkungen beabsichtigt sind. Hierzu zählen insbesondere Ultraschall-Reinigungsbäder
und -Wannen, Tauchschwinger, Schwingplatten und dgl. mehr, deren Blech vorzugsweise
aus nichtrostenden und chemisch resistenten Werkstoffen hergestellt ist.
[0014] Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht somit in diesem Ausführungsbeispiel aus
einer mindestens zweischichtigen Schwingplatte oder -tafel, wobei aus Teilen dieser
Schwingplatte auch selbst ein Behältnis od. dgl. herausgeformt sein kann. Diese erste
dünne Schicht ist dabei sowohl Teil des eigentlichen Wandlers als auch gleichzeitig
schallabstrahlende Oberfläche. An die dünne Schicht schließt eine dickere Schicht
an, auf der sandwichartig weitere Elemente des akustischen Wandlers aufgebaut sind,
wie beispielsweise entsprechende Piezokeramiken und Druckstücke.
[0015] Durch die Verwendung eines zwei- oder mehrschichtigen Verbund- oder plattierten Metallmaterials
für den Aufbau von Wandlern ist die Voraussetzung für eine hohe Verbindungsfestigkeit
zwischen Werkstoffen unterschiedlicher Schallkennimpedanz und Dicke gegeben. Vorteilhaft
ist die Nutzung geeigneter Materialkombinationen in der Form, daß die dicke Schicht
eine wesentlich niedrigere Schallkennimpedanz aufweist als die dünne Schicht. Dies
ist z.B. beim Verhältnis von Aluminium für die dicke Schicht zu Edelstahl für die
dünne Schicht gegeben.
[0016] Die eine oder eine der Schichten kann aus einem nichtmetallischen Werkstoff, beispielsweise
aus einem faserverstärkten Kunststoff, einer Keramik od. dgl. bestehen. Vom Erfindungsgedanken
sind alle Werkstoffe umfaßt, welche als schallabstrahlende Schicht Verwendung finden
können.
[0017] Die Dicke/n der Schicht/en ist/sind im übrigen frequenzbestimmend.
[0018] Erfindungsgemäß wird ein Teil des Wandlers, nämlich der oder die Körper, aus der
einen oder, bei Verwendung meherer Schichten, aus der dicken Schicht so herausgearbeitet,
daß die wesentlich dünnere Schicht unverändert stehen bleibt. Sollten mehrere Körper
vorgesehen sein, so werden diese durch die dünnere Schicht verbunden, wobei die dünnere
Schicht die schallabstrahlende Seite bildet. Aus schallphysikalischer Sicht bilden
in diesem Fall beide Schichten zusammen das Kopplungsstück des jeweiligen Wandlers.
Mit Piezokeramiken und Druckstücken aus z.B. Stahl komplettiert, kann so eine beliebige
Anzahl von Wandlern auf einer dünnen Schicht konfiguriert werden und zwar in Abhängigkeit
von der gewünschten Größe, Leistung und Frequenz. Dabei darf allerdings nicht übersehen
werden, daß im Rahmen der Erfindung auch liegt, daß an eine dünne Schicht ein einziger
Körper zum Aufbau beispielsweise weiterer Piezokeramiken und Druckstücke anschließt.
[0019] Dieser asymmetrische Betrieb von mit ungleichen Massen zusammengesetzen Wandlern
bewirkt zudem eine Verstärkung der Intensität zur abstrahlenden Seite hin. Über die
dünne Schicht, die einerseits gleichzeitig Bestandteil des Wandlers ist, andererseits
direkt mit dem Medium in Kontakt steht, an das Schall- oder Ultraschallenergie abgestrahlt
werden soll, wird die Schallenergie direkt und verlustlos übertragen.
[0020] In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die dickere Schicht zusätzlich
so bearbeitet, daß durch Freiräume oder Stegrahmen unerwünschte Biegeresonanzen vermieden
werden. Aus diesem Grunde sind die Körper beispielsweise in einem Abstand voneinander
angeordnet oder aber es befindet sich zwischen den Körpern ein Stegrahmen.
[0021] Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt darin, daß die dünne Schicht selbst
als ein Behältnis, eine Wanne oder eine Platte ausgebildet sein kann. Ferner besteht
auch die Möglichkeit, die dünne Schicht in ein Behältnis, eine Wanne oder eine Platte
so zu integrieren, daß sie direkt mit dem Medium in Verbindung steht.
[0022] Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt
in
Figur 1 eine Seitenansicht eines Ausschnittes aus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zum Erzeugen von Schall oder Ultraschall;
Figur 2 eine Seitenansicht einer Schwingplatte;
Figur 3 eine Draufsicht auf einen Teil der Schwingplatte gemäß Figur 2;
Figur 4 eine Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Schwingplatte;
Figur 5 eine Draufsicht auf einen Teil der Schwingplatte gemäß Figur 4;
Figur 6 eine Seitenansicht einer geringfügig mechanisch bearbeiteten Schwingplatte;
Figur 7 eine Draufsicht auf einen Teil der Schwingplatte gemäß Figur 6;
Figur 8 eine schematische Seitenansicht eines mit einer Zentralschraube montierten
Schallwandlers.
[0023] Gemäß Figur 1 sind mit einer Schicht 1 aus schallabstrahlendem Material Elemente
10,11,12 und 14 verbunden, welche jeweils Teile eines Wandlers S sind. Im vorliegenden
Ausführungsbeispiel handelt es sich bei den Elementen um zwei aufeinanderliegende
Piezokeramiken 11 und 12, wobei der Piezokeramik 12 ein Druckstück anliegt und die
gesamte Anordnung über eine Druckschraube 14 mit der Schicht 1 verbunden ist. Die
Schicht 1 bildet ein gemeinsames Kopplungsstück für die Wandlerelemente.
[0024] In Figur 2 ist eine zweischichtige Schwingplatte P aus metallenem Verbundmaterial
gezeigt. Hier bilden zwei Schichten 1 und 2 ein Kopplungsstücke zum Aufbau von elektroakustischen
Wandlern und weisen eine unterschiedliche Schallkennimpedanz für einen logitudinalen
Schwingungsmodus auf. Die dünne Schicht 1 besteht bevorzugt aus Edelstahl und besitzt
zusätzlich Bohrungen 3 zum An- oder Einschrauben in eine Edelstahlwanne od. dgl..
Die dickere Schicht 2 beinhaltet herausgearbeitete Körper 4, welche aus einer Aluminiumlegierung
bestehen. In diese Körper 4 sind Gewindebohrungen 5 zum Verschrauben mit in Figur
1 und 8 gezeigten Piezokeramiken und Druckstücken eingeformt.
[0025] Durch beispielsweise Fräsen oder Sägen sind aus der Schicht 2 die Körper 4 mit quadratischem
Grundriß so herausgearbeitet, daß ein Abstand a zwischen ihnen eine stehende Biegewelle
verhindert.
[0026] Die Form der Körper ist kostenabhängig und kann verschieden sein; für eine gute Lastanpassung
eignen sich Pyramidenstümpfe, beispielsweise ist auch ein Körper in paraboloider Form
denkbar.
[0027] An diese Körper 4 schließen die restlichen Teile eines Schallwandlers an, wie dies
beispielsweise in Figur 8 gezeigt ist.
[0028] In Figur 4 und 5 ist eine ähnliche Schwingplatte P1 wie in den Figuren 2 und 3 gezeigt.
Sie dient beispielsweise dem Aufbau von Tauchschwingern und besteht ebenfalls aus
einer Schicht 1 und 2. Im Gegensatz zu Figur 2 ist jedoch zwischen der Schicht 2 und
der Schicht 1 ein umlaufender Randstreifen 6 der Breite b freigelassen, welcher zum
Aufschweißen einer Haube 7 genutzt wird.
[0029] Die aus der zweiten Schicht 2 herausgeformten Körper 4a weisen im Gegensatz zur Figur
2 einen kreisförmigen Grundriß auf. Zusätzlich ist aber aus der Schicht 2 ein Stegrahmen
8 geringer Höhe herausgearbeitet, um Biegewellen in der Schicht 1 zu verhindern. Die
Form und Höhe des Stegrahmens 8 kann variieren. Für die Körper 4a ist beispielsweise
auch der Kegelstumpf eine effektive Form. An den jeweiligen Körper 4a können dann
die restlichen Teile eines Schallwandlers entsprechend Figur 1 und 8 anschließen.
[0030] Die Figuren 6 und 7 zeigen einen äußerst einfachen und kostengünstigen Aufbau zur
Realisierung von Mehrfachanordnungen für adäquate Anwendungen. Im Unterschied zu den
Ausführungsformen der Figuren 2 bis 5 ist die Schicht 2 bis auf die Gewindebohrungen
5 und einen Randstreifen 6 nicht oder nur geringfügig bearbeitet. Die Schichten 1
und 2 bilden so ein gemeinsames Kopplungsstück einer definierten und frequenzbestimmenden
Dicke c für eine Vielzahl von Wandlern. Eventuelle Biegeerscheinungen der Schwingplatte
P2 hin zur abstrahlenden Seite der Schicht 1 werden wirksam vermieden. Geringe flächenförmige
Vertiefungen 9 können von Vorteil sein, welche in den Figuren 6 und 7 gestrichelt
dargestellt sind. Die übrigen Teile eines Schallwandlers entsprechend Figur 1 und
8 können auf dieser Schwingplatte P2 aufgebaut werden.
[0031] Die Schicht 1 bei diesen in den Figuren 2 bis 7 gezeigten Schwingplatten kann vorteilhafterweise
aber nicht ausschließlich selbst als Behältnis, Wanne, Platte od.dgl. ausgebildet
sein.
[0032] In Figur 8 ist eine Variante eines einzelnen Schallwandlers S dargestellt, der als
Halbwellen-Verbundschwinger im Längsschwingungsmodus arbeitet. Er besteht aus einem
mindestens zweischichtigen Verbund- oder plattierten Metall mit den Schichten 1 und
2, den axial gepolten Piezokeramiken 10 und 11, dem Druckstück 12 aus Stahl, Anschlüssen
13a und 13b und der Druckschraube 14. Mittels dieser Druckschraube 14 können die Piezokeramiken,
Druckstücke und Anschlüsse jeweils in den Gewindebohrungen 5 der Körper 4 festgelegt
werden.
[0033] Die Körper 4 können bei Verwendung des einschichtigen Aufbaus gemäß Figur 1 auch
in diese eine Schicht 1 eingeformt sein.
[0034] Für die Schicht 1 bzw. die Schichten 1 und 2 kommen verschiedene Materialien in Frage.
Dies können insbesondere metallische aber auch nicht-metallische Werkstoffe, beispielsweise
Kunststoffe sein. Auch Faserverbundstoffe oder keramische Stoffe können bevorzugt
Anwendung finden.
[0035] Bei einem mehrschichtigen Aufbau ist eine bevorzugte Verwendung dieses Wandlers gegeben,
wenn die Materialkombination des Verbundwerkstoffes Edelstahl zu Aluminium ist. Die
dünne Schicht 1, d.h., die Schicht aus Edelstahl, kann dann leicht mit entsprechenden
Behältnissen, Wannen, Platten od.dgl. gleichen Materials oder anderen Materials verbunden
werden. Eine Verbindung beider Schichten aus gleichem Material kann z.B. durch Ringbuckelschweißen,
Reibschweißen, Löten, Elektronenstrahlschweißen od. dgl. erfolgen.
[0036] Die beschriebenen Ausführungsformen sind in ihrer Geometrie variierbar und durch
moderne mechanische Bearbeitungstechniken leicht zu realisieren. Der erfindungsgemäße
Aufbau gestattet auch die Uebertragung anderer Schwingungsmoden, z.B., von Transversal-,
Torsions- oder Radialschwingungen. Dazu ist insbesondere die im Ausführungsbeispiel
gemäß Figur 8 gezeigte Schallwandlerkonfiguration entsprechend abzuändern. Denkbar
ist auch der Aufbau von Wandlern, deren axiale Ausdehnungsrichtung nicht nur /2 sondern
auch ein Vielfaches von /2 beträgt und die unter Umständen mehrere Arbeitsfrequenzen
haben können.
1. Vorrichtung zum Erzeugen von Schall oder Ultraschall insbesondere als elektroakustischer
Wandler mit einem Schichtaufbau aus schalleitenden Festkörperwerkstoffen,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein gemeinsames Kopplungsstück als vordere schallabstrahlenden Schicht (1) für
eine Mehrzahl von Elementen (10, 11, 12) einer Mehrzahl von Wandlern (S) vorgesehen
ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß eine vordere Schicht (1)
als schallabstrahlende Schicht und eine darauf folgende Schicht (2) eine Verbindung
mit hoher Verbindungsfestigkeit eingehen und zusammen ein Kopplungsstück zum Verbinden
mit weiteren Elementen (10,11,12) des Wandlers bilden.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten (1 und 2) eine
unterschiedliche Schallkennimpedanz besitzen und damit frequenzbestimmende Teile des
Wandlers (S) sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten (1,
2) unterschiedlich dick sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die dünnere Schicht (1) die
schallabstrahlende Seite bildet, während aus der dickeren Schicht (2) oder, falls
die Schicht (1) alleine Anwendung findet, aus der Schicht (1) Körper (4) zum Konfigurieren
mit weiteren Elementen zu einem oder mehreren Wandlern herausgearbeitet sind.
6. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß
die Verbindung mit hoher Verbindungsfestigkeit zwischen den beiden Schichten (1, 2)
durch eine weitere Metallschicht erfolgt.
7. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß
die Schicht (1 bzw. 1 oder 2) aus einem nicht-metallischen Werkstoff, beispielsweise
einem Kunststoff, einem Faserverbundwerkstoff, einer Keramik od.dgl. besteht.
8. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß
die Schicht (1) aus Edelstahl und die Schicht (2) aus einer Aluminiumlegierung besteht.
9. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß
der/die Körper (4) als ebenflächige oder krummflächige Körper, z.B. als quader-, zylinder-,
prismen-, pyramiden- oder kegelstumpfförmige Körper ausgebildet sind.
10. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß
der Körper (4) eine Gewindebohrung (5) zum Anschließen der weiteren Schichten (10,
11, 12) des Wandlers (S) aufweist.
11. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet,
daß an die Schicht (1 bzw. 2) zumindest eine Piezokeramik (10, 11) sowie ein Druckstück
(12) anschließt.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren Elemente
(10, 11, 12) über eine Druckschraube (14) mit der Schicht (1 bzw. 2) verbunden sind.
13. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schicht (1) ein Behältnis, eine Wanne, eine Platte od. dgl. ausbildet oder
ein Bestandteil eines Behältnisses, einer Wanne, Platte od. dgl. ist.
14. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet,
daß aus der Schicht (1 bzw. 2) mehrere Körper (4) beispielsweise durch spanabhebende
Bearbeitung herausgeformt sind.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Körper (4) einen Abstand
(a) voneinander einhalten.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen
den Körpern (4) Stege und/oder ein Stegrahmen (8) mit vorbestimmter Höhe und Breite
vorgesehen ist.
17. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schicht (1 bzw. 2) eine Mehrzahl von Gewindebohrungen (5) für eine Mehrzahl
von weiteren Elementen (10, 11, 12) für eine Mehrzahl von Wandlern (S) aufweist.
18. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet,
daß die schallabstrahlende Schicht (1) eines oder mehrerer Wandler mit einem Behältnis,
einer Wanne, einer Platte od.dgl. verbunden ist/sind.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen
der Schicht (1) und dem Behältnis, der Wanne, der Platte od.dgl. durch Ringbuckelschweißen,
Reibschweißen, Löten, Elektronenstrahlschweißen od. dgl. erfolgt.
20. Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Behältnis, die
Wanne, Platte od.dgl. aus dem gleichen Werkstoff besteht, wie die schallabstrahlende
Schicht (1), vorzugsweise aus Edelstahl.